TSP_PM_10_PM_2_5_2型中流量大气颗粒物采集系统的开发和应用

收稿日期: 2002209217; 修订日期: 2002212209 作者简介: 王　玮 (1962- ) , 男, 北京人, 研究员, 主要研究方向: 大气化学和气溶胶 1 TSP-PM 10-PM 215-2 型中流量大气 颗粒物采集系统的开发和应用 王　玮, 刘红杰　　 (中国环境科学研究院, 北京 100012) 摘　要: 自行开发并研制了 TSP2PM 102PM 21522 型中流量 TSP、PM 10、PM 215大气颗粒物采集系统, 是目前中国唯一可以采 集 TSP、PM 10、PM 215样品并提供足够的样品量进行大气颗粒物化学成分分析的中流量大气颗粒物采集器。该系统精心设 计和加工的限流孔可以保持完全固定的流量, 保证切割粒径的稳定, 减小采样的误差并方便操作。该系统已经成功地应 用于 20 多个城市和地区大气颗粒物的监测和研究中, 为研究大气颗粒物的污染状况和来源提供了有效的技术手段和支 持。 关　键　词: 大气颗粒物; 采集系统; TSP; PM 10; PM 215 中图分类号: X851　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 100226002 (2003) 0120035203 D evelopmen t and appl ica tion of model TSP-PM 10-PM 215-2 medium volume sampl ing system WAN G W ei, L IU Hong2jie (Ch inese R esearch A cadem y of Environm ental Sciences, Beijing 100012, Ch ina) Abstract: The authors design and develop the M odel TSP2PM 102PM 21522 m edium volum e samp ling system for co llection of TSP, PM 10, PM 2151 w h ich is un ique in Ch ina that could samp le TSP, PM 10, PM 215 particles w ith enough samp le amount fo r chem ical analysis1 The deliberately designed and fabricated m etering ho le ensures fixed flow rate and stabilize the cutting diam eter1 It could reduce the samp ling erro rs and p rovide conven ien t operation as w ell1 The system has been successfully utilized in over 20 cities and areas, supporting the research of po llution status and source analysis of particulate m atters1 Key words: particulate m atters; samp ling system ; TSP; PM 10; PM 215 1　系统开发的必要性 大量研究表明, 随着粒径的减小, 粒子在人体 肺泡和支气管中的沉积和吸附效率就越高, 而这 些粒径的粒子中又常常含有大量的有毒有害物 质。如粒径 011Λm 左右的粒子在人体肺泡中的吸 附效率可达 50%～ 70% , 这些粒子中包含 Pb、 Cd、C r、V、N i、M n、A s 等有毒元素和 PA H s (多环 芳烃类化合物, 其代表性物质苯并 [a ]芘) 等强致 癌有机物。因此, 调查大气颗粒物, 特别是易进入 人体的细粒子的污染状况, 掌握其主要来源并制 订相应的控制对策是极其重要的。细粒子还对能 见度有很大的影响, 可以造成能见度下降, 影响城 市景观并由此产生一系列问题。细粒子中来源于 燃烧等人为因素的一次粒子和酸性气态污染物形 成的二次粒子通常酸度较高, 也在一定程度上促 进了酸沉降污染。 随着各种除尘器的使用和对土壤扬尘、道路 扬尘的控制, 较易被去除的大粒子的排放水平有 很大的降低, 但由于细粒子的去除比较困难, 所以 下来作为这次准确度检查的结果。 · 这两项检查结束后, 将校准光池CC150 卸 下并用零气吹干净, 将系统的硬件和软件设置恢 复到校准前的原状, 让仪器进入正常运行。 