目前大氣顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)及其將來(lái)發(fā)展動(dòng)向

     大氣顆粒物是一種重要的空氣污染物,，詳細(xì)分析了大氣顆粒物濃度的檢測(cè)原理,、檢測(cè)方法,?；谀げ都姆Q(chēng)重法是zui基本的顆粒物濃度檢測(cè)方法,，但是基于其他原理的顆粒物濃度檢測(cè)方法在顆粒物的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用,，對(duì)各類(lèi)監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)作了對(duì)比,，指出自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是大氣顆粒物濃度檢測(cè)儀器的方向發(fā)展,。

1,、大氣顆粒物濃度及測(cè)試分類(lèi)

大氣中的懸浮顆粒物(SPM)是大氣顆粒物的統(tǒng)稱(chēng)，可分為一次污染物和二次污染物。一次污染物是直接進(jìn)入大氣中的顆粒物,，粒徑大小一般在1～20μm范圍內(nèi),，大部分大于2．5μm；二次污染物顆粒較小,，其大小在0．01～1．0μm范圍內(nèi),，是大氣中的氣態(tài)污染物之間及氣態(tài)污染物與塵粒之間相互發(fā)生化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。根據(jù)大氣顆粒物的粒徑大小,，將大氣顆粒物分別命名,。其中，對(duì)環(huán)境影響較大,，引起人們普遍關(guān)注的有總懸浮顆粒物(TSP),、可吸人顆粒物(PM10)、可人肺顆粒物(PM2．5),。

大氣中的懸浮顆粒物對(duì)人體健康的負(fù)面影響,，及對(duì)城市大氣能見(jiàn)度、氣候,、空氣質(zhì)量,、生態(tài)環(huán)境的影響，都與總懸浮顆粒物(TSP),、PM10及PM2.5的數(shù)量及質(zhì)量多少有關(guān),，為準(zhǔn)確描述顆粒物的影響，在研究大氣顆粒物的行為,、影響時(shí),，制定了大氣顆粒物濃度的指標(biāo)，大氣顆粒物濃度可分為個(gè)數(shù)濃度,、質(zhì)量濃度和相對(duì)質(zhì)量濃度,。個(gè)數(shù)濃度指以單位體積空氣中含有的顆粒物個(gè)數(shù)表示的濃度值，單位為粒／cm3,、粒／L，多應(yīng)用于空氣潔凈技術(shù)領(lǐng)域,，無(wú)塵室,、超凈工作間等超低濃度環(huán)境和需要?dú)馊苣z的個(gè)數(shù)濃度來(lái)解釋種種現(xiàn)象的氣象學(xué)領(lǐng)域。質(zhì)量濃度指以單位體積空氣中含有的顆粒物的質(zhì)量表示的濃度,，單位為mg／m3或μg／m3,，用于一般的大氣顆粒物研究領(lǐng)域。相對(duì)濃度是指與顆粒物的濃度有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的物理量數(shù)值,，作為相對(duì)濃度使用的物理量有光散射量,、放射線吸收量、靜電荷量、石英振子頻率變化量等,。

大氣顆粒物濃度的測(cè)量,，主要是根據(jù)顆粒物的物理性質(zhì)(包括力學(xué)、電學(xué),、光學(xué)等)與顆粒物的數(shù)量或質(zhì)量之間的關(guān)系,，通過(guò)相應(yīng)的儀器設(shè)備進(jìn)行的。根據(jù)測(cè)量的具體操作,，可將大氣顆粒物的測(cè)試方法分為捕集測(cè)定法和浮游測(cè)定法,，捕集測(cè)定法是指先用各種手段捕集空氣中的微粒，再測(cè)定其濃度的方法,；能保持空氣中的浮游顆粒仍為浮游狀態(tài)而測(cè)定其濃度的方法為浮游測(cè)定法,。

2、個(gè)數(shù)濃度的測(cè)定

個(gè)數(shù)濃度的測(cè)定方法主要有兩種：

2.1,、化學(xué)微孔濾膜顯微鏡計(jì)數(shù)法

在潔凈環(huán)境含塵濃度的測(cè)定中,，用濾膜顯微鏡計(jì)數(shù)法測(cè)量個(gè)數(shù)濃度是個(gè)數(shù)濃度測(cè)定法的zui基本方法，其原理是將微粒捕集在濾膜表面,，再使濾膜在顯微鏡下成為透明體,，然后觀察計(jì)數(shù)，分試樣樣品采集,、顯微鏡觀察和粒子計(jì)數(shù)三個(gè)過(guò)程,，屬捕集測(cè)定法。

