基于β射線法的新型PM2.5自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)研究*

梁 艷,張?jiān)龈?陳文亮,徐可欣

(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

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基于β射線法的新型PM2.5自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)研究*

梁 艷,張?jiān)龈?陳文亮*,徐可欣

(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

近年來大顆粒物污染日趨嚴(yán)重,準(zhǔn)確監(jiān)測顆粒物PM2.5迫在眉睫。目前國外監(jiān)測儀器已在國際上普遍使用,國內(nèi)真正的知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品比較少,產(chǎn)品的精度以及穩(wěn)定性也有待提高。采用基于β射線法原理研制了PM2.5質(zhì)量濃度在線監(jiān)測系統(tǒng),在儀器結(jié)構(gòu)中提出采用原位檢測的方法,并進(jìn)行與標(biāo)準(zhǔn)稱重法的比對實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性,結(jié)果表明兩者測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性為0.988。通過數(shù)據(jù)校正補(bǔ)償后與監(jiān)控站賽默飛儀器比對實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),日測量數(shù)據(jù)平均值相對偏差僅為1.8%。

環(huán)境污染;Particulate Matter(PM2.5);在線監(jiān)測;β射線法

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,環(huán)境質(zhì)量發(fā)生了顯著的變化,特別是大氣細(xì)顆粒物PM2.5污染已凸顯為重大的環(huán)境問題[1],嚴(yán)重危害人體健康[2-8]。不斷增加的惡劣天氣引起了公眾和輿論對PM2.5的強(qiáng)烈關(guān)注[9],準(zhǔn)確監(jiān)測PM2.5成為迫在眉睫的任務(wù)。

目前PM2.5質(zhì)量濃度測量[9-13]主要有兩大類:手工稱重法和自動(dòng)監(jiān)測方法。手工稱重法用對沉積顆粒物的Teflon或PTEE濾膜稱重來計(jì)算質(zhì)量,再根據(jù)采樣時(shí)間內(nèi)抽取的氣體體積計(jì)算顆粒物濃度,作為標(biāo)準(zhǔn)的比對測試方法也是最直接和最可靠的方法[14-15];但操作較費(fèi)時(shí)、繁瑣、易引入人為誤差,不適合在線監(jiān)測并未能及時(shí)得到測量結(jié)果。微量振蕩天平法(TEOM)[16]通過測量沉積顆粒物的錐形石英管振蕩頻率來測量顆粒物質(zhì)量濃度,測量靈敏度較高,但維護(hù)成本高并存在粘附和過載問題,而且受濕度影響較大[17]。β射線法是利用濾膜上的顆粒物對β射線的衰減來測量顆粒物質(zhì)量濃度,具有測量準(zhǔn)確度高、維護(hù)量小和成本低等優(yōu)點(diǎn)[18]。

當(dāng)前像美國賽默飛和Met-one針對于PM2.5監(jiān)測的相關(guān)儀器已在國際上普遍使用;相對發(fā)達(dá)國家國內(nèi)研究起步較晚,像河北先河、武漢天虹以及中晟泰科等相關(guān)企業(yè)投入很大力度一直在研究,也有國產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品,但是在我國較高污染區(qū)域和特殊地區(qū)監(jiān)測條件下,還存在檢測精度不高等問題,特別是在多雨天以及惡劣氣象條件時(shí)。綜合分析本文采用了β射線吸收法的測量原理研制了PM2.5質(zhì)量濃度在線監(jiān)測儀器系統(tǒng),在系統(tǒng)中采用原位檢測的結(jié)構(gòu),提高了測量的實(shí)時(shí)性和測量精度,并配合高精度質(zhì)量流量控制,經(jīng)過連續(xù)多月的實(shí)驗(yàn)不斷研究解決出現(xiàn)的問題,并與稱重法和賽默飛儀器作比對測試,結(jié)果表明儀器有較好的測量精度。

1 測量原理

同位素C14放射源的原子核在發(fā)生β衰變時(shí),會(huì)放射出β粒子。β粒子實(shí)際上是一種快速帶電離子束,具有較強(qiáng)的穿透力,當(dāng)其穿過一定厚度的吸收物質(zhì)時(shí),其強(qiáng)度隨著吸收層厚度增加逐漸減弱[19]。當(dāng)吸收物質(zhì)的厚度比β粒子的射程小很多時(shí),β粒子與物質(zhì)相互作用并且其強(qiáng)度的變化近似滿足指數(shù)關(guān)系式

