郎鵬凱

(山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030000)

引 言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，大氣內(nèi)各種懸浮顆粒種類和數(shù)量的不斷增加是導(dǎo)致全球大氣污染不斷加劇的罪魁禍?zhǔn)?，空氣中懸浮顆粒根據(jù)直徑的不同可分為總懸浮顆粒物、可吸入顆粒物、細(xì)顆粒物、可入肺顆粒物。總懸浮顆粒物的直徑一般小于100 μm，通常為含有多種毒性的污染物，是大氣污染的關(guān)鍵?？晌腩w粒物的直徑一般小于10 μm，細(xì)顆粒物的直徑一般小于2.5 μm，可以直接損傷生物的呼吸系統(tǒng)，可入肺顆粒物的直徑一般小于0.1 μm，長(zhǎng)期吸入后會(huì)損傷生物的肺部，導(dǎo)致出現(xiàn)生命危險(xiǎn)。由于各類懸浮顆粒的直徑小、直徑跨度大，依據(jù)傳統(tǒng)利用顆粒采樣器進(jìn)行懸浮物收集、稱重、分選鑒定的監(jiān)測(cè)方案監(jiān)測(cè)效率低、精度差，無法滿足越來越高的環(huán)境監(jiān)測(cè)需求[1]。本文提出了采用濾膜及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣顆粒物采樣器對(duì)大氣污染物情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方案，在對(duì)各類濾膜的最佳應(yīng)用范圍進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同直徑范圍污染物收集濾膜的應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，根據(jù)分析表明采用濾膜及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣顆粒物采樣器的方案具有采集準(zhǔn)確性高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提升大氣污染物的監(jiān)測(cè)精度和效率。

1 大氣濾膜應(yīng)用分析

目前通用的大氣濾膜主要包括玻璃纖維濾膜、石英纖維濾膜以及特氟龍濾膜[2]，各類別的濾膜具有不同的特性和應(yīng)用范圍，具體統(tǒng)計(jì)如下。

玻璃纖維濾膜，該濾膜為不透明的白色外觀，含有硅、鋁等多種金屬元素，在熔態(tài)下織絲而成，能夠承受最高500 ℃的溫度，可以在高溫高濕的環(huán)境中工作，在收集時(shí)的氣體阻力比較低，能承載的大氣污染物顆粒密度大，因此主要用在低空氣流速度相對(duì)較大，污染物顆粒密集的區(qū)域。玻璃纖維膜的孔徑在0.6 μm～2.6 μm，涵蓋范圍廣，在使用時(shí)通常將多組不同孔徑的濾膜進(jìn)行疊加，從前到后濾膜孔徑逐漸降低，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流中不同直徑污染物的全面采集，濾膜結(jié)構(gòu)如圖1a)所示。

圖1 不同濾膜結(jié)構(gòu)示意圖

石英纖維濾膜，該濾膜同樣為不透明的白色外觀，濾膜材質(zhì)相對(duì)較脆，受力時(shí)易開裂。該濾膜對(duì)各種小直徑污染物的吸附能力強(qiáng)，但對(duì)空氣濕度較為敏感，不宜使用在潮濕環(huán)境中。由于含有多種金屬元素，在收集小直徑污染物時(shí)容易出現(xiàn)氧化反應(yīng)，因此不宜對(duì)空氣中金屬小直徑污染物進(jìn)行測(cè)量，常用于干燥環(huán)境下對(duì)空氣中的含碳小直徑污染物含量的收集。石英纖維濾膜的主要成分為二氧化硅，能夠適應(yīng)酸性環(huán)境下的氣體污染物的收集，其中2.2 μm的濾膜應(yīng)用范圍最廣，主要對(duì)PM2.5和PM10類別的污染物進(jìn)行收集和含量分析。濾膜結(jié)構(gòu)如圖1b)所示。

特氟龍濾膜，該濾膜為近似透明的外觀，濾膜材質(zhì)韌性強(qiáng)、質(zhì)地密集，收集空氣中的小直徑污染物時(shí)的阻力大但對(duì)污染物顆粒的采集速度快。濾膜基材為炭基材，因此不適合對(duì)空氣中的含碳污染物進(jìn)行收集分析，該濾膜無法吸收氣體，只能用于過濾，不適宜應(yīng)用在潮濕的環(huán)境中，主要用于對(duì)空氣中的金屬小直徑污染物進(jìn)行測(cè)定。特氟龍濾膜具有穩(wěn)定性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)，使用范圍較廣，濾膜孔徑種類多樣，基本可以涵蓋全部類型空氣污染物的直徑范圍。濾膜結(jié)構(gòu)如圖1c)所示。

