白曉亮， 趙 利

(太原市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山西 太原 030002)

分析與測(cè)試

探討β射線法顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀與手工采樣器比對(duì)測(cè)試

白曉亮， 趙 利

(太原市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山西 太原 030002)

β射線法顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)具有使用方便、數(shù)據(jù)可靠和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。在介紹該儀器基本原理的基礎(chǔ)上，將手工顆粒物采樣器與β射線法顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行同步比對(duì)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該分析儀性能穩(wěn)定，測(cè)定的環(huán)境空氣中PM10濃度數(shù)據(jù)相對(duì)誤差低于±10%，能夠滿足大氣顆粒物監(jiān)測(cè)的需求。β射線法顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀為大范圍空間顆粒物質(zhì)量濃度的監(jiān)測(cè)提供了一種快速、實(shí)時(shí)的手段。

：顆粒物；PM10；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；β射線法

引 言

目前，我國(guó)大部分城市空氣中的首要污染物是顆粒物，顆粒物污染已成為重要的空氣污染之一[1-3]。隨著現(xiàn)代化城市的快速發(fā)展，建設(shè)工程施工產(chǎn)生的揚(yáng)塵對(duì)顆粒物的污染貢獻(xiàn)不容小覷。揚(yáng)塵中的顆粒物PM10也稱可吸入顆粒物，它是空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤10 μm的顆粒物。PM10長(zhǎng)期累積會(huì)引起呼吸系統(tǒng)疾病，如氣促、咳嗽，誘發(fā)哮喘、慢性支氣管炎、慢性肺炎等[4]。因此，國(guó)家環(huán)保部在2012年出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[5]，將PM10納入空氣質(zhì)量指標(biāo)體系，對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。

常見顆粒物的監(jiān)測(cè)方法主要分為手工監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)。其中，手工監(jiān)測(cè)是利用空氣顆粒物采樣器對(duì)特定區(qū)域的空氣連續(xù)監(jiān)測(cè)一段時(shí)間后，通過(guò)對(duì)富集在采樣器內(nèi)顆粒物總重量的稱量來(lái)監(jiān)測(cè)顆粒物的濃度。手工監(jiān)測(cè)雖具有成本低、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，但費(fèi)事、費(fèi)力，且存在一定的人為誤差。因此，手工監(jiān)測(cè)的應(yīng)用主要集中在對(duì)比監(jiān)測(cè)中[6]。而在線監(jiān)測(cè)則是利用在線監(jiān)測(cè)儀對(duì)區(qū)域內(nèi)的空氣進(jìn)行連續(xù)采樣并自動(dòng)分析顆粒物濃度的一種方法，其常見原理為β射線法[7]。在線監(jiān)測(cè)具有操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)可靠等特點(diǎn)。

本文通過(guò)將太原市空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站——富力城測(cè)試點(diǎn)的β射線法顆粒物監(jiān)測(cè)儀與傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)法對(duì)顆粒物PM10質(zhì)量測(cè)定濃度結(jié)果比較，了解β射線法顆粒物監(jiān)測(cè)儀在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，考察在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)揚(yáng)塵顆粒物PM10監(jiān)測(cè)新方法的重要意義。

1 β射線法顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 工作原理

β射線法+光散射法測(cè)量的原理：結(jié)合2種方法的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)β射線法高準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)，定期自動(dòng)校準(zhǔn)光散射的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，得到非常準(zhǔn)確的顆粒物實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)反應(yīng)突然濃度的變化要求。特別是工地施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的情況。

光散射法測(cè)量的原理：建立在微粒的Mie散射理論基礎(chǔ)上。當(dāng)光照射在空氣中的顆粒物上時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射光，在顆粒物性質(zhì)一定的條件下，顆粒物的散射光強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成正比。通過(guò)測(cè)量散射光的強(qiáng)度與應(yīng)用轉(zhuǎn)換系數(shù)，求得顆粒物質(zhì)質(zhì)量。

β射線法測(cè)量的原理：采用β射線法。根據(jù)β射線吸收原理設(shè)計(jì)，β射線是一種高速電子流，它穿過(guò)物質(zhì)時(shí)與物質(zhì)內(nèi)部電子發(fā)生非彈性碰撞，其能量被部分吸收。當(dāng)β射線源最大能量小于1Mev時(shí)，穿透物質(zhì)的質(zhì)量較小，β射線源強(qiáng)度恒定，則被吸收量大小只與吸收物質(zhì)的質(zhì)量有關(guān)，而與吸收物質(zhì)的物化特性(如成分、粒度、分散度、形狀、顏色等)無(wú)關(guān)。所以，它能直接測(cè)量質(zhì)量濃度，而不需進(jìn)行任何的換算。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以恒定的β射線源先后穿過(guò)空白濾膜和采集有顆粒物樣品的濾膜，比較其吸收量的變化，便可求得顆粒物樣品的質(zhì)量。

1.2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)建筑工地粉塵高、噪音大的特點(diǎn)，集成顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、噪聲監(jiān)控系統(tǒng)及GPS定位、數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)于一體，將建筑工地環(huán)境質(zhì)量信息及時(shí)傳遞到管理部門，促進(jìn)建筑工地及時(shí)接受監(jiān)管，文明施工。HN-CK3000型揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，該系統(tǒng)主要由采樣入口裝置(PM10、PM2.5切割器)、管路連接件、采樣抽氣泵、監(jiān)控系統(tǒng)、聲級(jí)器、氣象參數(shù)、通信傳輸裝置及系統(tǒng)控制裝置等組成。

