β射线式PM2.5测量仪的挥发性颗粒物的一种补偿方案

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目前β射线法加动态加热系统的PM2． 5连续监测仪缺少挥发性颗粒物补偿措施，造成挥发性颗粒物在采样加热过程中丢失，从而导致测量结果存在偏差．针对这一问题，利用冲击采样原理，在理论计算的基础上设计了一种挥发性颗粒物连续补偿测量装置．该补偿测量装置设计为A、B 双通道的三级冲击式采样器可实现颗粒物粒径为10μm、5μm 和2． 5μm 的冲击采样，采集的挥发性颗粒物由石英晶体微天平直接测量，并采用加热的方式结合双通道的设计实现连续的采样测量功能
1 挥发性颗粒物补偿测量的必要性
空气中PM2． 5的含量相对较少，只有μg /m3 的量级，而水分对β射线的吸收较为敏感，采样室内外的温差可能导致空气中的水分凝结，附在滤膜和颗粒物上，从而使得测量结果偏高，这种影响在环境相对湿度较高的时候尤为明显．所以基于β射线法的颗粒物监测仪都配有动态加热系统，用以调节采样温湿度．而PM2． 5的组成成分复杂，其中不乏挥发性成分，如硝酸铵及其他有机挥发物，在采样加热时会使其中的挥发性成分挥发而无法被滤膜截留，从而造成颗粒物丢失，使得测量结果偏低，在环境温度较低情况下由于加热而损失的挥发性颗粒物将更多．有报道对比低温环境下，由于加热导致挥发性颗粒物损失的测量结果比标准方法的测量结果低20% ～ 30%．目前在大气颗粒物的采样测量中，只有在微量振荡天平法测量PM2． 5时，利用膜动态测量技术( FDMS) 对挥发性颗粒物的损失做了补偿测量．该技术是将一段时间内采样膜上的颗粒物减少量作为挥发性颗粒物的损失量，并将其补偿到最终的测量值上．该方法是一种相对测量方法，并没有直接测量出采样样品中到底有多少挥发性颗粒物．而且膜动态测量技术使用的滤膜成本较高，在粉尘浓度较高的情况下，还经常导致仪器故障报警，难以得到合格的监测数据．而基于β射线吸收法的PM2． 5监测仪，对于挥发性成分的丢失并没有采取有效的补偿措施，所以测量结果存在一定的偏差，特别是在一些大型工业城市，PM2． 5中的挥发性成分( 硝酸盐、铵盐、有机挥发性物质)能占到30% ～ 50%，由此造成的偏差将会更大，严重影响测量结果的准确性和可靠性．
2 挥发性颗粒物补偿测量原理
2． 1 采样原理
颗粒物进入β射线式PM2． 5
测量仪后的行为
如图1 所示: 颗粒物在抽气泵的作用下进入测量仪，首先通过PM2． 5切割器，保证进入采样装置的颗粒物粒径小于等于2． 5 μm; 然后含尘气流经过动态加热装置，调控采样气流的相对湿度，同时PM2． 5中的挥发性成分也将部分或全部挥发为气态; 随后气流穿过滤膜，非挥发性颗粒物将被截留在滤膜上，而气态挥发性物质则无法被滤膜截留;对于在采样加热时挥发的颗粒物，在其穿过滤膜后进入一个冷凝装置，在冷凝装置中重新凝结为颗粒物状态，随气流进入串级冲击采样器被收集，并由石英晶体微天平进行实时测量．图1 测量仪内颗粒物行为示意图

含尘气流在抽气泵的作用下，以恒定的流量进入采样装置，并通过喷嘴加速达到一定流速．气流从喷嘴喷出后，由于喷嘴下方有一个捕集板，使得气流的流动方向发生急剧变化，气流中的颗粒物在惯性作用下会偏离气流方向，碰撞并被阻留到涂有黏性物质的捕集板上，从而被收集．根据每一级的喷嘴口径和数量不同，在相同采样流量下，喷嘴出口流速也不同，不同粒径的颗粒物的惯性也不同，据此可捕集到不同粒径的颗粒物．



3 挥发性颗粒物连续补偿方案
为了配合β射线法实现PM2． 5的连续测量，补偿装置设计为双通道( A、B 通道) ，每一轮测量使用一路通道，由切换阀实现通道切换，具体结构设
计如图3 所示．
第一轮采样时，切换阀切换至A 通道，非挥发性颗粒物由滤膜截留并由β射线法进行测量，挥发性颗粒物加热挥发为气体后穿过滤膜，进入冷凝装置重新凝结为颗粒物状态，随后进入冲击式采样器被捕集．捕集板由3 部分组成，从上至下分别为: 石英晶体微天平( QCM) 、电加热片、底座．每一级捕集板上采集到的颗粒物质量可由石英晶体微天平直接测量得到．第一轮采样结束后，切换阀切换至B 通道，同时β射线探测器和QCM分别对采样后的参数进行测量．测量完成后，开始第二轮采样，同时A 通道中的电加热片开始工作，将A 通道中捕集板上采集到的挥发性颗粒物重新加热挥发，并随采样气流排出，以达到清洗捕集板的目的，供下一轮采样使用，具体采样流程如图4 所示．如此两个通道循环使用，即可免除手动拆洗冲击板; 由QCM 直接测量，可免除将样品取出再测量的繁琐步骤，从而实现连续的补偿功能．
挥发性颗粒物的连续补偿装置，是在现有的β射线加动态加热系统方法的基础上设计的一种加装改进装置，既保留了β射线法的测量优势，又能对挥发性颗粒物进行补偿测量．通过冷凝的方法回收已挥发的颗粒物，在微量振荡天平法的膜动态测量技术中证实可行; 串级冲击式采样器利用惯性原理，可采集不同空气动力学直径范围的颗粒物，已广泛应用于环境监测，环境微生物研究等领域．该补偿装置的逐级采样设计，可在很大程度上避免采样孔被堵塞问题，可适用于PM2． 5中挥发性成分含量较高的地区的PM2． 5监测．

浙江恒信科技股份

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