环境监测技术

环境监测技术课件第1页，课件共61页，创作于2023年2月第二章大气环境监测

2.1大气痕量气体的污染与监测

第2页，课件共61页，创作于2023年2月2.1.1SO2的污染与监测1）SO2能通过呼吸进入气管，对局部组织产生刺激和腐蚀作用，是诱发支气管炎等疾病的原因之一，特别是当它与烟尘等气溶胶共存时，可加重对呼吸道粘膜的损害。2）SO2自动监测方法：紫外荧光检测仪利用脉冲化的紫外光（190-230nm）激发SO2分子，激发态SO2分子返回基态时发射出特有的荧光，由光电倍增管将荧光信号转换成电信号，通过电压/频率转换成数字信号送给CPU进行数据处理。第3页，课件共61页，创作于2023年2月2.1.2NOx的污染与监测TextTextNOx的测定TextText盐酸萘乙二胺分光光度法化学发光自动监测法原电池库伦滴定法第4页，课件共61页，创作于2023年2月

盐酸萘乙二胺分光光度法是利用冰醋酸、对氨基苯磺酸和盐酸萘乙二胺配成吸收液，采样时，大气中的NOx经氮化管后以NO2形式被吸收，生成亚硝酸和硝酸。亚硝酸与对氨基苯磺酸起重氮化反应，然后再与盐酸萘乙二胺耦合成玫瑰红色的偶氮化合物，其颜色深浅与气样中NO2浓度成正比，然后，用分光光度法进行测定。第5页，课件共61页，创作于2023年2月第6页，课件共61页，创作于2023年2月化学发光法是基于NO被O3氧化成激发态NO2*,当其返回基态时，放出与NO浓度成正比例的光，用红敏光电倍增管接收可测出NO的浓度。对于总氮氧化物NOx的测定，需先将NO2通过钼催化剂（315℃）还原成NO，再与O3反应进行测定。第7页，课件共61页，创作于2023年2月NOx对人体的危害NO通过气管和肺进入血液中后，会与红血球发生反应对血液产生毒害，同时，它会作用于人体中枢神经系统而产生麻痹作用，引起痉挛、运动失调。NO2是剧毒的氧化剂，能侵入到肺脏伸出及肺毛细血管，数小时便能引起肺水肿，或持续性闭塞性支气管炎而致死。TextText第8页，课件共61页，创作于2023年2月2.1.3CO的监测CO的国标测定方法为GB9801-88，为非分散红外线吸收法。当CO其他分子受到红外光(1-25μm)照射时，将吸收自己特征特长的红外光，从而引起分子振动能级和转动能级的跃迁，产生振-转吸收光谱。在一定浓度范围内，吸收光谱的峰值与气态物质浓度之间符合郎伯-比尔定律，因此，可通过测定吸光度确定气态物质的浓度。第9页，课件共61页，创作于2023年2月

2.1.4大气中O3的监测化学发光法硼酸碘化钾法靛蓝二磺酸钠法紫外吸收法化学发光法大气O3的测定方法O3浓度较高时，会刺激粘膜和损害中枢神经系统，引起支气管炎和头痛等症状。在紫外线的作用下，O3参与烃类和NOx的光化学反应形成光化学烟雾。第10页，课件共61页，创作于2023年2月硼酸碘化钾分光光度法：是利用硼酸碘化钾吸收液吸收O3等氧化剂，析出碘分子，根据测定碘的量，计算O3浓度。

O3+2I-+2H+I2+O2+H2O靛蓝二磺酸钠分光光度法：

O3在磷酸盐缓冲剂存在下，与吸收液中黄色的靛蓝二磺酸钠等量反应后，褪色生成靛红二磺酸钠，然后在610nm处测定吸光度。第11页，课件共61页，创作于2023年2月紫外分光光度法臭氧对254nm波长的紫外光有特征吸收，由光检测器检测进入气路系统的光强度变化值，从而计算出样品气体中臭氧的浓度。化学发光法气体被连续抽进仪器的反应室与乙烯反应产生激发态的甲醛(HCHO*)，当HCHO*回到基态时，放出的光子被光电倍增管接受，转变为电流，经放大后测量，其大小与O3浓度成正比，即可计算出O3浓度。第12页，课件共61页，创作于2023年2月2.2大气中颗粒物的污染与监测