圖1 HN-CK3000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

PM2.5切割器按原理可分為撞擊式、旋風(fēng)式和虛擬式3種。此系統(tǒng)使用的PM2.5切割器為旋風(fēng)式。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于β射線衰減法的原理。工作時(shí)，采樣氣流經(jīng)切割器切割出符合粒徑要求的顆粒物，然后進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量分析，最終計(jì)算得到實(shí)時(shí)的顆粒物濃度。為保證最佳的切割效率，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)測(cè)量大氣壓和溫度，實(shí)時(shí)恒定采樣入口和切割器的工況流量。同時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還應(yīng)實(shí)時(shí)連續(xù)上傳所測(cè)得的顆粒物濃度等數(shù)據(jù)[8]。

2 手工監(jiān)測(cè)方法

手工監(jiān)測(cè)是在TH-150顆粒物采樣器系統(tǒng)中進(jìn)行的。該采樣系統(tǒng)由切割頭(PM10)、大氣溫度檢測(cè)單元、濾膜更換單元、流量控制系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)等組成。通過(guò)抽氣泵將環(huán)境空氣抽入儀器，流量控制在100 L/min，氣流經(jīng)PM10切割器后，空氣動(dòng)力學(xué)直徑>10 μm的顆粒物被留在切割器中，≤10 μm的顆粒物則被截留在濾膜上。

使用TH-BQX1便攜式氣體、粉塵、煙塵采樣器校驗(yàn)裝置對(duì)流量進(jìn)行校準(zhǔn)；其他按照《環(huán)境空氣顆粒物(PM10)手工監(jiān)測(cè)方法(重量法)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的顆粒物手工監(jiān)測(cè)質(zhì)控措施。整體質(zhì)控措施執(zhí)行規(guī)定中對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)要求[9-10]。

3 比對(duì)測(cè)試

在2016-4-20～2016-4-26和2016-5-4～2016-5-10這2個(gè)時(shí)間段期間，將β射線法顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀與顆粒物采樣器進(jìn)行同步比對(duì)測(cè)試。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位選擇2個(gè)地點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)點(diǎn)位，分別為：1)太原市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站實(shí)驗(yàn)樓樓頂布置1套HN-CK3000揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)周圍布置手工監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2個(gè)。2)富力城施工場(chǎng)地上風(fēng)向、下風(fēng)向各布置1套HN-CK3000揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每套揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)周圍布置手工監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2個(gè)。

綜合比對(duì)手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和HN-CK3000揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算每次小時(shí)值和日均值相對(duì)誤差，每天4次小時(shí)值平均相對(duì)誤差，7天日均值平均相對(duì)誤差，測(cè)試數(shù)據(jù)如第46頁(yè)圖2所示。

通過(guò)分析圖2中的同步比對(duì)數(shù)據(jù)可以知道，在線監(jiān)測(cè)日均值0.178 mg/m3～0.233 mg/m3，平均值為0.207 mg/m3；手工監(jiān)測(cè)日均值0.186 mg/m3～0.241 mg/m3，平均值為0.212 mg/m3；相對(duì)誤差-4.3%～2.1%，平均值相對(duì)誤差為-2.5%。在線監(jiān)測(cè)小時(shí)值0.178 mg/m3～0.268 mg/m3，手工監(jiān)測(cè)小時(shí)值0.175 mg/m3～0.261 mg/m3；相對(duì)誤差-8.4%～4.4%。富力城上風(fēng)向，在線監(jiān)測(cè)日均值0.278 mg/m3～1.225 mg/m3，平均值為0.544 mg/m3；手工監(jiān)測(cè)日均值0.274 mg/m3～1.201 mg/m3，平均值為0.541 mg/m3;相對(duì)誤差-1.7%～2.0%，平均值相對(duì)誤差為0.6%。富力城下風(fēng)向，在線監(jiān)測(cè)日均值0.214 mg/m3～0.551 mg/m3，平均值為0.385 mg/m3；手工監(jiān)測(cè)日均值0.240 mg/m3～0.545 mg/m3，平均值為0.390 mg/m3;相對(duì)誤差-10.8%～2.3%，平均值相對(duì)誤差為-1.2%。

β射線+動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)聯(lián)用光散射原理?yè)P(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與手工監(jiān)測(cè)(重量法)測(cè)定的環(huán)境空氣中PM10濃度數(shù)據(jù)相對(duì)誤差低于±10%,揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠反映大氣環(huán)境中顆粒物濃度水平和變化趨勢(shì)。

圖2 比對(duì)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

利用PMS-200顆粒物采樣器與β射線法顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行同步比對(duì)測(cè)試。比對(duì)結(jié)果表明，該分析儀性能穩(wěn)定，測(cè)定的環(huán)境空氣中PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)相對(duì)誤差低于±10%，能夠滿足大氣顆粒物監(jiān)測(cè)的需求。β射線法顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀為大范圍空間顆粒物質(zhì)量濃度的監(jiān)測(cè)提供了一種快速、實(shí)時(shí)的手段。

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Comparativetestofβ-rayparticlemethodinon-linemonitorandmanualsamplertest

BAIXiaoliang,ZHAOLi

(TaiyuanEnvironmentalMonitoringCenterStation,TaiyuanShanxi030002,China)

The β-ray particle on-line monitor system has the advantages of easy operation, reliable data and low maintenance cost. On basis of introducing the basic principle of the instrument,manual particle sampler is compared with β-ray particle on-line monitoring system. The β-results show that the analyzer has stable performance, and the relative error of PM10 concentration in ambient air is less than + 10%, which can meet the demand of monitoring atmospheric particulates. The β-ray particle on-line monitor provides a fast and real-time means for monitoring the mass concentration of large space particles.

particulate matter; PM10; on-line monitoring system; β-ray method

2017-04-13

白曉亮，男，1982年出生，2005年畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，本科學(xué)歷，工程師，從事現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.13

X831;X513

A

1004-7050(2017)03-0044-03