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第十三讲续第三章空气和废气监测课程名称：《环境监测》第周，第13讲授课题目（章、节）第三章空气和废气监测第五节颗粒物测定第六节降水监测(介绍)第七节污染源监测(介绍)【目的要求】1.掌握空气中粒子状污染物的分类；2.掌握颗粒物样品的采样方法和常见仪器；3.掌握TSP\PM10测定原理4.了解PM5、PM2.5测定【基本内容】一、概述1）颗粒物的大小：当量直径：与之各方面性能相当的球形颗粒的直径2）监测项目二、采样（1）TSP采样器（2）PM10采样器：二级旋风分尘器：向心式分尘器：撞击式分尘器三、颗粒物测定1.总悬浮颗粒物(TSP)的测定2．灰尘自然沉降量及其组分的测定——重量法3．可吸入尘（飘尘，PM10）的测定（1）重量法(2)压电晶体差频法(3)光散射法（4）PM10自动监测仪——β射线法4.【补充】PM5的测定PM2.5的测定技术【重点、难点】教学重点：TSP、PM10、自然降尘的概念；分尘器结构和原理；测定中重点注意事项教学难点：动力学当量直径概念；分尘器工作原理；石英谐振器原理【教学方法与手段】教具：旋风式分尘器、采样夹、滤膜（大、小）将第十章的自动检测内容合并到本节；将本章中的颗粒物采样和测定内容合并后讲授；【教学过程和教学内容】第五节颗粒物的测定一、概述颗粒物即粒子状态污染物是指分散在空气中的微小液体和固体颗粒，1）颗粒物的大小：当量直径：与之各方面性能相当的球形颗粒的直径总悬浮颗粒（TSP）:空气动力学当量直径≤100μm的颗粒物；根据颗粒物在重力作用下的沉降特性将其分为降尘和飘尘，即粗粒和细粒两部分。降尘：空气动力学当量直径大于10μm的颗粒物；能够靠自身的重力作用降落到地面而从空气中除去可吸入颗粒物（PM10）或飘尘（IP）：空气动力学当量直径≤10μm的颗粒物；可长期飘浮在空气中。具有胶体性质，又称为气溶胶；气溶胶：固体或液体的微小颗粒与空气介质组成的分散体系。呼吸性颗粒物：飘尘在颗粒物中占多数，属细粒部分。其中小于2.5μm的颗粒可深入人的肺部（美国PM2.5），2.5~10μm易沉积在上呼吸道。烟(Smoke)、雾(Fog)、灰尘(Dust)均是用来描述颗粒物存在形式的。。颗粒物大小的界限的划分，是为便于说明分布情况，人为规定的界限。2）监测项目【机动内容】简介研究意义和现状：各种颗粒物的浓度分布，颗粒物的粒度组成、化学组成。空气微粒概念。测定项目：TSP、PM10、粒度分布、自然降尘量、颗粒物化学成分。结果表示：mg/m3。t/km2·月二、采样（1）TSP采样器：按采气流量分为大流量（1.1~1.7m3/min)和中流量（50~150L/min)和小流量（10~15L/min)采样器三种类型。大流量采样器：结构如p167，图3-17。由滤料采样夹、抽气风机、流量记录仪、计时器及控制系统、壳体等组成。20*25cm2的玻璃纤维滤膜，采样时间8~24h。中流量采样器：采样夹、流量计、采样管及采样泵等组成。工作原理与大流量采样器相同，采样夹面积和采样流量比大流量采样器小。采样夹有效直径80mm或100mm。用100mm滤膜采样，流量控制在11.3~15m3/h。（2）PM10采样器：广泛使用大流量采样器。在连续自动监测仪中，可采用静电捕集法、β射线吸收法或光散射法直接测定可吸入颗粒物浓度。但不论哪种采样器都装有分离粒径大于10μm颗粒物的装置(称为分尘器或切割器)分尘器有旋风式、向心式、撞击式等多种。二级式采样器用于采集粒径10μm以下的颗粒物；多级式可分级采集不同粒径的颗粒物，测定粒度分布。分尘器必须用校准粒子发生器制备的标准粒子进行校准后方可使用。要求在一定采样流量时，采样器的捕集效率50%以上，截留点的粒径(D50)为10±1μm。二级旋风分尘器：p167，图3-9。