第13页，课件共61页，创作于2023年2月大气气溶胶（Aerosol）、大气颗粒物（Particulates）定义大气颗粒物

颗粒物的外观颗粒物的粒径颗粒物的来源颗粒物对环境、气候和人体的影响颗粒物的化学组成2.2.1大气颗粒物定义和性质第14页，课件共61页，创作于2023年2月大气颗粒物定义大气气溶胶人类赖以生存的环境大气,实际上就是由各种固体或液体微粒均匀地分散在空气中形成的一个庞大分散体系,即大气气溶胶体系。大气颗粒物大气气溶胶体系中分散的各种粒子称为大气颗粒物。颗粒物的粒径范围为0.001~100μm。第15页，课件共61页，创作于2023年2月颗粒物外观颗粒物的形状很复杂，液体颗粒物近似球形，固体颗粒物形状不规则，有球状、片状、柱状、结晶体、针状等。第16页，课件共61页，创作于2023年2月颗粒物的外观燃煤及机动车尾气排放烟尘基本形：球形、椭球形，粒径为50~100nm左右的超细粒子，烟尘集合体从较小的链状到较大的“蓬松状”。燃煤飞灰粒径从几百纳米到几微米，圆球形，表面光滑，表面可吸附超细颗粒物或二次颗粒物。矿物颗粒一次矿物扬尘具有不规则形态，二次大气化学反应形成的矿物颗粒以长条状石膏矿物为代表。生物颗粒物（特殊形态）第17页，课件共61页，创作于2023年2月图1北京大气中典型颗粒物显微相貌（Shietal,2003）(a)烟尘集合体,(bar:5μm)；(b)湿态烟尘聚集体,(bar:1μm)；(c)燃煤飞灰，(bar:500nm)；(d)表面沾附有细颗粒物的燃煤飞灰，(bar:500nm)；(e)不规则状矿物颗粒，(bar:2μm)；(f)长条状石膏颗粒，(bar:2μm)；(g)条状石膏颗粒，(bar:2μm)；(h)生物质颗粒,(bar:200nm)；(i)生物质颗粒,(bar:3μm)。第18页，课件共61页，创作于2023年2月颗粒物粒径采用等效直径的方法度量颗粒物的粒径；

当标准颗粒物和不规则颗粒物表现出相同的物理测定性能，如体积、光散射性能或空气动力学效应时，我们就认为我们测定的不规则颗粒物的粒径等同于那个规则的颗粒物，即采用规则颗粒物的粒径来代替和表示不规则颗粒物的粒径。颗粒物的粒径是一个粒子群的统计概念，不是指单个粒子的粒径。第19页，课件共61页，创作于2023年2月颗粒物的粒径几何粒径(Geometricalsize)

如果所研究的不规则形状粒子的体积与直径为Dp的球形粒子体积相同,则定义Dp为所研究粒子的体积等效粒径或几何粒径。光学等效粒径(Opticalsize)

如果所研究的不规则形状粒子的体积与直径为Dp的球形粒子具有相同的光散射能力,则定义Dp为所研究粒子的光学等效粒径。空气动力学粒径(Aerodynamicsize)第20页，课件共61页，创作于2023年2月空气动力学粒径在气流中，如果所研究的不规则形状粒子与直径为Dp球形粒子（具有单位密度）的空气动力学效应相同，则定义所研究粒子的空气动力学粒径为Dp。

de=5.0μm ds=4.3μm da=8.6μm=4g/cm3 =4g/cm3 =1g/cm3Vs=0.22cm/s Vs=0.22cm/s

Vs=0.22cm/s第21页，课件共61页，创作于2023年2月空气动力学粒径反映粒子大小与沉降速率的关系，直接表达出粒子的性质和行为，如粒子在空气中的停留时间，以及不同大小的粒子在人体呼吸道中的沉积部位。根据惯性原理设计的撞击式测量仪器所测量的粒子直径就是空气动力学粒径。图2大气采样设备采集颗粒物的基本原理第22页，课件共61页，创作于2023年2月不同粒径颗粒物的分类

按粒径的大小，气溶胶颗粒物可分为以下几类：总悬浮颗粒物（Totalsuspendedparticulates,TSP,0.003~100μm)飘尘（＜10μm)降尘（＞30μm)可吸入颗粒物（PM10）细粒子（PM2.5)

