煙氣顆粒物大氣污染源有害成分采樣分組分析

陳琰

摘要：針對(duì)煙氣顆粒物大氣污染問(wèn)題，文章采用污染物采樣分組及化學(xué)分析的方法來(lái)確定大氣中污染源的主要成分。分組采樣中基于多層分離器采樣方式，并通過(guò)調(diào)整溫度、度等指標(biāo)參數(shù)，確保制備實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)精度;煙氣顆粒物化學(xué)成分的分析過(guò)程主要包括水溶性成分的確定、有機(jī)碳元素和其他微量元素的測(cè)定、多環(huán)芳烴有害物質(zhì)成分的鑒定等，通過(guò)分組分析和化學(xué)檢驗(yàn)可以精確確定出顆粒污染物中的成分，便于采取有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：煙氣顆粒物;大氣污染;有害成分;分組檢測(cè);化學(xué)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：X773? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

煙氣顆粒物是大氣污染的主要成分之一，顆粒物粒子的大小[1-2]、成分及狀態(tài)決定環(huán)境污染的特征與嚴(yán)重程度。大氣中煙氣顆粒物主要來(lái)源于煤炭、石油等能源的燃燒和排放，不同粒徑的煙氣污染物對(duì)環(huán)境造成的污染截然不同，絕大多數(shù)有害化合物及有害元素都集中于小顆粒[3-4]。小顆粒對(duì)人類(lèi)呼吸系統(tǒng)造成的不利影響更大。在污染較為嚴(yán)重的城市地區(qū)，有機(jī)物一般占PM2.5的60%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于城鎮(zhèn)地區(qū)和廣大農(nóng)村地區(qū)，因?yàn)槌鞘械貐^(qū)的人口密度高、高排放的工廠數(shù)量較多、機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量較大，導(dǎo)致城市地區(qū)成為煙氣顆粒物大氣污染源的集中地[5-6]。城市煙氣顆粒物中的有機(jī)污染物無(wú)處不在，對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重、持久的污染，精確測(cè)量大氣中煙氣顆粒物污染源成分、組成、濃度等指標(biāo)，對(duì)于治理城市煙氣顆粒物大氣污染意義重大，能夠進(jìn)一步有針對(duì)性地開(kāi)展治理工作，改善城市的居住環(huán)境。

1 煙氣顆粒污染物采樣分組

現(xiàn)有的煙氣顆粒物的采樣方法主要包括多層分離器采樣、旋轉(zhuǎn)分離器采樣、激光實(shí)時(shí)監(jiān)控、聲學(xué)測(cè)定方法及散射測(cè)定方法等。其中多層分離采樣使用帶有不同孔徑的金屬層對(duì)不同大小的顆粒物分層處理，該種方法操作簡(jiǎn)單，直徑超過(guò)篩孔的顆粒物被攔截下來(lái)，但該種方法的容器設(shè)備容易被腐蝕，分組和分類(lèi)的精度也有待提高;旋轉(zhuǎn)分離器利用旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的離心力，來(lái)過(guò)濾不同直徑的顆粒物，該種方法適用于污染濃度較高的場(chǎng)景，而且在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中顆粒物與容器內(nèi)壁碰撞，容易破碎，導(dǎo)致測(cè)量誤差值升高;激光實(shí)時(shí)監(jiān)控更適用于直徑較小的顆粒物，且該種采樣方案的成本較高;聲學(xué)測(cè)定和散射測(cè)定方面都采用電能轉(zhuǎn)換的方式，確定顆粒物粒子的特征。但上述兩種方案的應(yīng)用場(chǎng)景較少，多集中于專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量，且同樣具有采樣、測(cè)量成本過(guò)高的弊端。

文章采用多層分離器采樣的采樣方式，但對(duì)采樣器的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，采用抗腐蝕的鍍鉻過(guò)濾網(wǎng)和更精密的分層結(jié)構(gòu)，來(lái)提高煙氣顆粒物分類(lèi)精度和分類(lèi)效果。當(dāng)含塵氣體進(jìn)入分離器后，按照順序逐層讓氣體通過(guò)噴孔，不同直徑的顆粒物分別被捕集到專(zhuān)用的捕集板上。煙氣顆粒物采樣分組還要用到煙氣物測(cè)試儀，文章采用德國(guó)進(jìn)口的3015H型設(shè)備，該設(shè)備具有自動(dòng)化跟蹤采樣的功能，具有操作簡(jiǎn)單、采樣精度高和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。3015H型煙氣污染測(cè)試儀，配備了測(cè)量干濕兩種氣體的功能，還可以測(cè)量、等有毒有害的氣體。3015H型煙氣物測(cè)試儀內(nèi)置了STM32型單片機(jī)，具有恢復(fù)采樣的功能，即使在測(cè)試中出現(xiàn)斷電的情況，也不會(huì)影響最終的測(cè)試效果，該設(shè)備的工作條件如表1所示。

