《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 3-27空氣含塵濃度測(cè)試儀器

空氣含塵濃度測(cè)試儀器總懸浮顆粒的測(cè)量2016年1月1日起實(shí)施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）中所稱的“總懸浮顆粒物”（TotalSuspendedParticulateTSP），是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于100μm的顆粒物?？倯腋☆w粒測(cè)定一般采用如REF_Ref10991\h圖1所示TSP采樣器，該采樣器由采樣管、采樣夾、流量計(jì)及采樣泵組成。采樣前，旋開已經(jīng)校準(zhǔn)過流量的采樣器的采樣夾（REF_Ref11030\h圖2），用鑷子將已稱重過的濾膜安放在采樣夾中。安放時(shí)濾膜的絨毛面向上，濾膜應(yīng)經(jīng)過光照檢查，不允許有針孔、顆粒狀異物或其他缺陷。濾膜不允許折疊。每張濾膜上要編號(hào)。采樣時(shí)，采樣器一般放置1～1.5m的高臺(tái)上。啟動(dòng)采樣泵，以穩(wěn)定流量抽取一定體積的空氣通過恒重濾膜，空氣中的懸浮顆粒被阻留在濾膜上。采樣結(jié)束后，取下濾膜。取下的濾膜可按照長(zhǎng)方向?qū)ΟB，使塵埃面朝里，放入濾膜冊(cè)內(nèi)保存。在與采樣前相同的環(huán)境下，放置24h，稱量至恒重。利用采樣前后濾膜重量之差及采樣體積，即可計(jì)算總懸浮顆粒TSP的計(jì)重濃度。 TSV=WVn?式中TSV——總懸浮顆粒，mg/m3；W——阻留在濾膜上的TSP重量，mg；Vn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣流量，m3/minT——采樣時(shí)間，min。圖1中流量TSP采樣器圖SEQ圖\*ARABIC\s32顆粒物采樣夾1—流量計(jì)；2—調(diào)節(jié)閥；3—采樣泵；4—消聲器；5—采樣管；6—采樣頭1—底座；2—緊箍圈；3—密封圈；4—接座圈；5—支撐網(wǎng)；6—濾膜；7—抽氣接口可吸入顆粒物的測(cè)量飄塵是指大氣中粒徑（指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑）小于10μm的懸浮顆粒物，能在空氣中長(zhǎng)時(shí)間懸浮，它可以隨著呼吸侵入人體的肺部組織，故又稱為可吸入顆粒物。PM10是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10μm的顆粒物，也稱為可吸入顆粒物；PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm的顆粒物，也稱為細(xì)顆粒物，是衡量空氣質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)?？諝庵蠵M2.5含量很少，但它對(duì)空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)（例如重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大?？晌腩w粒物的測(cè)定可以采用二段可吸入顆粒物采樣器及天平等儀器通過撞擊式稱重法進(jìn)行測(cè)試，《室內(nèi)空氣中可吸入顆粒物衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T17095—1997）PM10顆粒物濃度檢測(cè)就是采用該方法，此外可以通過光散射粒子計(jì)數(shù)器來測(cè)定，PM2.5顆粒物濃度還可以采用β射線法檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試。1）二段可吸入顆粒物采樣器二段可吸入顆粒物采樣器由電路控制系統(tǒng)（定時(shí)顯示、控制電路和電源電路）和氣路采樣系統(tǒng)兩部分組成。氣路采樣系統(tǒng)由采樣頭、流量計(jì)、抽氣泵等組成，如REF_Ref18304\h圖3所示。二段可吸入顆粒物采樣器利用濾膜（濾紙）采集大氣中顆粒物，并配套不同系列切割器可采集PM10、PM5、PM2.5等多種顆粒物。將濾膜（濾紙）放在采樣夾上，根據(jù)采集的顆粒物粒徑選擇相應(yīng)的切割器，用抽氣泵通過濾膜（濾紙）抽入空氣，空氣中的懸浮顆粒物質(zhì)就被阻留在濾料上，不同系列的切割器工作流量往往不同，可通過流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，分析濾膜（濾紙）上被濃縮的顆粒物的含量，再除以采樣體積，即可計(jì)算出空氣中顆粒物濃度。