I=I0exp(-μmXm)

(1)

其中:I0和I分別為β射線穿過無吸收物質(zhì)和有吸收物質(zhì)后的強(qiáng)度;Xm為質(zhì)量厚度,即單位面積的質(zhì)量(g/cm2);μm為質(zhì)量吸收系數(shù)(cm2/mg),而對于確定的吸收物質(zhì)PM2.5和半衰期較長的碳14射線源,其經(jīng)驗(yàn)值μm為0.290 cm2/mg左右,本監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)多次測量并與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量參考校準(zhǔn)得到儀器系統(tǒng)的μm值為0.29 cm2/mg。

進(jìn)一步式(1)可表述為式(2)得到顆粒物PM2.5的質(zhì)量濃度C:

(2)

式中:C是顆粒物PM2.5的質(zhì)量濃度(mg/m3);S是濾膜上探測源的有效采樣面積(cm2);Q是切割器的采樣流量(L/min);t是采樣時(shí)間(min)。

圖1 PM2.5監(jiān)測儀器結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于β射線法的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示,主要部件有PM2.5切割器、動(dòng)態(tài)加熱、原位檢測、濾紙傳動(dòng)和流量控制等部分。工作過程是:采樣泵以恒定的流量將空氣抽入PM2.5切割頭內(nèi),粒徑不大于2.5 μm的顆粒物被分離出來,經(jīng)采樣通道進(jìn)入動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng),經(jīng)過溫濕度的調(diào)整后,顆粒物被截留在濾膜上,經(jīng)檢測部分原位檢測結(jié)構(gòu)的分析,最后根據(jù)采樣流量、時(shí)間、溫度、壓力等綜合因素計(jì)算并顯示出PM2.5的質(zhì)量濃度。

2.1 質(zhì)量檢測單元

檢測模塊由β放射源和探測器組成,為了保證檢測期間放射源的強(qiáng)度維持不變,要求放射源的半衰期較長,相比其他常見的β放射源Pr147和Kr85,C14源的半衰期長達(dá)5 730年,成為最佳選擇,源能量活度≤100 uci,在我國屬于豁免源。針對β射線吸收原理和檢測對象,選用的探測器是由高靈敏光電倍增管、閃爍體、屏蔽窗等集成一體化的高性能探測器CH320。

如圖2所示為原位檢測部分裝配體的剖面圖,即在結(jié)構(gòu)上將檢測部分的采樣通道和檢測點(diǎn)位于同一豎直線上,并且抽氣和β射線的測量在同一位置,而在傳統(tǒng)的β射線法監(jiān)測儀器中,采樣室和傳感器在不同的位置,濾膜需要在兩個(gè)位置來回移動(dòng),樣品采集和分析在不同時(shí)段進(jìn)行。而本系統(tǒng)中這種原位連續(xù)檢測方式從根本上不但解決了紙帶移動(dòng)帶來的測量誤差,而且樣品采集和分析可以同時(shí)進(jìn)行,進(jìn)而本儀器系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示顆粒物質(zhì)量濃度。光電倍增管位于正對檢測位置的另一側(cè),為了提高檢測精度,本系統(tǒng)中放射源和探測器之間的距離為16 mm。

圖2 儀器檢測部分剖面圖

2.2 其他測量條件

切割器主要是將環(huán)境空氣中細(xì)顆粒物PM2.5分離出來,本系統(tǒng)選用BGI公司的VSCC旋風(fēng)切割器[20]基于空氣動(dòng)力學(xué)原理利用旋風(fēng)分離技術(shù)制成,切割粒徑和捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)差滿足國家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[14]規(guī)定,即切割粒徑Da50=(2.5±0.2)μm,捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)差δg=(1.2±0.1) μm。

切割器的切割特性與氣體流速密切相關(guān),流速偏差直接影響著顆粒物監(jiān)測儀器的切割特性,進(jìn)而影響到顆粒物質(zhì)量濃度采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)恒流控制部分采用基于差壓式的電子質(zhì)量流量控制器,精度為±1.0%,能將氣體流量精確控制在16.67 L/min的工作點(diǎn)上,保證了切割器的臨界粒徑Dc=2.5 μm。

濾膜在監(jiān)測儀器中主要收集顆粒物,濾膜材質(zhì)影響顆粒物的截留效率,進(jìn)而影響著測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。常用濾膜有Teflon濾膜、Nylon濾膜和玻璃纖維濾膜3種,Teflon濾膜相比其他兩種空白膜質(zhì)量小、吸濕性低、不吸收氣體、空氣阻力大等特點(diǎn),系統(tǒng)選用Teflon濾膜進(jìn)行顆粒物PM2.5質(zhì)量濃度的測量。

