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        環(huán)境監(jiān)測大氣顆粒物采集實驗教學改革

        2023-08-10 04:12:10孟紅旗李婷婷王明仕
        區(qū)域治理 2023年18期
        關鍵詞:比色濾膜顆粒物

        孟紅旗,李婷婷,王明仕

        河南理工大學資源環(huán)境學院

        實驗教學的改進與創(chuàng)新是新工科背景下專業(yè)教學改革的重要組成部分[1]。大氣顆粒物采集實驗是面向我校環(huán)境工程專業(yè)學生開設的《環(huán)境監(jiān)測》課程內(nèi)必修實驗,大學二年級上學期開設,計劃3 學時。實驗目的是掌握大氣中顆粒物的采集方法;學會重量法的操作技巧:烘干及稱重,明確恒重的概念;掌握大氣顆粒物PM10和PM2.5濃度的分析方法。2018年10-11 月份,本人對2017級的實驗過程進行了改進,有效避免了之前采樣時間過短,顆粒物濃度負值易出現(xiàn)的問題。本文對實驗改進的具體細節(jié)進行描述,并借用實驗采集的樣本,開展了大氣顆粒物中銨離子濃度分析的開放實驗,增強了學生探索環(huán)境熱點問題——大氣PM2.5污染的興趣和科研能力的初步培養(yǎng)。

        一、材料與方法

        (一)實驗改進細節(jié)

        我?,F(xiàn)有采樣設備是青島科迪博公司的KDB-120+型采樣器,設定中等流量(100 L/min),采樣濾膜為普通玻璃纖維濾膜。采樣器放置在資源環(huán)境學院樓頂,距地面高度17 m,周圍5 m無高大遮擋物。2018/2017年實驗設計對比如表1 所示。

        表1 2018年實驗改進細節(jié)對比表

        (二)實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

        實驗數(shù)據(jù)記錄表如表2 所示,大氣顆粒物濃度計算如式1-1 所示。

        表2 實驗數(shù)據(jù)記錄表

        顆粒物濃度

        式中:W0——采樣前平衡過的濾膜質(zhì)量(g)

        W1——采樣后平衡過的濾膜質(zhì)量(g)

        V——標準狀態(tài)下的采樣體積(m3),儀器如無標準流量換算功能,用實際的流量和大氣溫度進行標態(tài)體積校準。

        (三)開放實驗設計

        大氣顆粒物采集實驗結(jié)束后,2017 級學生組織申報了學院科創(chuàng)項目——焦作市大氣顆粒物中銨離子濃度調(diào)查。實驗過程分為純水萃取和納氏比色2 個過程。

        純水萃取∶ 將Φ90 mm 圓形濾膜用裁紙板準確切出四分之一,剪碎后放入50 mL 塑料離心管中,加入超純水(電阻為18.25 Ω)25.00 mL,密封,在25 ℃空氣浴振蕩 1 h,用針筒式微孔(0.45 um)過濾,4 ℃冰箱保存待用。

        納氏比色[2]:將萃取液稀釋5 倍后,依次加入酒石酸鉀鈉50%溶液掩蔽劑和納氏顯色劑(碘化鉀+碘化汞溶液),顯色30 分鐘后,用1 cm 比色皿420 nm 下,以采樣空白濾膜萃取溶液為參比進行比色測量。

        二、實驗結(jié)果

        (一)大氣顆粒物濃度變化

        如圖1 所示,1 班采樣期間多為晴天,氣溫穩(wěn)定,大氣顆粒物濃度穩(wěn)步升高,PM2.5和PM10平均濃度分別為176 ug/m3和146 ug/m3,從采樣后濾膜的完整性分析,1 班PM2.5測量應存在較大誤差。2 班采樣期間為晴轉(zhuǎn)多云,氣溫下降,大氣顆粒物濃度穩(wěn)定在較高濃度,PM2.5和PM10平均濃度分別為 202 ug/m3和 235 ug/m3,11/4 日樣品存在明顯的操作失誤,給測量結(jié)果帶來較大誤差,可從后面氨氮濃度分析中得到驗證。3 班采樣期間為小雨轉(zhuǎn)陰天氣,大氣顆粒物濃度迅速下降,PM2.5和PM10平均濃度分別為66 ug/m3和77 ug/m3。4 班采樣期間為陰轉(zhuǎn)多云天氣,大氣顆粒物濃度又進一步升高,PM2.5和PM10平均濃度分別為 119 ug/m3和148 ug/m3。

        圖1 采樣期間大氣顆粒物濃度變化

        整個采樣期間,大氣PM2.5和PM10日均濃度分別為121 ug/m3和147 ug/m3,分別處于中度污染等級和輕度污染等級,細顆粒物占可吸入顆粒物比例為82±11%。

        (二)大氣顆粒物中銨離子濃度變化

        根據(jù)銨離子濃度變化(圖2),在1 班采樣期間,大氣銨離子濃度整體偏低,在PM2.5和PM10中分別為2.7 ug/m3和3.4 ug/m3,銨離子濃度在10/29 日后有明顯累積上升。在2 班采樣期間,大氣銨離子濃度整體偏高,在PM2.5和PM10中分別為12.8 ug/m3和12.5 ug/m3。在3 班采樣期間,受降雨的影響大氣銨離子濃度整體偏低,在PM2.5和PM10中分別為3.8 ug/m3和3.9 ug/m3。在4 班采樣期間,大氣銨離子濃度達到最大值,在PM2.5和PM10中分別為13.4 ug/m3和15.0 ug/m3。

        圖2 采樣期間大氣顆粒物中銨離子濃度變化

        整個采樣期間,銨離子在PM2.5和 PM10日均濃度分別為7.3 ug/m3和9.4 ug/m3,與我國臨安2012年[3]、廣州2007年[4]、成都平原2013年[5]等監(jiān)測結(jié)果處于同一污染水平,較北京2012年[6]、保定2010年[7]和西安2005年[8]等監(jiān)測結(jié)果偏低。銨離子在細顆粒物占可吸入顆粒物比例為73±21%。

        三、實驗改進存在的問題及解決

        將采樣周期由2 h 增加到24 h,并對采樣前后濾膜準備過程嚴格控制,有效避免了顆粒物濃度出現(xiàn)負值的情況,稱量不合格率由2017年的45%下降為零。以顆粒物濃度PM10≥ PM2.5進行判定,有 23%的樣本不符合要求,這很大程度上是由于個別組的學生未嚴格按照教學演示的操作進行,造成部分采樣后濾膜的質(zhì)量損失,同時濾膜稱量時的大氣濕度也有較大影響[9]。計劃明年的實驗采用高韌性的聚四氟乙烯材質(zhì)有機濾膜代替玻璃纖維濾膜,可最大程度上避免濾膜的質(zhì)量損失。樣本濾膜破損和濾膜切割誤差對銨離子測試準確性有一定的影響。

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