第23页，课件共61页，创作于2023年2月颗粒物来源第24页，课件共61页，创作于2023年2月颗粒物的来源天然来源植物碎片、植物花粉、岩石风化、地表扬尘、火山运动、海洋飞沫等；人为来源交通排放、工业生产、燃煤、农业燃烧等；一次来源由排放源直接排放到大气中的颗粒物；二次来源在大气中气体组分通过化学反应生成的颗粒物。

第25页，课件共61页，创作于2023年2月颗粒物对环境、气候、

人类健康的影响第26页，课件共61页，创作于2023年2月对大气能见度的影响03/11/20032:15pm@TC:RSP100mg/m3FSP57mg/m302/11/20032:15pm@TC:RSP342mg/m3FSP295mg/m301/11/20032:15pm@TC:RSP190mg/m3FSP148mg/m3第27页，课件共61页，创作于2023年2月颗粒物降低大气可见度的原理物体的能见度和颗粒物的反射光与背景散射光的对比有关（2vs3）。颗粒物降低大气可见度的原因在于颗粒物的存在增加了背景散射光（1），同时物体的反射光因颗粒物散射而降低（4）。图3：颗粒物散射降低大气可见度原理第28页，课件共61页，创作于2023年2月对气候的影响气溶胶颗粒物对日光的散射降低了地表对日光的吸收；气溶胶颗粒物可作为云凝结核(CloudConcentrationNuclei,CCN)，CCN的存在使得云和雾更容易生成,影响全球的降水分布和提高了对日光的返照率；第29页，课件共61页，创作于2023年2月对气候的影响气溶胶中黑碳（EC，ElementalCarbon）和矿物质的存在可吸收阳光辐射，提高大气温度，改变大气运动规律。第30页，课件共61页，创作于2023年2月Inrecentdecades,therehasbeenatendencytowardincreasedsummerfloodsinsouthChina,increaseddroughtinnorthChina,andmoderatecoolinginChinaandIndiawhilemostoftheworldhasbeenwarming.Weusedaglobalclimatemodeltoinvestigatepossibleaerosolcontributionstothesetrends.Wefoundprecipitationandtemperaturechangesinthemodelthatwerecomparabletothoseobservediftheaerosolsincludedalargeproportionofabsorbingblackcarbon(“soot”),similartoobservedamounts.Absorbingaerosolsheattheair,alterregionalatmosphericstabilityandverticalmotions,andaffectthelargescalecirculationandhydrologiccyclewithsignificantregionalclimateeffects.

--Menonetal.,2002.Science297,2250-2253第31页，课件共61页，创作于2023年2月细颗粒物可以深入到人体呼吸系统!EntervianoseormouthPenetrationpastlarynxPenetrationpastTerminalbronchioles第32页，课件共61页，创作于2023年2月正常的巨噬细胞和线粒体细颗粒物侵入的巨噬细胞和线粒体Nel,2005.Science308,804-806第33页，课件共61页，创作于2023年2月颗粒物的化学组成第34页，课件共61页，创作于2023年2月大气气溶胶的化学组成无机二次离子(SO42-,NO3-,NH4+)有机碳(OrganicCarbon,OC)无机碳(ElementalCarbon,EC)地壳类物质(CrustalMatters,Al,Si,Ca,Fe,Mg)海盐(Na+,Cl-)其它痕量元素(Mn,Cr,Pb,Se,Ni,V,Zn,Cu等)第35页，课件共61页，创作于2023年2月CombustionProcessEmissionsprimaryOC-ECH2OSO2EmissionsGas-PhasePhotochemistryPrimaryH2SO4H2SO4S(IV)H+,SO42-,HSO4-,H2SO4NH4+,OH-NH3NH3EmissionsprimaryOC–ECDust,flyashmetalsNO3-,H+Gas-PhasePhotochemistryNOxEmissionsHNO3Dust,FlyAshEmissionsCa2+,Mg2+,Fe3+,etc.SecondaryOCNa+Cl-HClHClemissionsCondensibleOrganicsGas-PhasePhotochemistryGaseousOrganicsEmissionsSea-SaltEmission第36页，课件共61页，创作于2023年2月一个实例:图4北京市清华大学采样点PM2.5颗粒物组成分析(Heetal,2001)TotalPM2.5=129μg·m-3第37页，课件共61页，创作于2023年2月Sources:a)HongKong,Louieetal.,2005;b)California,Christoforouetal.,2000.a)b)Introduction

