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        光散射法揚(yáng)塵在線監(jiān)測系統(tǒng)加熱除濕的條件研究

        2020-10-26 02:06:50張順琳常安剛上海市環(huán)境監(jiān)測技術(shù)裝備有限公司上海200235
        建筑科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:顆粒物效果

        吳 鴻,張順琳,邱 昀,常安剛(上海市環(huán)境監(jiān)測技術(shù)裝備有限公司,上海 200235)

        光散射粉塵儀是基于顆粒物對光的散射特征來進(jìn)行粉塵濃度的檢測,而顆粒物的光散射特征受環(huán)境濕度影響較大。在近幾年光散射法在建筑工地?fù)P塵監(jiān)測的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),環(huán)境空氣的濕度對粉塵儀檢測數(shù)據(jù)結(jié)果的影響較大。由于上海市位于太平洋西岸,亞洲大陸東沿,長江和黃浦江入海匯合處,是長江三角洲沖積平原的一部分;上海市屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,全年氣候都比較濕潤,相對濕度較高,四季的相對濕度維持在 70% 以上,全年的平均相對濕度為 74.10%,最大相對濕度為 98.40%,最小相對濕度為 30.60%[1]。從上海市近年來的揚(yáng)塵在線監(jiān)測數(shù)據(jù)看,夜間環(huán)境濕度與揚(yáng)塵監(jiān)測數(shù)據(jù)的升高有很大的相關(guān)性。因此,《上海市建筑施工顆粒物與噪聲在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)》對除濕功能提出了明確的要求,規(guī)定光散射法粉塵儀需要具有加熱除濕功能。由于技術(shù)難度, JJG 846—2015《粉塵濃度測量儀檢定規(guī)程》并不涉及濕度對儀器性能的影響;高濕度對光散射法檢測揚(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)的影響是顯而易見的。因此,亟須研制一套合適的除濕裝置去除環(huán)境濕度對在線監(jiān)測系統(tǒng)的影響,完善施工場所顆粒物在線監(jiān)測系統(tǒng),提升顆粒物實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)顆粒物濃度的準(zhǔn)確性,為施工場所顆粒物相關(guān)環(huán)保執(zhí)法提供有力的科學(xué)支撐。本文以上海市某工地?fù)P塵在線監(jiān)測系統(tǒng)采用不同加熱裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析,以形成一套經(jīng)濟(jì)可行的加熱系統(tǒng)從而提高高濕度環(huán)境下?lián)P塵監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

        1 確定除濕方式

        目前常規(guī)的純氣體除濕技術(shù)有冷凍除濕、壓縮除濕、熱管除濕、轉(zhuǎn)輪除濕和溶液除濕, 但這些技術(shù)容易有水凝結(jié)等原因, 導(dǎo)致樣氣中顆粒物的損失,而不適用帶顆粒物樣氣的除濕。針對粉塵測定系統(tǒng)除濕中不能改變粉塵濃度的要求,加熱除濕技術(shù)不會造成被測含塵氣流粉塵濃度的變化,最適合應(yīng)用于含塵氣流除濕。

        中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所的徐春雨等[2]和張國城等[3]均提出,光散射式粉塵儀測量結(jié)果不僅受顆粒物性質(zhì)影響,還受濕度影響。這是由于水氣在顆粒物表面凝結(jié),會改變顆粒物尺寸、形狀、折射率,從而改變顆粒物光散射能力。當(dāng)相對濕度 >60% RH 時,濕度對光散射測量增強(qiáng)作用不可忽略。需要通過加熱、稀釋、Nafion 膜等一種或多種技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行除濕, 其中加熱除濕是被廣泛采用的技術(shù),從效果和經(jīng)濟(jì)性上都較好。

        2 確定加熱除濕材料、方式及加熱長度

        《上海市建筑施工顆粒物與噪聲在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)》中也要求揚(yáng)塵在線監(jiān)測系統(tǒng)需要有加熱除濕功能,為此我們自制了一套適合工地的加熱除濕裝置,其加熱材料為內(nèi)置電熱絲的溫控加熱帶。為了保證采樣管能夠全面加熱,采用了加熱帶螺旋式纏繞在采樣管上的方式,加熱帶長度為 1 m(采樣管為 1.5 m)如圖 1 所示,在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),加熱帶過長影響兩端密封,加熱帶過短影響加熱效果。