采樣分組的過(guò)程如下：將采集到的煙氣樣本通過(guò)采樣管和采樣孔輸入到設(shè)備當(dāng)中，將進(jìn)氣門(mén)放置到測(cè)量區(qū)域。觀測(cè)氣流方向和大小，按設(shè)備的容積和實(shí)驗(yàn)的要求勻速采樣，煙塵氣體采樣過(guò)程中必須保證所抽取的一定量的含塵氣體濃度均勻。按照氣體捕集裝置內(nèi)的煙塵總體質(zhì)量，以及所抽取到的壓縮氣體體積，計(jì)算出樣本煙塵氣體內(nèi)所包含的顆粒物濃度和總量。3015H型設(shè)備的內(nèi)部安裝了溫度、濕度傳感器，煙氣測(cè)試儀內(nèi)部?jī)?nèi)置的微處理器，控制系統(tǒng)根據(jù)各種傳感器檢測(cè)到的靜壓、動(dòng)壓、溫度及含濕量等各種系統(tǒng)參數(shù)，并通過(guò)內(nèi)置的微傳感器計(jì)算出煙氣流速、等速跟蹤流量。被分組后，煙氣顆粒物測(cè)控系統(tǒng)還可以將實(shí)驗(yàn)氣體流量與真實(shí)的氣體流量傳感器檢測(cè)數(shù)值結(jié)果重新比對(duì)，感知系統(tǒng)相應(yīng)電信號(hào)?？刂齐娐氛{(diào)整抽氣泵的抽氣能力，使實(shí)際流量與計(jì)算的采樣流量相等。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?nèi)置的微處理器用檢測(cè)到的當(dāng)前系統(tǒng)流量信息，結(jié)合溫度信息、濕度信息和壓力信息，自動(dòng)化地將系統(tǒng)真實(shí)得到的氣體采樣體積換算為標(biāo)況大氣壓狀態(tài)下的采樣體積。STM32型單片機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，在煙氣顆粒物大氣含濕度的測(cè)量方面，首先將采樣管置于煙道之中，抽取含有? ? ?的煙氣顆粒物大氣，空氣過(guò)剩系數(shù)可以表示為：

在煙氣顆粒物質(zhì)量的測(cè)定方面，文章采用了經(jīng)典的過(guò)濾計(jì)重法，從采樣儀器中抽取不同種類(lèi)的煙氣顆粒物，再利用內(nèi)置的濾膜裝置捕集全部樣本。煙氣的濃度、流量等指標(biāo)都可以通過(guò)過(guò)濾計(jì)重法測(cè)得最后的結(jié)果。這種煙氣顆粒物測(cè)定方法的優(yōu)勢(shì)還在于，能夠準(zhǔn)確地分辨出采樣部分煙氣顆粒物樣本，顯示出整個(gè)煙道的顆粒物分布情況。煙氣顆粒物樣本在采樣設(shè)備中的分布濃度相同，且根據(jù)顆粒物的直徑大小呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，通過(guò)選擇正確的采樣位置和采樣數(shù)量，更有利于后續(xù)實(shí)現(xiàn)的成分化學(xué)分析。煙氣顆粒物樣本的采樣速度、設(shè)備溫度、壓力、濕度等指標(biāo)因素，會(huì)影響到最終的采樣效果與顆粒物的分類(lèi)效果。在分組采樣中結(jié)合氣體采樣口的直徑大小，調(diào)整不同參數(shù)組合模式，盡量保證采樣過(guò)程平穩(wěn)。等速采樣的精度更好，依據(jù)顆粒物直徑的大小準(zhǔn)確計(jì)算出氣體樣本的流量和流速，然后再根據(jù)煙氣顆粒物流量采樣的結(jié)果分組，不會(huì)對(duì)氣體顆粒物的質(zhì)量造成損耗。在每次分組采樣之前還應(yīng)根據(jù)測(cè)試煙氣成分的總體要求，調(diào)整煙氣管道的直徑、氣體溫度、濕量等指標(biāo)，當(dāng)氣體成分變化對(duì)采樣精度影響不大的情況下，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求適度簡(jiǎn)化調(diào)整測(cè)定項(xiàng)目和等速流量的指標(biāo)值。