2.2,、光散射式粒子計(jì)數(shù)器

光散射式粒子計(jì)數(shù)器的原理是用光照射浮游粒子,，粒子將引起入射光的散射，球形粒子引起的光散射強(qiáng)度可由Mie的光散射理論式計(jì)算,，被測(cè)粒子的散射光強(qiáng)與含各種粒徑的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)粒子的散射光強(qiáng)相比較,，得到不同粒徑粒子的個(gè)數(shù)濃度。光散射法可直接得到測(cè)量數(shù)據(jù),，但顆粒物重疊,、標(biāo)準(zhǔn)粒子與被測(cè)粒子的折射率不同及粒子帶有電荷會(huì)造成誤差；對(duì)于濃度較高的粒子,，幾乎所有的計(jì)數(shù)器都是隨粒徑的變小而計(jì)數(shù)率變低,。

3、質(zhì)量濃度的測(cè)定

顆粒物的質(zhì)量濃度在大氣顆粒物研究中使用zui多,，所以其測(cè)定方法的研究得到了充分重視,，基于各種原理的測(cè)定的方法也zui多，經(jīng)常使用的方法有濾膜稱(chēng)重法,、光散射法,、壓電晶體法,、電荷法、β射線吸收法及zui近幾年發(fā)展起來(lái)的微量振蕩天平法等,。這些測(cè)試方法的具體原理是：

3.1,、濾膜稱(chēng)重法

濾膜稱(chēng)重法是顆粒物質(zhì)量濃度測(cè)定的基本方法，以規(guī)定的流量采樣,，將空氣中的顆粒物捕集于高性能濾膜上,，稱(chēng)量濾膜采樣前后的質(zhì)量，由其質(zhì)量差求得捕集的粉塵質(zhì)量,，其與采樣空氣量之比即為粉塵的質(zhì)量濃度,。

儀器主要由采樣儀、分析天平等組成,，根據(jù)所用的采樣儀的流量大小不同,，將采樣儀分為大流量(1m3/min以上)、中流量(100 L/min左右)和小流量(10～30 L/min)三種,，在選用采樣儀時(shí),，應(yīng)考慮他們之間的可比性，一般以大流量采樣儀作比較,。稱(chēng)重法單獨(dú)或配合切割器可測(cè)量TSP,、PM10、PM2.5,，稱(chēng)重法測(cè)定顆粒物質(zhì)量濃度時(shí)需要的時(shí)間一般較長(zhǎng)(3～24h),。

濾膜稱(chēng)重法測(cè)定的是顆粒物的質(zhì)量濃度，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單,，測(cè)定數(shù)據(jù)可靠,，測(cè)量不受顆粒物形狀、大小,、顏色等的影響,，但在測(cè)定過(guò)程中，存在操作煩瑣,、費(fèi)時(shí),、采樣儀笨重、噪聲大等缺點(diǎn),，不能立即給出測(cè)試結(jié)果,。

3.2、光散射式測(cè)量?jī)x

光散射式測(cè)量?jī)x測(cè)量質(zhì)量濃度的原理和光散射式粒子計(jì)數(shù)器的原理類(lèi)似,，是建立在微粒的Mie散射理論基礎(chǔ)上的。光通過(guò)顆粒物質(zhì)時(shí),，對(duì)于數(shù)量級(jí)與使用光波長(zhǎng)相等或較大的顆粒,，光散射是光能衰減的主要形式,。

光散射測(cè)塵儀屬浮游測(cè)定法，可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)空氣中顆粒物的濃度,，根據(jù)顆粒物性質(zhì)預(yù)先設(shè)K值,，可以現(xiàn)場(chǎng)直接顯示質(zhì)量濃度(mg/m3)，體積小,，重量輕,，操作簡(jiǎn)便，噪音低,，穩(wěn)定性好,，可直讀測(cè)定結(jié)果，可以存儲(chǔ)以及輸出電信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,，適于公共場(chǎng)所衛(wèi)生及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵等場(chǎng)合和大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中使用,。