原理：空气以高速度沿180°渐开线进入分尘器的圆筒内，形成旋转气流，在离心力的作用下，将颗粒物甩到筒壁上并继续向下运动，粗颗粒在不断与筒壁撞击中失去前进的能量，受气流和重力的共同作用，沿壁面落入大颗粒物收集器内，细颗粒惯性小，不易被甩到筒壁上。当空气进入分尘器向下高速旋转时，顶部压力下降，在压力差作用下，小于10μm的细颗粒随气流沿气体排出管上升，被过滤器的滤膜捕集，从而将粗、细颗粒物分开。向心式分尘器：图3-20所示。原理：当气流从小孔高速喷出时，因所携带的颗粒物大小不同，惯性也不同，颗粒物质量越大，惯性越大。不同粒径的颗粒物各有一定的运动轨线，其中，质量较大的颗粒物运动轨线接近中心轴线，最后进入锥形收集器被底部的滤膜收集；小颗粒物惯性小，离中心轴线较远，偏离锥形收集器入口，随气流进入下一级。第二级的喷嘴直径和锥形收集器的入口孔径变小，二者之间距离缩短，使小一些的颗粒物被收集。第三级的喷嘴直径和锥形收集器的入口孔径又比第二级小，其间距离更短，所收集的颗粒物更细。如此经过多级分离，剩下的极细颗粒物到达最底部，被夹持的滤膜收集。图3-21为三级向心式分尘器的示意图。撞击式分尘器如图3-22。当含颗粒物气体以一定速度由喷嘴喷出后，颗粒获得一定的动能并且有一定的惯性。在同一喷射速度下，粒径越大，惯性越大，因此，气流从第一级喷嘴喷出后，惯性大的大颗粒难于改变运动方向，与第一块捕集板碰撞被沉积下来，而惯性较小的颗粒则随气流绕过第一块捕集板进入第二级喷嘴。因第二级喷嘴较第一级小，故喷出颗粒动能增加，速度增大，其中惯性较大的颗粒与第二块捕集板碰撞而被沉积，而惯性较小的颗粒继续向下级运动。如此逐级进行，气流中的颗粒由大到小地被分开，沉积在不同的捕集板上，最末级捕集板用玻璃纤维滤膜代替，捕集更小的颗粒。级：有3~6级，也有8级，称多级撞击式采样器。单喷嘴多级撞击式采样器：采样面积有限，不宜长时间连续采样，否则会因捕集板上堆积颗粒物过多而造成损失。多级多喷嘴撞击式采样器：捕集面积大，如安德森采样器，由八级组成，每级200~400个喷嘴，捕集0.34~11μm颗粒物。三、测定方法1.总悬浮颗粒物(TSP)的测定常用滤膜捕集-重量法。原理为用抽气动力抽取一定体积的空气通过已恒重的滤膜，则空气中的悬浮颗粒物被阻留在滤膜上（参见演示），根据采样前后滤膜重量之差及采样体积，即可计算TSP的质量浓度。滤膜经处理后，可进行化学组分分析。根据采样流量不同，分为大流量采样法和中流量采样法。大流量采样(1.1-1.7m3/min)使用大流量采样器连续采样24h，按下式计算TSP浓度：tQWmmgTSPN)/(3式中：W——阻留在滤膜上的TSP重量(mg)；Qn———标准状态下的采样流量(m3/min)；t——采样时间(min)。中流量采样法使用中流量采样器（50-150L/min），所用滤膜直径较大流量的小，采样和测定方法同大流量法。2．灰尘自然沉降量及其组分的测定——重量法在空气环境条件下单位时间靠重力自然沉降落在单位面积上的颗粒物量；简称降尘。粒径多在10μm以上，在空气常规监测中，测定每月每平方千米灰尘的自然降尘量。影响因素：1）自然沉降的能力——自身重量及粒度大小。2）自然因素——风、降水、地形等，形成非自然降尘。自然降尘和非自然降尘难以分开。1)测定意义:根据降尘量的结果可以观察空气污染和范围和污染程度。2）采样：P163自然积集法或叫自然沉降法①设点要求：采样点的布设要求a．采样点附近不应有高大的建筑物，也不应受局部污染的影响；如空旷的屋顶上；b．集尘缸放置高度：距地面5~15m高，北方以5~8m为宜，采样品距基础面1.5m以上，以避免屋顶扬尘的影响。c．在清洁区设置对照点；②采样方法：湿法和干法两种，湿法应用更普遍。严寒或干燥地区，湿法收尘困难大，可用干法。湿法：集尘缸（是在一定大小的圆筒形玻璃(或塑料、瓷、不锈钢)缸）口用塑料袋罩好，携至采样点后，取下塑料袋，加适量水，一般1500~3000mL。整个采样期间应保持缸内有水。采样时间为30±2天，在夏季，可加入0.05mol/LCuSO4溶液2.00~8.00mL以抑制微生物及藻类的生长。