2 煙氣顆粒物化學(xué)成分分析

2.1 水溶性成分測(cè)定

煙氣顆粒物水溶性成分檢驗(yàn)的溶劑采用沒(méi)有任何雜質(zhì)的超存水，具體的操作步驟如下：（1）在采樣膜上選擇15mm的圓形膜片放入稱(chēng)量瓶?jī)?nèi)，加入20ml超純水，保持合適的電阻率。使用高精度超聲波清洗機(jī)提存，時(shí)間約5min，使用直徑為5微孔過(guò)濾頭提存樣本同時(shí)再向容器內(nèi)加入5ml的超純水，最后將混合后的溶液置于冷藏環(huán)境下穩(wěn)定2小時(shí)。選用DX500型離子色譜儀即可觀測(cè)出煙氣顆粒物水溶性樣本中的各種有害離子成分。

2.2 有機(jī)碳元素及其他微量元素的測(cè)定

煙氣顆粒物中有機(jī)碳元素的測(cè)定，選用美國(guó)進(jìn)口的光碳分析儀，該設(shè)備的檢測(cè)精度可以達(dá)到0.15-0.82μgcm2，能夠精確地檢測(cè)出煙氣顆粒物中所包含的有機(jī)碳成分。煙氣顆粒物污染源中除了包含有機(jī)碳污染物之外，還包括多種其他對(duì)人體有害的微量元素。檢驗(yàn)時(shí)取出15mm的圓形膜片，并在消解管中加入5mm濃度為60%的硝酸溶液和1mm濃度為20的過(guò)氧化氫溶液，消解過(guò)程的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

恒溫保溫3小時(shí)后將溶液取出，并搖勻后靜止，將此溶液作為測(cè)試溶液，即可以檢測(cè)中煙氣顆粒物中的各種有害微量元素成分。

2.3 多環(huán)芳烴有害物檢測(cè)

多環(huán)芳烴是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的苯環(huán)連接構(gòu)成，外在表現(xiàn)為無(wú)色或黃綠色的固體物，多環(huán)芳烴是煙氣顆粒污染物的主要成分之一，占PM2.5顆粒物的10%-40%。多環(huán)芳烴顆粒污染物主要來(lái)源于工廠的排放和汽車(chē)尾氣的排放，可以直接吸附在較大的顆粒物表面，影響人類(lèi)的健康。多環(huán)芳烴物質(zhì)是一種高強(qiáng)度的致癌、致畸變物質(zhì)，毒性很強(qiáng)，煙氣顆粒物中所包含的主要多環(huán)芳烴物質(zhì)如表3。

從煙氣顆粒物成分中分級(jí)采集得到污染物樣品，檢測(cè)分析時(shí)采用德國(guó)進(jìn)口的氣相色譜儀分析大氣顆粒污染物中包含的多環(huán)芳烴物質(zhì)的種類(lèi)及含量。檢驗(yàn)前需要對(duì)樣品做提純和預(yù)處理，去除水分、碳元素和其他的微量元素。經(jīng)過(guò)制備和提純的樣品吸附在設(shè)備的濾膜上，利用分離設(shè)備得到污染物的多環(huán)芳烴部分。樣品預(yù)處理是指按照儀器的要求將前面分離出來(lái)的多環(huán)芳烴轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠檢測(cè)的形式，再將固化后的樣品轉(zhuǎn)換成離子形態(tài)。多環(huán)芳烴大氣顆粒污染物檢測(cè)需要用到的設(shè)備如表4所示。

檢測(cè)分析過(guò)程中用到的試劑包括層析硅膠、無(wú)水乙醇等，各種試劑在使用前還需要蒸餾提純。在實(shí)驗(yàn)中取少量煙氣顆粒物樣本置于容器中檢驗(yàn)，加入二氯甲烷并保證每小時(shí)回流5-6次。啟動(dòng)溫水浴鍋調(diào)整水溫至40度，待水平面和溶液平面相同時(shí)，調(diào)整裝置的轉(zhuǎn)速。最后采用層析分離的方法提存得到多環(huán)芳烴的固體物，用天平稱(chēng)重得到各種污染物的質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

煙氣顆粒物是大氣污染中的主要成分之一，對(duì)人體的危害極大，采取有針對(duì)性的治理措施之前首先要分析大氣中煙氣顆粒物的主要成分。文章采用制備實(shí)驗(yàn)的方式分組分析了大氣中煙氣顆粒物所包含的主要有害物質(zhì)成分，分組分析及化學(xué)檢驗(yàn)的方式能夠更準(zhǔn)確地確定污染物的成分及危害程度。

（責(zé)任編輯：陳之曦）

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