–ChemicalComposition第38页，课件共61页，创作于2023年2月ImpactsoffineparticlesRecognizingtheadverseimpactsoffineparticles.USEPAestablishednewairqualitystandardsoffineparticles(PM2.5):Dailystandard:65μgm-3Annualstandard:15μgm-3第39页，课件共61页，创作于2023年2月a)b)HydrophobicWater-solublen-alkanesdicarboxylicacidsn-alkanoicacidsglyoxalditerpenoicacidsketoacidsaromaticpolycarboxylicacidspolyolsn-alkanolshydroxyaminespolycyclicaromatichydrocarbonsaminoacidspentacyclictriterpanesnitrophenols……Organicmatterinfineparticlesareaverycomplexmixtureofhundredstothousandsofcompoundsincluding:Introduction

–ChemicalComposition第40页，课件共61页，创作于2023年2月Toxicpollutantsfoundinfineparticles

Heavymetals

PAHs

Phthalateesters

Pesticides

Dioxins

……Impactsofparticles–Healthimpact第41页，课件共61页，创作于2023年2月2.2.2

大气颗粒物采集、分析与测定第42页，课件共61页，创作于2023年2月Samplingsysteminclude:SamplingSystemIntakeandTransferSystemCollectionSystemFlowMeasuringSystemAirMovingSystem第43页，课件共61页，创作于2023年2月SamplingSystem–Collection

Filtrationmechanisms第44页，课件共61页，创作于2023年2月PM10sampler–ImpactorSamplingSystem–Sizeselectivesampler第45页，课件共61页，创作于2023年2月Penetration(%)PoorslopeperformanceatthesameD50Slope=(D84/D16)0.5D84D16SamplingSystem–SizeselectivesamplerEfficiencyofanimpactor第46页，课件共61页，创作于2023年2月CascadeImpactorSamplingSystem–Sizeselectivesampler第47页，课件共61页，创作于2023年2月MOUDI(Micro-OrificeUniformDepositImpactor)Theseimpactorshavesharpcut-pointcharacteristics,withthecut-pointdiameterdividedintofourequalgeometricalincrementsperdecadeofparticlesize.Model100(8-stage)MOUDI:18,10,5.6,3.2,1.8,1.0,0.56,0.32,0.18µmModel110(10-stage)impactor:18,10,5.6,3.2,1.8,1.0,0.56,0.32,0.18,0.10,0.056µmSamplingSystem–Sizeselectivesampler第48页，课件共61页，创作于2023年2月CyclonesamplerFIGURE

FlowpatternsinacyclonecollectorParticleladenairisforcedtoundertakemanycircularmotionsinsidethecyclone.Heavyparticlescannotfollowthetrajectoryandthereforehittheinternalsurfaceofthecyclone.Smallerparticlesleavethecyclone.TangentialinletSamplingSystem–Sizeselectivesampler第49页，课件共61页，创作于2023年2月DichotomousvirtueimpactorMajorflowconcentratedinsmallparticlesMinorflowconcentratedinlargeparticlesSamplingSystem–SizeselectivesamplerAnorifice,providingabarriertotheflow,actasan“impactor”.Dichotomoussampler,showingthefineparticle(2.5μmoutpoint)virtualimpactionstage第50页，课件共61页，创作于2023年2月Virtual–becausethereisanabsenceofaphysicalimpactionsurface.Majorflowcarryingsmallerparticlesandminorflowcarryinglargerparticleswithasmallfractionofthesmallerparticleswhichtravelalongtheaxisoftheorifice.Thevirtualimpactoralsoactsasaconcentratorforlargeparticlessincesmallerparticlespredominantlyareinthemajorflow(90%oforiginalflowrate).Mostofthelargerparticlesareintheminorflow(10%)now.DichotomousvirtueimpactorSamplingSystem–Sizeselectivesampler第51页，课件共61页，创作于2023年2月大气颗粒物质量浓度的确定大气颗粒物的质量浓度一般通过称重法得到。采样前和采样后，滤膜均需在相对湿度为50±5%和温度为2