2 大氣顆粒物采樣器

隨著科技水平的發(fā)展，對(duì)大氣顆粒物采樣的自動(dòng)化、智能化需求不斷提升，目前常用的智能化采樣器包括ME5701型綜合采樣設(shè)備、TH-3150大氣綜合采樣器以及MHY-27819型大氣綜合采樣器，其中ME5701型綜合采樣設(shè)備能夠使用電腦對(duì)采樣時(shí)的大氣流量、氣流方向進(jìn)行精確控制，具有大流量、低噪聲的特點(diǎn)。TH-3150大氣綜合采樣器能夠同時(shí)進(jìn)行四路大氣流量采樣收集，通過微孔恒流和反饋紊流相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣小直徑污染物的精確收集和分析。MHY-27819型大氣綜合采樣器采用了工業(yè)級(jí)的電子恒溫控制技術(shù)，能夠?qū)⑹占奈廴疚镱w?？刂圃诤銣氐臓顟B(tài)，滿足精確分析的需求。

大氣顆粒物采樣器根據(jù)流量的不同分為不同等級(jí)，大流量采樣器主要用于污染物濃度高、氣流速度快的地方，中流量采樣器則主要用于污染物濃度相對(duì)較低、氣流速度相對(duì)較慢的區(qū)域。大氣顆粒物采樣器能夠在確定的位置進(jìn)行持續(xù)的大氣污染物收集，對(duì)收集的污染物進(jìn)行自動(dòng)分析，確定污染物成分和含量。將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸?shù)娇刂浦行模瑢?shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。大氣顆粒物采樣器結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 大氣顆粒物采樣器結(jié)構(gòu)示意圖

3 濾膜及采樣器應(yīng)用范圍分析

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，監(jiān)測(cè)過程中受影響因素多，因此單一的大氣采樣方式無法滿足大氣監(jiān)測(cè)精確性的需求。在對(duì)濾膜進(jìn)行選擇時(shí)需要根據(jù)監(jiān)測(cè)需求選用不同的濾膜材質(zhì)和孔徑，否則將對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響。石英纖維濾膜由于含有大量的硅元素及其他雜質(zhì)元素，分子組成和大氣污染物的的分子組成重合度高，因此無法對(duì)重金屬污染粒子含量進(jìn)行測(cè)定。玻璃纖維濾膜則由于價(jià)格相對(duì)較高，使用時(shí)需多組相互疊加才能獲取較為全面的結(jié)果，操作復(fù)雜，分析效率低下，在實(shí)際的大氣污染物收集中使用受到了較大限制。特氟龍濾膜則兼具穩(wěn)定性好、精確度高、成本低廉的特點(diǎn)，在環(huán)境濕度為55%～65%的情況下，特氟龍濾膜的測(cè)試結(jié)果精確度最高[4]。

大氣顆粒物采樣器主要用于重點(diǎn)區(qū)域的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但由于該類別設(shè)備的測(cè)試精度受風(fēng)向、溫度、濕度影響較大，因此只能對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境情況進(jìn)行一個(gè)粗略的估計(jì)，無法滿足精確監(jiān)測(cè)的需求。在實(shí)際使用中通常先利用大氣顆粒采樣器對(duì)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)空氣值出現(xiàn)異常時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果合理的選擇特氟龍濾膜或者玻璃纖維濾膜進(jìn)行補(bǔ)充監(jiān)測(cè)，從而精確分析出大氣內(nèi)小直徑污染物的類別、含量，為大氣環(huán)境預(yù)報(bào)和治理提供依據(jù)。

4 結(jié)論

針對(duì)空氣中小直徑污染物類多、收集困難的、測(cè)試精確性差、效率低，無法滿足大氣監(jiān)測(cè)需求的現(xiàn)狀，在對(duì)不同的濾膜和大氣顆粒物采樣器特性和應(yīng)用范圍進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出采用大氣顆粒物采樣器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和濾膜補(bǔ)充精確監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方案，有效提升了大氣內(nèi)小直徑污染物顆粒的監(jiān)測(cè)精度和效率，根據(jù)實(shí)際分析表明：

1) 通用的大氣濾膜主要包括玻璃纖維濾膜、石英纖維濾膜以及特氟龍濾膜，特氟龍濾膜則兼具穩(wěn)定性好、精確度高、成本低廉的特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。

2) 氣顆粒物采樣器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，但測(cè)試精度受風(fēng)向、溫度、濕度影響較大，因此只能對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境情況進(jìn)行一個(gè)粗略估計(jì)。

3) 采用大氣顆粒物采樣器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和濾膜補(bǔ)充精確監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方案，能夠在進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行重點(diǎn)分析，為大氣環(huán)境預(yù)報(bào)和治理提供依據(jù)。