用濾膜（濾紙）采集空氣中顆粒物質(zhì)，不僅靠直接阻擋作用，還有慣性沉降、擴(kuò)散沉降和靜電吸引等作用。在采樣過程中，這些作用所產(chǎn)生的影響與采樣流速、濾料性質(zhì)和氣溶膠的性質(zhì)有著密切關(guān)系。由于空氣中污染物并不是以單一狀態(tài)存在，而往往以多種狀態(tài)（如氣態(tài)和氣溶膠）共存在空氣中，這使得采樣和分析工作變得比較復(fù)雜。如對(duì)于顆粒物與氣體有害物共存的情況，一種最簡(jiǎn)單的處理方法是在濾料采樣夾后接上液體吸收管或填充柱采樣管，這樣顆粒物被收集在濾料上，而氣體有害物則收集在后面的吸收管或填充柱中。但是這種簡(jiǎn)單組合存在的主要問題是，采樣流量受后面的液體吸收管或填充柱的制約大，而顆粒物則需要一定的線速度才能采集下來，這樣由于流量匹配問題，往往使顆粒物采樣受到限制。為了解決用一種方法同時(shí)采集兩種狀態(tài)污染物的問題，就產(chǎn)生了所謂的綜合采樣方法，它是用浸漬試劑濾料、泡沫塑料、多層濾料以及環(huán)形擴(kuò)散管與濾料組合等采樣方法來同時(shí)采集兩種狀態(tài)有害物的。圖3氣路采樣系統(tǒng)示意圖采樣器現(xiàn)場(chǎng)采樣體積Vt等于采樣流量乘以采樣時(shí)間，可根據(jù)REF_Ref22942\h式（2）換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣體積Vn。 Vn=Vt×式中Vn——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的采樣體積，L或mVt——現(xiàn)場(chǎng)采樣體積，L或m3T0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的熱力學(xué)溫度，Kp0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓力，101.3kPap——采樣時(shí)的大氣壓力，kPa。再利用REF_Ref23173\h式（3）計(jì)算室內(nèi)空氣可吸入顆粒物的濃度 C=mVn式中C——可吸入顆粒物濃度，mg/m3；M——可吸入顆粒物的質(zhì)量，mg；Vn——換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的采樣空氣體積，m3二段可吸入顆粒物采樣器性能特點(diǎn)：（1）體積小，質(zhì)量輕，攜帶方便，采集多種顆粒物于一體。（2）一般采用無刷電機(jī)抽氣泵，長(zhǎng)期連續(xù)工作可靠性高，低噪音，使用壽命長(zhǎng)。（3）采集TSP、PM10、PM5、PM2.5于一體，切割器均采用鋁合金材質(zhì)，抗靜電吸附。（4）目前的產(chǎn)品，往往具有較高的智能化和互動(dòng)功能，有定時(shí)采樣、間隔采樣，多次采樣，循環(huán)采樣等多種采樣方式，能顯示記錄標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間，采樣時(shí)間，采樣次數(shù)，累計(jì)流量，瞬時(shí)流量，大氣壓力等多參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算采樣體積。目前，二段可吸入顆粒物采樣器適用于顆粒物采樣無人值守全天候工作，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)生防疫、勞動(dòng)保護(hù)、科研院校等部門進(jìn)行顆粒物濃度監(jiān)測(cè)。采樣器使用過程中應(yīng)注意：（1）采樣前，必須先將流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。（2）稱量空白及采樣后的濾紙時(shí)，采樣環(huán)境及操作步驟必須相同。（3）采樣時(shí)必須將采樣器部件旋緊，以免樣品空氣從旁側(cè)進(jìn)入采樣器。