圖3 β射線吸收法和稱重法測得的PM2.5日均濃度值

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與問題探討

3.1 數(shù)據(jù)分析處理

實(shí)驗(yàn)期間儀器一直放置于天津市南開區(qū)華苑產(chǎn)業(yè)區(qū)華苑科技發(fā)展大樓5樓頂,每天對儀器進(jìn)行調(diào)試保證系統(tǒng)測量條件相同,儀器離地面高度約為15 m,采樣器入口高度固定距離地面16.5 m,周圍無建筑工地和高大建筑物,環(huán)境空氣流通。每次儀器系統(tǒng)開機(jī)在實(shí)驗(yàn)開始40 min后,顯示的濃度數(shù)據(jù)作為有效地?cái)?shù)據(jù)記錄。觀測時(shí)間為2013年8月初到10月底,連續(xù)監(jiān)測3個(gè)月采集日平均測量值有效數(shù)據(jù)30組,均分布在3個(gè)月內(nèi),PM2.5質(zhì)量濃度變化明顯,具有一定的代表性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示儀器測量數(shù)據(jù)高于稱重法數(shù)據(jù)2%～62%,平均偏高15%,其中儀器測量比稱重法偏高(15±10)%的樣本15對,占46%,偏高(15±20)%的樣本22對,占54%。β射線吸收法和稱重法測得的PM2.5日均質(zhì)量濃度變化趨勢如圖3(a)所示,兩種方法測定結(jié)果的變化趨勢有較強(qiáng)的一致性。圖3(b)是對應(yīng)的日均質(zhì)量濃度散點(diǎn)圖,可以看出兩者存在線性關(guān)系。

使用SPSS進(jìn)行相關(guān)性分析,如表1所示,在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.988。表2是對30組測量結(jié)果進(jìn)行F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn),并且Fα(f1,f2)<0.01,因此在顯著水平0.01條件下儀器測量結(jié)果和稱重法測量結(jié)果的總體方差相等,具有一致性;tα(f)<0.01,表示兩種不同的測量方法沒有顯著性差異。

表1 兩種方法測量結(jié)果數(shù)據(jù)的相關(guān)性

表2 F檢驗(yàn)和成對t檢驗(yàn)結(jié)果

以儀器測量的PM2.5質(zhì)量濃度為自變量,稱重法PM2.5質(zhì)量濃度為因變量,進(jìn)行回歸分析。在顯著水平α=0.01的條件下,斜率為0.950,截距為-0.008,分析所知相關(guān)系數(shù)和斜率滿足國家標(biāo)準(zhǔn)[21]的PM2.5連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)條件,但是截距有所偏差。采用回歸方程“y=-0.008+0.950x”校正儀器測量的30組數(shù)據(jù),結(jié)果表明系統(tǒng)誤差從0.240%減小到0.115%。

圖4是2013年9月11日儀器測量數(shù)據(jù)與華苑監(jiān)測站賽默飛儀器測量數(shù)據(jù)的比對,時(shí)間從9:00～17:00,從圖可以看出數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致,日測量結(jié)果平均值分別為0.057mg/m3和0.056mg/m3,相對偏差為1.8%。

3.2 實(shí)驗(yàn)誤差討論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知,基于β射線法的顆粒物監(jiān)測儀器檢測PM2.5質(zhì)量濃度,與國家規(guī)定的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)尚且存在一定差距。誤差的產(chǎn)生可能有以下因素:

(1)自然空氣中放射源的干擾:自然界中巖石和土壤中都含有天然放射性元素鈾、釷、鐳等,這些物質(zhì)發(fā)生核衰變產(chǎn)生射線,雖然含量不高但也會(huì)對放射源產(chǎn)生干擾。

(2)放射源與探測器的影響:實(shí)驗(yàn)裝置中放射源和探測器分別位于采樣室的上下部,兩者之間空氣密度的變化會(huì)引起計(jì)數(shù)的變化,特別對于流動(dòng)的氣流更容易產(chǎn)生影響。因此在實(shí)際測量中應(yīng)盡量減小兩者之間的空氣流間隙,并且需選用高精度高準(zhǔn)直度的探測器和放射源。