        圖1 加熱裝置圖解

        經(jīng)試驗(yàn)確定(采樣地點(diǎn)為徐匯區(qū)田東路 181 號樓下,采樣時間為 2020 年 3 月 6 日—2020 年 3 月 7 日,采樣期間溫度為 10.2±3.8 ℃,濕度為 70.5±6.9%),得出用 50 cm 長度加熱帶與用 100 cm 長度加熱帶時候的監(jiān)測數(shù)據(jù),如圖 2 所示。使用 50 cm 加熱帶的揚(yáng)塵數(shù)據(jù)明顯偏高(參照數(shù)據(jù)為上海市生態(tài)環(huán)境局網(wǎng)站上公布的徐匯區(qū) PM 10 日均值,2020 年 3 月 6 日為 0.030 mg/m3,2020 年 3 月 7 日為 0.045 mg/m3),說明加熱效果較差,故使用加熱長度為 100 cm 加熱帶加熱效果更接近實(shí)際值,加熱效果好。

        圖2 兩種長度加熱帶加熱效果比較

        3 確定加熱溫度

        由于氣溶膠的加熱和降溫速度都比較快,加熱過程要求采樣管路到檢測器的整個系統(tǒng)都具有較好的保溫效果,而且當(dāng)溫度較高時, 要求粉塵儀具有較好的抗高溫性能, 這對材料性能要求比較高;另一方面,高溫加熱會使得顆粒物中一些易揮發(fā)或半揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)或分解造成損失,導(dǎo)致測量結(jié)果小于常溫濾膜采樣稱重法測量結(jié)果;而加熱溫度不夠,又會導(dǎo)致無法有效降低進(jìn)入粉塵儀空氣的濕度,造成導(dǎo)致測量結(jié)果的準(zhǔn)確度及與參比方法的相關(guān)性較差。因此確認(rèn)合適的加熱溫度是保證加熱除濕效果的關(guān)鍵因素。

        課題組選用試驗(yàn)的光散射粉塵儀是目前上海市場中大量使用的日本柴田 LD-5 CN 型數(shù)碼粉塵儀,柴田公司自行做過加熱溫度對粉塵儀監(jiān)測數(shù)據(jù)影響的相關(guān)試驗(yàn),結(jié)果得出加熱溫度比外界氣溫高 40~50 K 效果最佳,但這個結(jié)論必須通過國標(biāo)方法(重量法)進(jìn)行驗(yàn)證才能確定。針對這一建議課題組做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

        (1) 儀器和耗材??諝獠蓸觾x(日本柴田,HV-500 R),電子天平(瑞士梅特勒托利多,MS 105 DU),數(shù)碼粉塵儀(日本柴田,LD-5 CN),空盒氣壓表(寧波鄞州姜山玻璃儀器,DYM 3),溫濕度計(jì)(天津市凱隆達(dá)儀器儀表,HTC-2),風(fēng)向風(fēng)速儀(上海風(fēng)云氣象儀器,F(xiàn)YF-1),聚四氟乙烯 濾膜(WhatmanInc,F(xiàn)lorhamPark,NJ,USA)

        (2) 采樣時間和地點(diǎn)。設(shè)置兩個采樣期,分別為相對濕度較小的冬季(2019 年 11 月 6 日~2019 年 11 月 20 日)和相對濕度較大的夏季(2019 年 6 月 22 日~2019 年 7 月 6 日)。采樣地點(diǎn)位于上海市徐匯區(qū)某工地內(nèi),采樣期間進(jìn)行儀器測定的防護(hù)工作,避免雨、雪、大風(fēng)等不良?xì)庀髼l件對儀器的影響[4]。