7　氧背景扣除 　　由于在测量苯、甲苯等碳氢化合物浓度所用 到的波长范围内, 氧是最主要的干扰物, 因此, 在 对苯、甲苯等碳氢化合物的测量做校准时, 必须做 氧背景扣除的工作。由于氧对碳氢化合物的干扰 是非线性的, 有必要对各测量光程中氧的截面特 性分别予以记录。具体操作略。 第 19 卷　第 1 期　　 　　　　　　中　国　环　境　监　测　　　　　　　　　 　Vol119 No11 2003 年 2 月　　　　　　　Environm entalM onito ring in China　　　　　　　　　Feb12003 细粒子的排放水平没有非常显著的下降。因此, 许 多发达国家早已把大气颗粒物的环境由总悬 浮颗粒物 (T SP, < 100Λm ) 改变为对人体健康危 害更大的 PM 10 (又称为可吸入颗粒物或 IP, < 10Λm )。特别是美国经过多年的研究, 注意到控制 大气颗粒物的污染, 不能只控制 T SP 的排放, 还 应该控制 PM 10, 甚至细粒子 (PM 215, < 215Λm ) 的 排放, 为此, 美国国家环境保护局 (EPA ) 于 1997 年 6 月新颁布的大气环境质量标准中增加了 PM 215的标准。 中国大气颗粒物的污染非常严重, 目前已经 上升为环境空气质量的首要影响因素, 因此进行 相关的研究和控制十分重要。由于大气颗粒物的 污染问题极为复杂, 所以应运用科学合理的方法 研究和解决大气颗粒物污染问题。首先应掌握大 气颗粒物的污染状况并分析其来源, 还应重点研 究细粒子对人体健康的影响和其它环境影响, 利 用上述研究的成果, 推进国家尽快制定适合中国 实际情况的细粒子环境标准, 对细粒子实现有效 的控制。由于中国目前有关细粒子的研究非常少, 因此在细粒子的研究方面已经落后, 所以应重点 推进细粒子的研究, 以期在不远的将来解决细粒 子污染问题。 细粒子的监测和分析是非常重要的领域, 也 是国内外环境监测和分析技术的难点问题。以美 国为首的发达国家经过多年的研究, 开发出了一 些包括细粒子的大气颗粒物监测技术设备, 并集 成了一些相关的分析技术, 带动了产业的发展。但 是, 目前国际上包括细粒子的监测设备的主要生 产厂家只有数家, 产品的规格和数量相对较少, 特 别是没有采集 PM 10和 PM 215的中流量设备, 同时, 上述设备和技术仍然存在着性能不稳定、使用要 求苛刻、不能准确有效地反映颗粒物污染特征和 价格昂贵等不足。中国在有关细粒子的监测和研 究方面起步较晚, 相应的研究和技术设备开发处 于初始阶段, 特别是没有细粒子监测技术设备, 在 细粒子污染监测和研究方面不能满足环境保护的 迫切需要。 为了推进中国有关细粒子监测和研究的发 展, 中国环境科学研究院联合有关单位自主开发 了包括细粒子的中流量单通道切割式 T SP、 PM 10、PM 215采集系统, 并成功地实现了产业化。 上述技术设备已经申请国家实用新型专利 (专利 号 9120516112) , 拟申请技术专利 1 项。 2　大气颗粒物采集系统的构成和特点 211　系统的设计思想和总体构成 图 1 给出了大气颗粒物采集系统总体构成的 示意图。系统主要由 3 个部分构成, 即采集泵和流 量监视部分, 样品采集杆和文丘里限流孔, 可替换 的切割式样品采集头。 由于系统利用切割原理采集大气颗粒物样 品, 特别是 PM 10和 PM 215样品, 因此需要采样时流 量非常稳定, 为此专门设计了高速文丘里喉管, 将 采样的流量控制在 78L öm in 左右。采集泵的流量 为 100L öm in, 但是在文丘里喉管的限制下流量非 常稳定, 在样品滤膜阻力发生变化时, 由于采集泵 仍然有足够的出力可以提供, 所以不存在采样后 期样品在滤膜堆积量大使流量降低的情况, 这是 本系统最大的特点和优异之处。通过压力表可以 监视采集泵的工作情况, 在压力低于额定值时应 检查或维修系统。 图 1　大气颗粒物采集系统总体构成示意图 212　冲击原理 PM 10和 PM 215切割器的设计 图 2 给出了冲击原理 PM 10和 PM 215切割器的 示意图, 其中上半部分为 PM 10切割器, 上半部分 加下半部分为 PM 215切割器。下半部分可以拆装, 在采集样品 PM 10时, 可将下半部分取下。 切割器为冲击原理, 在固定的流量下可以对 颗粒物进行准确的分级, 在切割器内部设计了颗 粒物的捕集孔, 切割下来的大颗粒物将被收集在 其中, 而需采集粒径的颗粒物则随气流进入到下 面的滤膜并被采集。 