大气颗粒物理化特性在线监测技术研究

刘震

【摘 要】经济发展速度过快，造成了产业结构不合理，一些污染的防治也处于初级阶段，环境质量不太乐观，大气污染仍然较为严重。大气颗粒物理化特性的在线监测能根据国家环境空气质量的标准发布空气状况，也能掌握大气颗粒物的特点。论文阐述了常见的集中大气颗粒物理化特性在线监测技术，为后续大气污染的控制工作提供必要的参考。

【Abstract】The speed of economic development is too high， resulting in irrational industrial structure， and some prevention and control of pollution is also in the initial stage， the quality of the environment is not optimistic， the air pollution is still relatively serious. The on-line monitoring of the physical characteristics of atmospheric particles can release air conditions according to the national standard of ambient air quality， and also can grasp the characteristics of atmospheric particulates. This paper expounds the common on-line monitoring technique of the physical characteristics of concentrated atmospheric particles， which provides the necessary reference for the control of atmospheric pollution in the future.

【关键词】大气颗粒物；质量浓度；化学组成；在线监测

【Keywords】atmospheric particulates； mass concentration； chemical composition； on-line monitoring

【中图分类号】P414 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0136-02

1 粒径切割与分级技术

常见的粒径包括了空气动力学粒径、迁移粒径和光学粒径。在离心力原理的指导下，借助旋风分离器切割颗粒物，颗粒粒径的冲击惯性不同，在冲击原理的指导下，得到不同切割粒径的颗粒物，最后通过电迁移粒径筛分仪。粒径的电迁移性和气体性质、电荷、尺寸等相关，不过和密度这一参数无关，在层流影响下，能筛选不同粒径的颗粒物，这一方式主要在超细颗粒物离线采样中加以应用。在一定的波长激光影响下，颗粒物的属性有所不同，反演得到颗粒物的粒径，对其进行筛分，确定粒径的分布，这也是分级技术的体现。

2 物理特性在线监测技术

2.1 质量浓度

微震荡天平法借助微量震荡天平原理，让锥形元件在特定流量环境下震荡，分析其物理特性和各项质量参数。通过采樣泵和质量流量计让流量恒定，在固定时间间隔内测量震荡频率，能计算相应的颗粒物含量，确定颗粒物浓度。这种方式的准确性会受到多种因素的影响，在具体使用的时候，需要借助补偿模块，补偿易挥发颗粒物组分质量。

β射线法能借助β射线测量颗粒物的质量浓度，通过颗粒物时β射线会被吸收掉，在能量不变的前提下，被吸收的β射线量就是颗粒物的质量。在测量过程中，借助切割器，negative将颗粒物集中在滤膜上，测量β射线的透过强度，计算空气中颗粒物质量浓度。β射线属于低能射线，安全性能较高，而且半衰期时间较长，稳定性较好。

光散射法测量质量是在微粒散射的基础上进行测量的，光在通过颗粒物的过程中，会展现出光能衰减的状态，这样就可以衡量光波长或者颗粒的质量。光散射法的光源较多，在切割器的配合下，可以测量可吸入颗粒物和细颗粒物浓度。

2.2 数浓度

借助空气动力学颗粒物数谱仪可以加速气溶胶的采样气流，不同粒径的颗粒在惯性的作用下产生的加速度，通过检测器的时间也会有细微的差别，通过测量这一差别，与颗粒物的粒径进行对应，确定大气颗粒物浓度，目前我国的精密机械研究所也研究出了此类仪器，逐渐投入使用。

颗粒物光学计数器主要是测量单个颗粒物，通过散射光线数量确定粒径大小，光线转化为电信号，确定颗粒物的尺寸分布，利用这种方式能监测大气颗粒物的粒径和数浓度。测量过程中，大气颗粒物的光学性质直接影响到测量结果，目前我国已经研发出了相应的光学粒子计数器。

颗粒物凝结计数器能监测特定粒径范围内的所有大气颗粒物数浓度，大气颗粒物通过蒸汽云雾室后进入到冷凝室，在短时间内颗粒物迅速生长，能被激光检测出来，通过激光束脉冲就可以测量大气颗粒物的个数，由于冷凝液的温度控制较为困难，以致操作过程变得更加复杂。

