《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-27空气含尘浓度测试仪器

空气含尘浓度测试仪器总悬浮颗粒的测量2016年1月1日起实施的《环境空气质量标准》（GB3095—2012）中所称的“总悬浮颗粒物”（TotalSuspendedParticulateTSP），是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于100μm的颗粒物。总悬浮颗粒测定一般采用如REF_Ref10991\h图1所示TSP采样器，该采样器由采样管、采样夹、流量计及采样泵组成。采样前，旋开已经校准过流量的采样器的采样夹（REF_Ref11030\h图2），用镊子将已称重过的滤膜安放在采样夹中。安放时滤膜的绒毛面向上，滤膜应经过光照检查，不允许有针孔、颗粒状异物或其他缺陷。滤膜不允许折叠。每张滤膜上要编号。采样时，采样器一般放置1～1.5m的高台上。启动采样泵，以稳定流量抽取一定体积的空气通过恒重滤膜，空气中的悬浮颗粒被阻留在滤膜上。采样结束后，取下滤膜。取下的滤膜可按照长方向对叠，使尘埃面朝里，放入滤膜册内保存。在与采样前相同的环境下，放置24h，称量至恒重。利用采样前后滤膜重量之差及采样体积，即可计算总悬浮颗粒TSP的计重浓度。 TSV=WVn∙式中TSV——总悬浮颗粒，mg/m³；W——阻留在滤膜上的TSP重量，mg；Vn——标准状态下的采样流量，m³/minT——采样时间，min。图1中流量TSP采样器图SEQ图\*ARABIC\s32颗粒物采样夹1—流量计；2—调节阀；3—采样泵；4—消声器；5—采样管；6—采样头1—底座；2—紧箍圈；3—密封圈；4—接座圈；5—支撑网；6—滤膜；7—抽气接口可吸入颗粒物的测量飘尘是指大气中粒径（指空气动力学当量直径）小于10μm的悬浮颗粒物，能在空气中长时间悬浮，它可以随着呼吸侵入人体的肺部组织，故又称为可吸入颗粒物。PM10是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物，也称为可吸入颗粒物；PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，也称为细颗粒物，是衡量空气质量的一个重要指标。空气中PM2.5含量很少，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。可吸入颗粒物的测定可以采用二段可吸入颗粒物采样器及天平等仪器通过撞击式称重法进行测试，《室内空气中可吸入颗粒物卫生标准》（GB/T17095—1997）PM10颗粒物浓度检测就是采用该方法，此外可以通过光散射粒子计数器来测定，PM2.5颗粒物浓度还可以采用β射线法检测仪进行测试。1）二段可吸入颗粒物采样器二段可吸入颗粒物采样器由电路控制系统（定时显示、控制电路和电源电路）和气路采样系统两部分组成。气路采样系统由采样头、流量计、抽气泵等组成，如REF_Ref18304\h图3所示。二段可吸入颗粒物采样器利用滤膜（滤纸）采集大气中颗粒物，并配套不同系列切割器可采集PM10、PM5、PM2.5等多种颗粒物。将滤膜（滤纸）放在采样夹上，根据采集的颗粒物粒径选择相应的切割器，用抽气泵通过滤膜（滤纸）抽入空气，空气中的悬浮颗粒物质就被阻留在滤料上，不同系列的切割器工作流量往往不同，可通过流量调节阀进行调节，分析滤膜（滤纸）上被浓缩的颗粒物的含量，再除以采样体积，即可计算出空气中颗粒物浓度。用滤膜（滤纸）采集空气中颗粒物质，不仅靠直接阻挡作用，还有惯性沉降、扩散沉降和静电吸引等作用。在采样过程中，这些作用所产生的影响与采样流速、滤料性质和气溶胶的性质有着密切关系。由于空气中污染物并不是以单一状态存在，而往往以多种状态（如气态和气溶胶）共存在空气中，这使得采样和分析工作变得比较复杂。如对于颗粒物与气体有害物共存的情况，一种最简单的处理方法是在滤料采样夹后接上液体吸收管或填充柱采样管，这样颗粒物被收集在滤料上，而气体有害物则收集在后面的吸收管或填充柱中。但是这种简单组合存在的主要问题是，采样流量受后面的液体吸收管或填充柱的制约大，而颗粒物则需要一定的线速度才能采集下来，这样由于流量匹配问题，往往使颗粒物采样受到限制。为了解决用一种方法同时采集两种状态污染物的问题，就产生了所谓的综合采样方法，它是用浸渍试剂滤料、泡沫塑料、多层滤料以及环形扩散管与滤料组合等采样方法来同时采集两种状态有害物的。图3气路采样系统示意图采样器现场采样体积Vt等于采样流量乘以采样时间，可根据REF_Ref22942\h式（2）换算为标准状态下的采样体积Vn。 