63 　　　　　　　　　　　　　　　　　　中　国　环　境　监　测　　　　　第 19 卷　第 1 期　2003 年 2 月 图 2　PM 10和 PM 215切割器构造示意图 3　大气颗粒物采集系统的应用 自从大气颗粒物采集系统在 2000 年问世以 来, 已经实现销售 100 余套, 范围遍及中国大陆 10 多个省市自治区和中国香港以及日本、韩国, 应用于北京市、上海市、广州市、深圳市、成都市、 贵阳市、大连市和中国香港等城市和地区大气颗 粒物的监测和研究中, 取得了显著的成果, 这也从 一个侧面反映出该系统的优良性能。同时, 一些用 户也对系统提出了建设性的改进, 有利于今 后不断完善系统的技术和在特殊使用条件下的维 护保养。 为比较 PM 22 型颗粒物采集器中 PM 215切割 头的采集效果, 于 2000 年 7 月 8 日至 7 月 13 日 在中国环境科学研究院实验楼 (4 楼平台) 使用 6 台采集器进行了平行对比实验, 得到了 5 组 30 个 PM 215质量浓度的数据。样品的采集滤膜使用日本 东洋滤纸公司生产的 PF2020 型聚四氟乙烯, 在 样品采集前后放置在温度 21±1°C 和相对湿度 40±5% 的恒温恒湿间内 48 小时, 然后使用日本 岛津仪器公司生产的十万分之一 (10- 5g) 天平精 确称量, 得到样品的采集质量。样品采集时记录大 气压力和温度, 以使采样体积换算为标准状态 (0℃和 1 个大气压)。表 1 给出了进行平行实验的 数据。 从表中的数据可以发现, 虽然在同一时间、同 一监测点、使用同一种样品采集装置采集 PM 215 样品, 但是各个采集装置之间存在着一定的偏差。 造成上述偏差的原因是多种多样的, 但是从总体 上看这种偏差并不大, 一般在 5% 左右, 因此各个 装置之间的样品采集偏差属于可以接受的范围。 表 1　PM 215样品采集对比实验的结果 (m göm 3) 装置序号 1 2 3 4 5 6 平均值 标准偏差 718 8: 00～ 719 8: 00 01102 01097 01091 01114 01089 01107 01100 010088 719 8: 00～ 7110 8: 00 01072 01073 01065 01069 01070 01076 01071 010034 7110 8: 00～ 7111 8: 00 01095 01088 01093 01095 01090 01102 01094 010045 7111 8: 00～ 7112 8: 00 01053 01051 01055 01048 01044 01053 01051 010037 7112 8: 00～ 7113 8: 00 01045 01047 01046 01052 01043 01050 01047 010030 平均值 01073 01071 01070 01076 01067 01078 01073 010037 　　表 2 是香港科技大学使用美国安德森大流量 颗粒物采集器和本系统采集 PM 215样品的对比结 果。 表 2　香港科技大学 PM 215样品采集 对比实验的结果 (Λgöm 3) 样品采集时间 美国安德森 本系统 20021213～ 4 47104 46146 20021217～ 8 39154 41101 从表中的结果可以看到, 两种采集设备之间 的偏差非常小, 总体上低于 3% , 表明本系统与美 国的设备样品采集结果基本一致, 其结果是可信 的。 表 3 给出了使用本设备于 2000 年冬季在北 表 3　北京市石景山监测点 TSP、PM 10 和 PM 215质量浓度 (m göm 3) 采样时间 TSP PM 10 PM 215 12116 8100～ 19145 01408 01321 01267 12116 20105～ 12117 7145 01405 01318 01261 12117 8105～ 19145 01442 01234 01206 12117 20105～ 12118 7145 01427 01258 01203 12118 8105～ 19145 01512 01304 01218 12118 20105～ 12119 7145 01176 01095 01066 12119 8105～ 19145 01238 01167 01092 12119 20105～ 12120 7145 01318 01225 01142 12120 8105～ 19145 01324 01193 01143 12120 19150～ 12121 7145 01431 01321 01230 73王　玮等: TSP2PM 102PM 21522 型中流量大气颗粒物采集系统的开发和应用　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 