采樣器的流量計(jì)校準(zhǔn)一般采用皂膜流量計(jì)進(jìn)行，按REF_Ref31491\h圖4將流量計(jì)、皂膜計(jì)及抽氣泵連接進(jìn)行校準(zhǔn)，記錄皂膜計(jì)兩刻度線間的體積（mL）及通過的時(shí)間，體積按REF_Ref31412\h式（4）換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積（V，mL），以流量計(jì)的格數(shù)對(duì)流量作圖 Vs=VmP式中Vm——皂膜兩刻度線間的體積，Pb——大氣壓，kPaPv——皂膜計(jì)內(nèi)水蒸氣壓，kPaPs——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓力，kPaTs——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度，℃Tm——皂膜計(jì)溫度，K（273+圖4流量計(jì)的校準(zhǔn)連接示意圖1—肥皂液；2—皂膜計(jì)；3—安全瓶；4—濾膜夾；5—轉(zhuǎn)子流量計(jì)；6—流量調(diào)節(jié)閥；7—抽氣泵2）光散射粒子計(jì)數(shù)器空氣中微粒在光的照射下發(fā)生的光散射現(xiàn)象，和微粒大小、光波波長(zhǎng)、微粒的折射率和對(duì)光的吸收特性等因素有關(guān)，微粒散射光的強(qiáng)度正比于微粒的表面積。光散射式粒子計(jì)數(shù)器就是通過測(cè)定散射光的強(qiáng)度而得知微粒的大小。5是粒子計(jì)數(shù)器工作原理示意圖。來自光源的光線被透鏡組聚焦于測(cè)量區(qū)域，當(dāng)被測(cè)空氣中的每一個(gè)微?？焖俚赝ㄟ^測(cè)量區(qū)時(shí)，便把入射光線散射一次，形成一個(gè)光脈沖信號(hào)，這一信號(hào)經(jīng)透鏡組被送到光電倍增管陰極，正比地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)幅度的電脈沖信號(hào)，再經(jīng)過放大，通過計(jì)數(shù)系統(tǒng)顯示出來。電脈沖信號(hào)的高度反映微粒的大小，信號(hào)的數(shù)量反映微粒的個(gè)數(shù)。圖5粒子計(jì)數(shù)器工作原理示意圖1—光源；2—透鏡組；3—浮游微粒；4—檢定空間V=π5—光電倍增管；6—透鏡組；7—放大器粒徑與輸出電信號(hào)的關(guān)系是：d式中dp——微粒直徑，k——轉(zhuǎn)換系數(shù)；u——信號(hào)電平，mV；n——儀器系數(shù)，n=1.8～2.0。粒子計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)時(shí)顯示的微粒粒徑，稱為名義粒徑。它所代表的實(shí)際粒徑范圍，與標(biāo)定時(shí)所選擇的標(biāo)準(zhǔn)粒子粒徑有關(guān)。以普通光源為入射光的粒子計(jì)數(shù)器，對(duì)0.3μm以下的微粒靈敏度很低，只適于測(cè)定0.3μm以上的微粒，特別是0.5μm以上的微粒。激光粒子計(jì)數(shù)器，能夠測(cè)量的粒徑很小，有的可以測(cè)定0.09μm以上的微粒。白熾光計(jì)數(shù)器在采樣的濃度超過5000粒/L，激光計(jì)數(shù)器在采樣的濃度超過10000粒/cm2時(shí)，需要對(duì)采樣氣流加以稀釋，REF_Ref6842\h圖6為使用標(biāo)準(zhǔn)粒子標(biāo)定計(jì)數(shù)器時(shí)所用的稀釋系統(tǒng)原理圖。圖6有混合器和緩沖器的稀釋系統(tǒng)原理圖1—流量計(jì)：2—混合器；3—流量計(jì)：4—粒子計(jì)數(shù)器；5—緩沖器；6——閥門3）β射線法檢測(cè)儀β射線法檢測(cè)儀由氣體采樣系統(tǒng)、濾膜傳輸系統(tǒng)、射線檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。環(huán)境空氣由采樣真空泵吸入采樣管（REF_Ref2217\h圖7），采樣頭加熱器控制受測(cè)量氣流的濕度相對(duì)穩(wěn)定在合適測(cè)量水平（35%以下），以減少環(huán)境濕度對(duì)顆粒物檢測(cè)結(jié)果的影響；樣品氣體經(jīng)過濾膜后排出，顆粒物沉淀在濾膜上。濾膜兩側(cè)分別設(shè)置了β射線源（HC）和β射線檢測(cè)器。當(dāng)β射線通過沉積著顆粒物的濾膜時(shí)，β射線的能量衰減，通過對(duì)衰減量的測(cè)定便可依據(jù)REF_Ref2406\h式（5）計(jì)算出顆粒物的濃度，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、打印及遠(yuǎn)傳。 C=AμmVln式中C——PM2.5的質(zhì)量濃度，mg/m3；I0，I1——分別為采樣前后的濾膜質(zhì)量，A——探測(cè)面積，cm2；μm——質(zhì)量吸收系數(shù)，mg/cm2V——換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0℃、101.3kPa）的采樣體積，m3。依據(jù)β射線法檢測(cè)儀測(cè)量范圍為0～10mg/m3，精確度為±2%，儀器操