3.3、壓電晶體法

壓電晶體法(又稱(chēng)壓電晶體頻差法),，采用石英諧振器為測(cè)量敏感元件,，其工作原理是使空氣以恒定流量通過(guò)切割器，進(jìn)入由高壓放電針和微量石英諧振器組成的靜電采樣器,，在高壓電暈放電的作用下,，氣流中的顆粒物全部沉降于測(cè)量諧振器的電極表面上，因電極上增加了顆粒物的質(zhì)量,，其振蕩頻率發(fā)生變化,，根據(jù)頻率變化可測(cè)定可吸人顆粒物的質(zhì)量濃度，石英諧振器相當(dāng)于一個(gè)超微量天平,。

壓電晶體法儀器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè),。石英諧振器對(duì)其表面質(zhì)量的變化十分敏感，使用一段時(shí)間后需要清潔,。利用此原理的大氣監(jiān)測(cè)儀一般裝備于環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)站,。

3.4、 β射線吸收法

β射線吸收式測(cè)量?jī)x的工作原理是： 射線在通過(guò)顆粒物時(shí)會(huì)被吸收,，當(dāng)能量恒定時(shí),，β射線的吸收量與顆粒物的質(zhì)量成正比。測(cè)量時(shí),，經(jīng)過(guò)切割器,，將顆粒物捕集在濾膜上，通過(guò)測(cè)量β射線的透過(guò)強(qiáng)度,，即可計(jì)算出空氣中顆粒物濃度,。儀器可以間斷測(cè)量，也可以進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)測(cè)量,，粉塵對(duì)β線的吸收與氣溶膠的種類(lèi),、粒徑,、形狀、顏色和化學(xué)組成等無(wú)關(guān),，只與粒子的質(zhì)量有關(guān),。β射線是由14C射線源產(chǎn)生的低能射線，安全耐用,，其半衰期可達(dá)數(shù)千年,，十分穩(wěn)定。

3.5,、微量振蕩天平法

微量振蕩天平法(TEOM 法,，英文名稱(chēng)Tapere Element Oscillating Microbalance)，是近年發(fā)展起來(lái)的顆粒物濃度測(cè)量方法,，測(cè)量原理是基于技術(shù)的錐形元件振蕩微量天平原理,，。此錐形元件于其自然頻率下振蕩,，振蕩頻率由振蕩器件的物理特性,、參加振蕩的濾膜質(zhì)量和沉積在濾膜上的顆粒物質(zhì)量決定。儀器通過(guò)采樣泵和質(zhì)量流量計(jì),，使環(huán)境空氣以一恒定的流量通過(guò)采樣濾膜,，顆粒物則沉積在濾膜上。測(cè)量出一定間隔時(shí)間前后的兩個(gè)振蕩頻率,，就能計(jì)算出在這一段時(shí)間里收集在濾膜上顆粒物的質(zhì)量,，再除以流過(guò)濾膜的空氣的總體積，得到這段時(shí)間內(nèi)空氣中顆粒物的平均濃度,。

3.6,、電荷法

電荷法主要用在煙氣中顆粒物(粉塵)的監(jiān)測(cè)當(dāng)煙道或煙囪內(nèi)粉塵經(jīng)過(guò)應(yīng)用耦合技術(shù)的探頭時(shí)，探頭所接收到的電荷來(lái)自粉塵顆粒對(duì)探頭的撞擊,、摩擦和靜電感應(yīng),。由于安裝在煙道上探頭的表面積與煙道的截面積相比非常小，大部分接收到的電荷是由于粒子流經(jīng)過(guò)探頭附近所引起的靜電感應(yīng)而形成,。排放濃度越高,，感應(yīng)、摩擦和撞擊所產(chǎn)生的靜電荷就越強(qiáng),。即O／tocM／t(這里,，Q代表電荷，M 代表顆粒物量,，t代表時(shí)間),。

電荷法技術(shù)包括直流耦合與交流耦合技術(shù)兩種。

電荷法屬于浮游測(cè)定法,，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè),。由于不同的顆粒材料會(huì)產(chǎn)生不同的感應(yīng),、摩擦電流,，此類(lèi)設(shè)備必需在安裝后進(jìn)行須標(biāo)定,。