        (3) 采樣方法。采樣期間,光散射法儀器與濾膜稱重法儀器置于現(xiàn)場同一測定點(diǎn)和同一高度,進(jìn)行平行采樣,每次采樣采集 ≥20 組數(shù)據(jù),每組的采樣時間為 20 min。光散射法儀器在采樣前先進(jìn)行校準(zhǔn)處理,并將采樣時間間隔設(shè)置為 1 min;光散射法儀器對揚(yáng)塵濃度實(shí)施測量后,根據(jù)儀器設(shè)定的質(zhì)量濃度 K 值系數(shù),得出當(dāng)次采樣揚(yáng)塵的平均質(zhì)量濃度。濾膜稱重法儀器在采樣前,現(xiàn)將濾膜放置在溫濕度相對恒定(平衡溫度 15~30 ℃ 中任意一點(diǎn),相對濕度控制在 45%~55% 范圍內(nèi))的環(huán)境中平衡 24 h;采樣后按上述條件將濾膜放在恒溫恒濕設(shè)備中平衡 24 h 后進(jìn)行稱量,兩次重量之差 ≤0.04 mg 為滿足恒重要求。以兩次稱量結(jié)果的平均值作為濾膜稱重值。同一濾膜前后兩次稱量之差超出以上范圍則該數(shù)據(jù)無效,需再次進(jìn)行平衡并稱量,直至恒重。使用公式:揚(yáng)塵質(zhì)量濃度(mg/m3)=[采樣后濾膜的質(zhì)量(mg)-采樣前濾膜的質(zhì)量(mg)]/標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣體積(m3)來計(jì)算采樣當(dāng)次采樣的揚(yáng)塵平均質(zhì)量濃度。

        將每次采樣期間的光散射法測定的揚(yáng)塵平均質(zhì)量濃度與濾膜稱重法測定的揚(yáng)塵平均質(zhì)量濃度進(jìn)行比較,并分析不同采樣期間相對濕度對下列 3 種測試條件下對光散射法測定揚(yáng)塵濃度的影響。

        冬季比對試驗(yàn)預(yù)設(shè) 3 種條件:A 未采用加熱除濕裝置;B 加裝加熱除濕裝置(加熱長度1.0 m,加熱溫度 50 ℃);C 加裝加熱除濕裝置(加熱長度1.0 m,加熱溫度 90 ℃)。

        夏季比對試驗(yàn)預(yù)設(shè) 3 種條件:A 未采用加熱除濕裝置;B 加裝加熱除濕裝置(加熱長度 1.0 m,加熱溫度 80 ℃);C 加裝加熱除濕裝置(加熱長度 1.0 m,加熱溫度 120 ℃)。

        (4) 試驗(yàn)結(jié)果。從上述試驗(yàn)來看(匯總結(jié)果見圖 2~圖 7、表 1),用較低加熱溫度(冬季 50 ℃,與外界溫度差 40 ℃ 左右;夏季 80 ℃,與外界溫度差 40 ℃ 左右)加熱條件的揚(yáng)塵在線監(jiān)測設(shè)備,相關(guān)性較好且數(shù)據(jù)偏差也較小,故可視為最佳加熱溫度,既起到了加熱除濕效果,也對揚(yáng)塵在線監(jiān)測濃度影響最小。

        圖3 冬季采樣 A 條件

        圖4 冬季采樣 B 條件

        圖5 冬季采樣 C 條件

        圖6 夏季采樣 A 條件

        圖7 夏季采樣 B 條件

        圖8 夏季采樣 C 條件

        表1 比對試驗(yàn)結(jié)果匯總

        4 結(jié) 語

        從日常的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和本文中的試驗(yàn)來看,濕度對于光散射法粉塵儀測量結(jié)果的影響不可忽略,而加熱除濕無論從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性來看不失為最佳的除濕方法。上海市的相關(guān)規(guī)范中規(guī)定了粉塵儀需要有加熱除濕功能,但加熱長度、加熱方式、加熱溫度等因素均會影響加熱除濕效果,影響監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性;特別是加熱溫度,是保證加熱除濕效果的關(guān)鍵因素。

        (1) 采樣管加熱長度 100 cm 為最佳加熱長度,被測空氣在進(jìn)入檢測倉前起到充分的除濕效果。

        (2) 通過夏季和冬季與國標(biāo)方法(重量法)的比對試驗(yàn),可以確定加熱溫度與氣溫相差 40 ℃ 左右為最佳,既起到了加熱除濕效果,也對揚(yáng)塵在線監(jiān)測濃度影響最小。

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