收稿日期: 2002206221; 修订日期: 2002212210 作者简介: 李连菊 (1955- ) , 女, 山西临汾人, 工程师 1 柴 油 车 烟 度 计 维 修 二 例 李连菊, 李建华　　 (临汾市环境监测站, 山西 临汾　041000) 摘　要: 环境监测仪器由于受环境条件等因素的影响, 经常会出现各种故障, 文章对柴油车烟度计检测时表头指针无指 示故障进行了系统分析, 并介绍了维修方法和步骤 关　键　词: 故障维修; 柴油车烟度计; RD T 2101 型; FBY21 型 中图分类号: X851　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 100226002 (2003) 0120038202 Two examples of the troubleshooting of d iesed engine soot meters L IL ian2ju, L I J ian2hua (L infen Environm entalM onito ring Station, L infen 041000, Ch ina) Abstract: D ue to the facto rs of the surrounding situations, the environm ent monito ring apparatuses cow ld alw ays break dow n, Th is article gives subtle analysis to the non2indicating of the diesel engine soo t m eters’ po in ter w hen the m eters are on work, and the in troduction of troubleshoo ting m ethods and p rocesses1 Key words: troubleshoo ting; the diesel engine soo t m eters; type RD T 2101; type FBY21 　　在机动车尾气监测中, 监测仪器由于受环境 条件等因素的影响, 经常会出现各种故障, 笔者将 工作中维修柴油车烟度计故障二例介绍如下。 例 1　仪器型号: RD T 2101 型 (日本理研计 器株式会社生产) 111　故障现象 检测或校正时指针均无反应。 112　故障分析 根据该仪器的原理和结构, 整机可分为两个 系统, 一是采样系统, 将柴油机排出的黑烟通过抽 吸泵收集到过滤器 (滤纸)上; 二是光电检测系统 京市石景山监测点进行 T SP、PM 10和 PM 215同步 采集的结果。从表中的结果可以看到, 数据的分布 比较合理, 没有发生不合逻辑的情况。 在大气颗粒物采集系统使用中, 也曾经发生 过一些问题, 作为和教训, 希望在使用本系统 进行工作时注意以下问题。 采样应尽可能闭开雨雪天气, 避免水直接接 触到采集泵, 以防止发生短路和泵体生锈等现象。 在高湿度天气, 如雾天采集样品后应将系统立即 拿回室内等湿度较小的地方再运转 5～ 10 分钟, 赶出系统各个部分吸附的水分, 否则将会引起泵 体和泵内生锈, 造成运转不灵或“卡泵”现象, 带来 不必要的麻烦和损失。在每次样品采集结束后, 应 及时清洁切割头内部, 清扫切割头内积聚的颗粒 物, 以避免对将来的样品采集造成影响。 4　今后开发大气颗粒物采集系统的设想 T SP2PM 102PM 21522 型中流量 T SP、PM 10、 PM 215大气颗粒物采集系统是目前国内唯一的包 括细粒子采集能力的中流量颗粒物采集系统, 但 是该系统不能同时分别采集 T SP、PM 10、PM 215, 因此给一些监测和研究带来不便。在这种情况下, 本文作者将开发一种可以同时分级采集 T SP、 PM 10、PM 215和 PM 110的大气颗粒物采集系统, 以 满足监测和研究的需要。但是, 在新的系统设计 时, 必须考虑大气颗粒物再悬浮对样品采集的影 响, 这是今后设计中的重大技术难点, 也是目前发 达国家没有中流量分级颗粒物采集系统的重要原 因。因此, 如果实现了这一突破, 中国在大气颗粒 物采集技术和设备方面将达到国际领先水平, 无 疑将推进环保技术产业和研究的发展。 第 19 卷　第 1 期　　 　　　　　　中　国　环　境　监　测　　　　　　　　　 　Vol119 No11 2003 年 2 月　　　　　　　Environm entalM onito ring in China　　　　　　　　　Feb12003