法拉第筒静电颗粒物计数器能让粒径在分级后进入法拉第筒内，然后进行计数处理，这一方法并不需要控制温度，也不会受到大气颗粒物的粒径限制，只会受到筛分仪的影响。

2.3 吸湿性和挥发性

吸湿性和挥发性的在线监测可以测量特定状态下气溶胶性质，在不同湿度下的增长情况、挥发性。大气颗粒物样品首先经过筛选，在湿化器中长大，颗粒物发生潮解，然后进行分级处理，展现不同的吸湿性。这一系统流量和相对湿度会在传感器的调解下保持稳定。

3 化学组分在线测量技术

3.1 直接测量

借助阴阳离子色谱进行在线分析，样品进入到监测装置之前，分离酸碱性的气态污染物，然后进行扩散分离，气体分子和颗粒物本身的惯性和扩散性都有着较大的差异，气溶胶会被液化收集起来，然后得到大气颗粒物的浓度。这一方式在在线监测中不仅可以监测大气颗粒物的浓度，也能监测其他污染气体浓度，监测效果较好。

光热法测量碳含量，将大气颗粒物样品采集之后，借助石英滤膜来让其升温挥发，然后在混合环境中升温处理，之后分解为气态氧化物，收集定量监测，光的强度发生变化，透射光也会相应改变。

在气溶胶光吸收特性不同的基础上，借助炭黑监测仪中的光度计，来测量反射效果，确定颗粒物对光的吸收和散射状态。充分考虑发射迁移理论，颗粒物气溶胶内部会发生多级反射，确定最终浓度。同样也可以通过激光、白炽光等方式，强光照射炭黑升温，然后发光，颗粒物通过其中，计算光频率、强度、散射等多种参数，最终确定大气颗粒物浓度。

在线质谱仪是对大气颗粒物进行监测的重要方式，借助气溶胶质谱仪将大气颗粒物进行聚焦处理，成为粒子束，进入到高真空舱，泵的流速不同，在特定的条件下，可以发挥其挥发性，然后在高能电子的作用下改变状态，从而根据其质谱分析化学成分。在空气动力学的指导下，粒径通过颗粒物的时间不同，相应的化学组成成分也会有所差别，一般都可以对大气颗粒物进行在线监測，测量颗粒物的化学成分。通过实践应用效果也可以看出，这一技术能将大气颗粒物进行沉降、热分解、碰撞等多方面处理，借助质谱来分析颗粒物的成分，分级之后也能更容易量出浓度，时间分辨率较高。

3.2 间接推测

分析大气颗粒物本身的理化特性，包括吸湿性、挥发性、增长因子等，能间接推断出细颗粒物的化学组成。根据大气颗粒物样本的增长因子与实验室中标准数值进行对比分析，确定大气颗粒物的化学成分。

3.3 单颗粒理化特性监测

单颗粒理化特性在线检测主要是在单颗粒飞行时间质谱的指导下，借助空气力学理论，双光束照射气溶胶，确定大气颗粒物浓度，然后利用质谱原理确定颗粒物的分子组成和分子量。借助这一方式，也生产了相关的仪器，实现了商业化运作。

单颗粒炭黑光度计能测量颗粒物中的炭黑质量浓度和粒径分布，借助强光照射升温汽化，发生白炽光，然后分析辐射强度，确定炭黑含量，最终得到炭黑浓度，这一方式测量的大气颗粒物浓度，灵敏度较高，测量结果准确，而且监测速度较快。

4 结语

综上所述，监测大气颗粒物的理化特性，能更好地测量大气颗粒物浓度，以便能针对性地制定相应的控制手段缓解环境问题。目前国际中常用的是光散射法和β射线法相结合来在线监测大气颗粒物浓度。国内对数浓度及其粒径谱分布监测还处于初期发展阶段，个别单位研发的设备得到了较好的科技成果，但是还没有推广。发展前景较好的方式为在线离子谱测量，技术较为成熟，可以实现商业化生产。

【参考文献】

【1】白凯杰，姚顺春，陆继东，等.LIBS直接测量颗粒流的粒径效应及其修正方法研究[J].光学学报，2016（12）：1-13.

【2】谈静，刘琼玉，姜郡亭，等.大气颗粒物化学组分分析技术研究进展[J].江汉大学学报（自然科学版），2014（06）：9-14.