環(huán)境監(jiān)測大氣顆粒物采集實驗教學(xué)改革

孟紅旗，李婷婷，王明仕

河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院

實驗教學(xué)的改進與創(chuàng)新是新工科背景下專業(yè)教學(xué)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(xué)生開設(shè)的《環(huán)境監(jiān)測》課程內(nèi)必修實驗，大學(xué)二年級上學(xué)期開設(shè)，計劃3 學(xué)時。實驗?zāi)康氖钦莆沾髿庵蓄w粒物的采集方法；學(xué)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(fù)值易出現(xiàn)的問題。本文對實驗改進的具體細(xì)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(xué)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(xì)節(jié)

我校現(xiàn)有采樣設(shè)備是青島科迪博公司的KDB-120+型采樣器，設(shè)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(xué)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(shè)計對比如表1 所示。

表1 2018年實驗改進細(xì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣體積（m3），儀器如無標(biāo)準(zhǔn)流量換算功能，用實際的流量和大氣溫度進行標(biāo)態(tài)體積校準(zhǔn)。

（三）開放實驗設(shè)計

大氣顆粒物采集實驗結(jié)束后，2017 級學(xué)生組織申報了學(xué)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(zhǔn)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(yīng)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(xì)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(xì)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(zhǔn)備過程嚴(yán)格控制，有效避免了顆粒物濃度出現(xiàn)負(fù)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(xué)生未嚴(yán)格按照教學(xué)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(zhǔn)確性有一定的影響。