大氣顆粒物檢測方法及其發(fā)展（上）

       摘要：大氣顆粒物是一種重要的空氣污染物，詳細分析了大氣顆粒物濃度的檢測原理、檢測方法。基于膜捕集的稱重法是*基本的顆粒物濃度檢測方法，但是基于其他原理的顆粒物濃度檢測方法在顆粒物的實時在線檢測方面得到了廣泛應用，對各類監(jiān)測方法的優(yōu)缺點作了對比，指出自動化、智能化和網(wǎng)絡化是大氣顆粒物濃度檢測儀器的方向發(fā)展。

       大氣環(huán)境檢測是所有大氣環(huán)境工作的物質(zhì)基礎，不論是進行大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、大氣污染防治，還是進行大氣環(huán)境科學及工程的研究，都必須是在科學、準確測定大氣環(huán)境參數(shù)的基礎上進行，離開了準確的檢測，其他的大氣環(huán)境方面的所有工作都成了無稽之談，因此，大氣環(huán)境檢測技術(shù)也隨著大氣環(huán)境科學與工程的發(fā)展而得到了迅速發(fā)展。大氣中懸浮顆粒物的存在，會對環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響，因此，大氣顆粒物一直是大氣環(huán)境研究中*前沿領域之一。

       大氣顆粒物濃度是評價大氣顆粒物的重要指標之一，顆粒物濃度的檢(監(jiān))測一直受到環(huán)境工作者的重視。本文綜述大氣顆粒物濃度檢測技術(shù)的原理及檢測儀器設備的市場及研究現(xiàn)狀，并展示其發(fā)展趨勢。

1、大氣顆粒物濃度及測試分類

       大氣中的懸浮顆粒物(SPM)是大氣顆粒物的統(tǒng)稱，可分為一次污染物和二次污染物。一次污染物是直接進入大氣中的顆粒物，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)生化學或光化學反應產(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，對環(huán)境影響較大，引起人們普遍關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人體健康的負面影響，及對城市大氣能見度、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，為準確描述顆粒物的影響，在研究大氣顆粒物的行為、影響時，制定了大氣顆粒物濃度的指標，大氣顆粒物濃度可分為個數(shù)濃度、質(zhì)量濃度和相對質(zhì)量濃度。個數(shù)濃度指以單位體積空氣中含有的顆粒物個數(shù)表示的濃度值，單位為粒／cm3、粒／L，多應用于空氣潔凈技術(shù)領域，無塵室、超凈工作間等超低濃度環(huán)境和需要氣溶膠的個數(shù)濃度來解釋種種現(xiàn)象的氣象學領域。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域。相對濃度是指與顆粒物的*濃度有一定對應關系的物理量數(shù)值，作為相對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量，主要是根據(jù)顆粒物的物理性質(zhì)(包括力學、電學、光學等)與顆粒物的數(shù)量或質(zhì)量之間的關系，通過相應的儀器設備進行的。根據(jù)測量的具體操作，可將大氣顆粒物的測試方法分為捕集測定法和浮游測定法，捕集測定法是指先用各種手段捕集空氣中的微粒，再測定其濃度的方法；能保持空氣中的浮游顆粒仍為浮游狀態(tài)而測定其濃度的方法為浮游測定法。

2、個數(shù)濃度的測定

       個數(shù)濃度的測定方法主要有兩種：

2.1、化學微孔濾膜顯微鏡計數(shù)法

       在潔凈環(huán)境含塵濃度的測定中，用濾膜顯微鏡計數(shù)法測量個數(shù)濃度是個數(shù)濃度測定法的*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，然后觀察計數(shù)，分試樣樣品采集、顯微鏡觀察和粒子計數(shù)三個過程，屬捕集測定法。

2.2、光散射式粒子計數(shù)器

       光散射式粒子計數(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度可由Mie的光散射理論式計算，被測粒子的散射光強與含各種粒徑的聚苯乙烯標準粒子的散射光強相比較，得到不同粒徑粒子的個數(shù)濃度。光散射法可直接得到測量數(shù)據(jù)，但顆粒物重疊、標準粒子與被測粒子的折射率不同及粒子帶有電荷會造成誤差；對于濃度較高的粒子，幾乎所有的計數(shù)器都是隨粒徑的變小而計數(shù)率變低。

3、質(zhì)量濃度的測定

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

3.1、濾膜稱重法

       濾膜稱重法是顆粒物質(zhì)量濃度測定的基本方法，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，應考慮他們之間的可比性，一般以大流量采樣儀作比較。稱重法單獨或配合切割器可測量TSP、PM10、PM2.5，稱重法測定顆粒物質(zhì)量濃度時需要的時間一般較長(3～24h)。

       濾膜稱重法測定的是顆粒物的*質(zhì)量濃度，其優(yōu)點是原理簡單，測定數(shù)據(jù)可靠，測量不受顆粒物形狀、大小、顏色等的影響，但在測定過程中，存在操作煩瑣、費時、采樣儀笨重、噪聲大等缺點，不能立即給出測試結(jié)果。

3.2、光散射式測量儀

       光散射式測量儀測量質(zhì)量濃度的原理和光散射式粒子計數(shù)器的原理類似，是建立在微粒的Mie散射理論基礎上的。光通過顆粒物質(zhì)時，對于數(shù)量級與使用光波長相等或較大的顆粒，光散射是光能衰減的主要形式。

       光散射數(shù)字測塵儀包括光源、集光鏡、傳感器、放大器、分析電路及顯示器等，由光源發(fā)出的光線照射在顆粒物上產(chǎn)生散射，此散射光通過集光鏡到達傳感器上，傳感器把感受到的信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大和分析電路，可以計測脈沖的發(fā)生量，即可得到以每分鐘脈沖數(shù)(CPM)表示的相對濃度。當顆粒物性質(zhì)一定時，可以通過稱重法先求出CPM與mg/m3的轉(zhuǎn)換系數(shù)K，根據(jù)K值將CPM值直接轉(zhuǎn)換、顯示為質(zhì)量濃度(mg/m3)。光散射數(shù)字測塵儀的光源有可見光、激光及紅外線等，配合切割器，可以用來測量PM10、PM2.5。

       光散射測塵儀屬浮游測定法，可以實時在線監(jiān)測空氣中顆粒物的濃度，根據(jù)顆粒物性質(zhì)預先設K值，可以現(xiàn)場直接顯示質(zhì)量濃度(mg/m3)，體積小，重量輕，操作簡便，噪音低，穩(wěn)定性好，可直讀測定結(jié)果，可以存儲以及輸出電信號實現(xiàn)自動控制，適于公共場所衛(wèi)生及生產(chǎn)現(xiàn)場粉塵等場合和大氣質(zhì)量監(jiān)測中使用。