(3)氣體體積對測量結(jié)果的精度有著重要的作用,并且恒定流量是PM2.5切割器達(dá)到臨界粒徑2.5μm的前提,同時(shí)流量要求的是標(biāo)準(zhǔn)狀況(101.325kPa,0 ℃),但在實(shí)際測量中,隨著顆粒物的沉積濾膜兩側(cè)的壓力差會(huì)變化,流量可能會(huì)減小,加之儀器工作地點(diǎn)不滿足標(biāo)準(zhǔn)狀況的條件,所以需要高精度高靈敏度的流量反饋控制器,并且要根據(jù)測量時(shí)的溫度和氣壓值換算成符合工況的流量。

(4)實(shí)驗(yàn)操作誤差:在進(jìn)行稱重法測量時(shí),應(yīng)盡量選用恒溫恒濕的密閉空間及以高精度的天平。本實(shí)驗(yàn)中由于長時(shí)間取樣雖然采用的是100μg的分析天平,但在此過程中也不可避免的引入人為誤差。

(5)兩種監(jiān)測儀器的監(jiān)測地點(diǎn)不同,并且本監(jiān)測系統(tǒng)與華苑站賽默飛的儀器不同。一般情況下同類型的監(jiān)測儀器測量數(shù)據(jù)也會(huì)有誤差存在,所以相比之下本儀器系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)精度較好。除此之外,濕度隨氣候變化明顯,對測量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響,對此今后必須進(jìn)行更深入的濕度實(shí)驗(yàn)研究,建立更合理的回歸方程,對測量結(jié)果進(jìn)行修正,達(dá)到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

文章概述了PM2.5研究狀況和主流監(jiān)測方法優(yōu)缺點(diǎn),對研制的基于β射線法的新型PM2.5監(jiān)測儀器系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。系統(tǒng)中提出原位檢測這一方法,從根本上解決了紙帶移動(dòng)帶來的測量誤差。與稱重法作比對實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)比重量法平均偏高15%,兩種方法測量所得PM2.5日均濃度值高度相關(guān),在一定監(jiān)測條件下其回歸方程為y=-0.008+0.950x,相關(guān)系數(shù)為0.988;與監(jiān)測站賽默飛儀器比對實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),日平均值相對偏差僅為1.8%?？偟膩碚f,本儀器系統(tǒng)在測量細(xì)顆粒物PM2.5質(zhì)量濃度方面具有一定的可靠性。但是儀器只針對了城市中心進(jìn)行監(jiān)測,尚未對農(nóng)村和其他背景區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,具有一定的局限性。

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梁艷(1989-),女,天津大學(xué)精儀學(xué)院,碩士研究生,主要方向儀器科學(xué)與大氣顆粒物PM2.5監(jiān)測儀器研究,liangyan@tju.edu.cn;

陳文亮(1977-),男,天津大學(xué)精儀學(xué)院,副教授,碩士生導(dǎo)師主要從事環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及儀器、光譜檢測技術(shù)研究,chenwenliang@tju.edu.cn;

徐可欣(1956-),男,天津大學(xué)精儀學(xué)院,教授,博士生導(dǎo)師,主要方向測試計(jì)量技術(shù)及儀器、大氣及煙氣成分監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)及微弱化學(xué)成分智能檢測方法研究,kexin@tju.edu.cn。

ResearchofNewTypePM2.5AutomatedMonitoringSystemBasedonβ-RayMethod*

LIANGYan,ZHANGZengfu,CHENWenliang*,XUKexin

(State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Particulate air pollution has become increasingly serious in recent years,accurate monitoring particulate matter PM2.5 is imminent. Currently,with abroad monitoring instrument used in the world,domestic real intellectual property products are relatively few and the precision and stability of the products also need to improve. In this article,PM2.5 mass concentration on-line monitoring instrument was developed based on the beta ray method. The situ detection in the instrument structure was proposed and was conducting with the standard weighing method of compare experiment to verify the system. The results showed that the correlation of both measurement data was 0.988. After data correction of compensation and alignment,conducting with monitoring station real-time monitoring data of the thermoinstrument,the average relative deviation of measurement data was only 1.8%.

environmental pollution;PM2.5;on-line monitoring;Beta ray method

項(xiàng)目來源:國家863項(xiàng)目(2012AA022602),國家重大科學(xué)儀器專項(xiàng)項(xiàng)目(2012YQ 060165)

2014-06-23修改日期:2014-08-22

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.021

X831

:A

:1004-1699(2014)10-1418-05