3.7、常用顆粒物檢測(cè)方法比較

上述顆粒物質(zhì)量或相對(duì)質(zhì)量濃度的各種測(cè)量方法,，根據(jù)的是顆粒物的不同性質(zhì)與質(zhì)量的直接或間接的關(guān)系,，在某一方面有一定的長(zhǎng)處，同時(shí)會(huì)帶來(lái)某方面的缺點(diǎn)(見(jiàn)表1),，在選擇測(cè)定方法時(shí)一定要注意揚(yáng)長(zhǎng)避短,。顆粒物濾膜稱(chēng)重法一般需要較長(zhǎng)的采樣時(shí)間，很難適用于要求快速得到測(cè)量結(jié)果的場(chǎng)合,，不能測(cè)定粒子的時(shí)空分布,，測(cè)量結(jié)果是一段時(shí)間內(nèi)的平均值，操作也較復(fù)雜,。相比較而言,，其他濃度測(cè)量方法雖然存在一定誤差，但在顆粒物自動(dòng)在線連續(xù)檢測(cè)方面是濾膜稱(chēng)重法所*的,，應(yīng)根據(jù)不同的測(cè)定目的來(lái)選擇,。在需要實(shí)時(shí)在線測(cè)定的場(chǎng)合要用到相對(duì)質(zhì)量濃度測(cè)量方法，而在不需要在線連續(xù)測(cè)量或需要考慮可比性的情況下,，要用濾膜稱(chēng)重法直接測(cè)量顆粒物的質(zhì)量濃度,，同時(shí)，濾膜稱(chēng)重法采集的顆粒物樣品可以用來(lái)進(jìn)行其它分析,。

4,、大氣顆粒物濃度測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著自動(dòng)化及信息技術(shù)的迅速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)也由以人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析為主,，向自動(dòng)化,、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為主的監(jiān)測(cè)方向發(fā)展；由較窄領(lǐng)域監(jiān)測(cè)向領(lǐng)域監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展,。監(jiān)測(cè)儀器逐步向高質(zhì)量,、多功能、集成化,、自動(dòng)化,、系統(tǒng)化和智能化的方面發(fā)展。社會(huì)需要大量的,、使用方便,、操作簡(jiǎn)單的大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)控設(shè)備,，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展用于在線監(jiān)測(cè)污染源煙塵,、工業(yè)粉塵排放量(濃度或總量),，包括測(cè)量相關(guān)參數(shù)：流量、含濕量,、溫度等,，實(shí)現(xiàn)污染源排放濃度或總量監(jiān)測(cè)以及監(jiān)測(cè)和監(jiān)控一體化的監(jiān)測(cè)儀器，特別是適用于細(xì)微顆粒物(PM10,、PM2.5)的采樣和監(jiān)測(cè)儀器,。

大氣環(huán)境檢測(cè)是所有大氣環(huán)境工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，不論是進(jìn)行大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè),、大氣污染防治,，還是進(jìn)行大氣環(huán)境科學(xué)及工程的研究，都必須是在科學(xué),、準(zhǔn)確測(cè)定大氣環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,，離開(kāi)了準(zhǔn)確的檢測(cè)，其他的大氣環(huán)境方面的所有工作都成了無(wú)稽之談,，因此,，大氣環(huán)境檢測(cè)技術(shù)也隨著大氣環(huán)境科學(xué)與工程的發(fā)展而得到了迅速發(fā)展。大氣中懸浮顆粒物的存在,，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響,，因此，大氣顆粒物一直是大氣環(huán)境研究中zui前沿領(lǐng)域之一,。

大氣顆粒物濃度是評(píng)價(jià)大氣顆粒物的重要指標(biāo)之一,，顆粒物濃度的檢(監(jiān))測(cè)一直受到環(huán)境工作者的重視。本文綜述大氣顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)的原理及檢測(cè)儀器設(shè)備的市場(chǎng)及研究現(xiàn)狀,，并展示其發(fā)展趨勢(shì),。

要適應(yīng)這個(gè)發(fā)展，必須加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)研究,，研究顆粒物濃度對(duì)大氣各種性質(zhì)的影響,，反過(guò)來(lái)根據(jù)這些影響探索物理、化學(xué),、生物,、電子、光學(xué)等新技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用,，研究新的顆粒物濃度檢測(cè)方法,。同時(shí)，促進(jìn)監(jiān)測(cè)儀器科研與生產(chǎn)結(jié)合,，加快環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化,，逐步提高國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)儀器的研發(fā)水平。