多雨季节要及时更换集尘缸，以防水满溢出。在冰冻季节，要根据当地的冰冻情况加适当浓度的乙醇或乙二醇溶液以免结冰。我国集尘缸的尺寸为内径15cm，高30cm。干法采样一般使用标准集尘器。夏季也需加除藻剂。我国干法采样用的集尘缸见书中163页图3－11。3）测定方法——重量法原理：空气中灰尘自然沉降到集尘缸内，经蒸发、干燥、称重后，计算降尘量。结果t/(km2·月)。测定步骤：1）用镊子剔除异物（树叶、小虫等）。2）缸内溶液和尘粒转移到500mL烧杯中；3）电热板上小心加热蒸发，使体积浓缩至10~20mL后，再全部转移至已恒重的瓷坩埚（50~100mL）内，在电热板上小心蒸干；4）105±5℃烘箱内恒重。4）注意事项①每个样品的集尘缸、烧杯、瓷坩埚等的编号必须一致；②样品在瓷坩埚中浓缩时，一定要小心，防止样品溅出；③如果集尘缸中尘粒较多，直接蒸发易发生崩溅。可将取回的集尘缸静置一昼夜，取上清液单独蒸发浓缩后，再与集尘缸中的尘粒和溶液合并移入瓷坩埚内。3.可吸入尘（飘尘，PM10）的测定按所依据的原理可分为重量法、压电晶体振荡法、β射线吸收法和光散射法。重量法最准确可靠。（1）重量法1）原理使一定体积的空气通过切割器，将10μm以上粒径的微粒分离出去。小于10μm的微粒随气流被阻留在已恒重的滤膜上，根据采样前后滤膜的重量差及采样体积，可计算出飘尘浓度（mg/m3）。2）测定方法大流量法是国内外推荐的测定飘尘的标准方法。3）注意事项：所有切割器必须经国家环保部门核验。选用合格的超细玻璃纤维滤膜，恒重。采样点应避开污染源及障碍物：交通枢纽处，采样点布置在距人行道边缘1米处。测定平均浓度，间断采样时间不得少于4次，采样口距地面1.5米，主要是考虑对人的影响。采样不能在雨雪天进行，风速不大于8m/s。(2)压电晶体差频法以石英谐振器为测定PM10的传感器，其工作原理示意图3-35。粒子切割器剔除大颗粒物，PM10颗粒进入测量气室。测量气室组成：高压放电针（-）、石英谐振器（+）及电极构成的静电采样器原理：PM10因高压电晕放电作用而带上负电荷，继之在带正电的石英谐振器电极表面放电并沉积，除尘后的气样流经参比室内的石英谐振器排出。因参比石英谐振器没有集尘作用，当没有气样进入仪器时，两谐振器固有振荡频率相同(fⅠ=fⅡ)，其差值△f=fⅠ-fⅡ=0。当有气样进入仪器时，则测量石英谐振器因集尘而质量增加，使其振荡频率(fⅡ)降低，石英谐振器集尘量越多，振荡频率(fⅡ)降低也越多，两振荡器频率之差(△f)与集尘量有线性关系，即：△f=K·△M式中：K—由石英晶体特性和温度等因素决定的常数；△M—测量石英谐振器质量增值，即采集的PM10质量(mg)。设空气中PM10浓度为C(mg/m3)，采气流量为Q(m3/min)，采样时间为t(min)，则：△M=C·Q·t代入上式得：tQfKc1因实际测量时Q、t值均已固定，故可改写为：c=A·△f可见，通过测量采样后两石英谐振器频率之差(△f)，即可得知PM10浓度。当用标准PM10浓度气样校正仪器后，即可在显示屏幕上直接显示被测气样的PM10浓度。为保证测量准确度，应定期清洗石英谐振器，已有采用程序控制自动清洗的连续自动石英晶体测尘仪。(3)光散射法原理基于悬浮颗粒物对光的散射作用，其散射光强度与颗粒物浓度成正比。图3-36为一种PM10监测仪的工作原理。由抽风机以一定流量将空气经入口粒子切割器抽入气室，空气中PM10在暗室中检测器的灵敏区(图中斜线部分)与由光源经透镜射出的平行光作用，产生散射光，被与入射光成直角方向的光电转换器接受，经积分、放大后，转换成每分钟脉冲数，再用标准方法校正成质量浓度显示和记录。（4）PM10自动监测仪——β射线法原理：当β射线通过被测物质后，射线强度衰减程度与所透过物质的质量有关，而与物质的物理、化学性质无关。β射线可吸入颗粒物监测仪的工作原理如图10-14所示。它是通过测定清洁滤带(未采尘)和采尘滤带(已采尘)对β射线吸收程度的差异来测定采尘