Vn=Vt×式中Vn——标准状况下的采样体积，L或mVt——现场采样体积，L或m3T0——标准状况下的热力学温度，Kp0——标准状况下的大气压力，101.3kPap——采样时的大气压力，kPa。再利用REF_Ref23173\h式（3）计算室内空气可吸入颗粒物的浓度 C=mVn式中C——可吸入颗粒物浓度，mg/m³；M——可吸入颗粒物的质量，mg；Vn——换算成标准状况下的采样空气体积，m³二段可吸入颗粒物采样器性能特点：（1）体积小，质量轻，携带方便，采集多种颗粒物于一体。（2）一般采用无刷电机抽气泵，长期连续工作可靠性高，低噪音，使用寿命长。（3）采集TSP、PM10、PM5、PM2.5于一体，切割器均采用铝合金材质，抗静电吸附。（4）目前的产品，往往具有较高的智能化和互动功能，有定时采样、间隔采样，多次采样，循环采样等多种采样方式，能显示记录标准时间，延时时间，采样时间，采样次数，累计流量，瞬时流量，大气压力等多参数，自动计算采样体积。目前，二段可吸入颗粒物采样器适用于颗粒物采样无人值守全天候工作，广泛应用于环境监测、卫生防疫、劳动保护、科研院校等部门进行颗粒物浓度监测。采样器使用过程中应注意：（1）采样前，必须先将流量计进行校准。（2）称量空白及采样后的滤纸时，采样环境及操作步骤必须相同。（3）采样时必须将采样器部件旋紧，以免样品空气从旁侧进入采样器。采样器的流量计校准一般采用皂膜流量计进行，按REF_Ref31491\h图4将流量计、皂膜计及抽气泵连接进行校准，记录皂膜计两刻度线间的体积（mL）及通过的时间，体积按REF_Ref31412\h式（4）换算成标准状况下的体积（V，mL），以流量计的格数对流量作图 Vs=VmP式中Vm——皂膜两刻度线间的体积，Pb——大气压，kPaPv——皂膜计内水蒸气压，kPaPs——标准状态下压力，kPaTs——标准状态下温度，℃Tm——皂膜计温度，K（273+图4流量计的校准连接示意图1—肥皂液；2—皂膜计；3—安全瓶；4—滤膜夹；5—转子流量计；6—流量调节阀；7—抽气泵2）光散射粒子计数器空气中微粒在光的照射下发生的光散射现象，和微粒大小、光波波长、微粒的折射率和对光的吸收特性等因素有关，微粒散射光的强度正比于微粒的表面积。光散射式粒子计数器就是通过测定散射光的强度而得知微粒的大小。5是粒子计数器工作原理示意图。来自光源的光线被透镜组聚焦于测量区域，当被测空气中的每一个微粒快速地通过测量区时，便把入射光线散射一次，形成一个光脉冲信号，这一信号经透镜组被送到光电倍增管阴极，正比地转换成相应幅度的电脉冲信号，再经过放大，通过计数系统显示出来。电脉冲信号的高度反映微粒的大小，信号的数量反映微粒的个数。图5粒子计数器工作原理示意图1—光源；2—透镜组；3—浮游微粒；4—检定空间V=π5—光电倍增管；6—透镜组；7—放大器粒径与输出电信号的关系是：d式中dp——微粒直径，k——转换系数；u——信号电平，mV；n——仪器系数，n=1.8～2.0。粒子计数器在计数时显示的微粒粒径，称为名义粒径。它所代表的实际粒径范围，与标定时所选择的标准粒子粒径有关。以普通光源为入射光的粒子计数器，对0.3μm以下的微粒灵敏度很低，只适于测定0.3μm以上的微粒，特别是0.5μm以上的微粒。激光粒子计数器，能够测量的粒径很小，有的可以测定0.09μm以上的微粒。白炽光计数器在采样的浓度超过5000粒/L，激光计数器在采样的浓度超过10000粒/cm2时，需要对采样气流加以稀释，REF_Ref6842\h图6为使用标准粒子标定计数器时所用的稀释系统原理图。图6有混合器和缓冲器的稀释系统原理图1—流量计：2—混合器；3—流量计：4—粒子计数器；5—缓冲器；6——阀门3）β射线法检测仪β射线法检测仪由气体采样系统、滤膜传输系统、射线检测系统、控制系统和显示系统组成。环境空气由采样真空泵吸入采样管（REF_Ref2217\h图7），采样头加热器控制受测量气流的湿度相对稳定在合适测量水平（35%以下），以减少环境湿度对颗粒物检测结果的影响；样品气体经过滤膜后排出，颗粒物沉淀在滤膜上。滤膜两侧分别设置了β射线源（HC）和β射线检测器。当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β射线的能量衰减，通过对衰减量的测定便可依据REF_Ref2406\h式（5）计算出颗粒物的浓度，对计算结果进行显示、存储、打印及远传。 C=AμmVln式中C——PM2.5的质量浓度，mg/m3；I0，I1——分别为采样前后的滤膜质量，A——探测面积，cm²；μm——质量吸收系数，mg/cm²V——换算成标准状态下（0℃、101.3kPa）的采样体积，m3。依据β射线法检测仪测量范围为0～10mg/m³，精确度为±2%，仪器操