环境湿度对石英滤膜称重结果的影响

覃鸿钰，翟崇治，，李 礼，周 乾，余家燕

（1.重庆工商大学环境与生物工程学院，重庆400067；2.重庆市环境监测中心，重庆401147）

由于大气颗粒物对人体健康、大气辐射平衡、气候变化及大气能见度有重要影响，对大气颗粒物的监测研究已受到越来越多的关注［1－3］。随着社会经济的发展，人居环境质量要求越来越严，大气颗粒物浓度作为评价城市空气质量的一项重要指标，其监测分析工作日益显示出重要性。目前，国内大气颗粒物尤其是细颗粒物自动监测技术尚未完全成熟，以及大气科学研究的需要，对大气颗粒物的监测分析通常采用重量分析法，而滤膜称重则是重量分析法的关键环节。《环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法》（HJ 618－2011）对手工采样膜片称量分析过程规定，滤膜采样前后均应置于温度为15℃～30℃中任何一点、相对湿度控制在45%～55%范围内进行24h平衡后称重，而受实验室建设成本影响，实际的滤膜称量条件控制很难达到这一要求，室内温度、相对湿度的变化将造成称量结果的误差。

国内外学者对实验室滤膜称重的影响因素进行了诸多研究［4］。苏文进［5］在不同的湿度和温度条件下称量空白滤膜发现，同一湿度条件下温度越高，滤膜重量值越大，同一温度条件下，称量值随湿度升高呈曲线上升趋势；然而，杨磊［6］的研究得出在高湿度环境下，滤膜增重变化很小。为考察不同湿度条件对称量结果的影响，设计了两组石英滤膜（分别采集PM10和PM2.5样品）的称重实验，分析不同湿度条件下空白石英滤膜和大气颗粒物样品膜重量的变化，以期为大气颗粒物手工监测的滤膜称重提供一些技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

本实验主要材料与仪器包括：47mm石英滤膜（英国whatman品牌），ME5－F型电子分析天平（德国Sartorious公司，感量为0.001mg），WEIFO恒温恒湿箱，川岛除湿机，挂式空调机，温湿度计，干燥皿，硅胶等。

1.2 实验方法

（1）滤膜称重实验设置7个不同的湿度控制点，分别 为 10%，25%，40%，55%，70%，85%，99%。干燥皿内盛放硅胶时可控制皿内湿度恒定为10%；干燥皿内改盛清水时可控制皿内湿度恒定为99%，干燥皿内盛清水并配合一定量的硅胶可控制皿内湿度为70%，85%；其它湿度点可通过恒温恒湿箱与天平室内除湿机的配合实现；用空调机控制天平室温度在（27±3）℃范围内。石英滤膜在每个湿度点下平衡24h后进行称量，每张膜片非连续称量若干次，直到十万分之一位不再变化认为滤膜恒重，取最后两次称量平均值。

（2）取5张空白石英滤膜，考察其在10%，25%，40%，55%，70%，85%，99% 湿 度 点 的 膜 重 变化情况，膜片无颗粒物样品富集，主要研究滤膜本身的吸湿性。

（3）取不同富集量的PM10和PM2.5样品滤膜各10张，按颗粒物富集量从小到大的顺序编号，重点考察10%，55%，99%3个湿度控制点的膜重变化，并依据空白滤膜各湿度点的重量变化情况研究样品膜重与环境湿度的相关关系。

1.3 质量控制与保证

由于石英滤膜的实验室称量分析精度要求高，受干扰因素多，主要采取如下质量控制与保证措施：

（1）利用空调设备将天平室内环境温度控制在（27±3）℃范围内，使滤膜称量过程在尽量相同的温度条件下进行。

（2）滤膜使用前均需进行检查，不得有污损或任何缺陷。

（3）滤膜称量前将其放置于铝箔上［4，7］以消除静电的影响。

（4）滤膜称量使用同一台分析天平，由同一人进行称量操作，减少系统误差。

（5）每次称膜的同时称量2张“标准滤膜”，若标准滤膜称出的重量在质控要求的范围内，则认为实验滤膜称量合格，数据可用。否则应检查称量条件是否符合要求并重新称量。

2 结果与讨论

2.1 不同湿度对空白滤膜重量的影响

石英滤膜由超纯的石英纤维素制成，不含玻璃纤维或黏合剂树脂，纯石英合成物可防止滤膜与酸性气体发生反应，常用于采样分析颗粒物中有机碳和元素碳组分，该膜能耐1 000℃的高温，具有极好的重量和结构稳定性，属憎水性滤膜。以10%湿度条件下5张空白滤膜的平均重量（151.790mg）为基准，分析空白滤膜增重与湿度变化的关系（均取5张滤膜重量平均值），如图1所示。

图1 空白滤膜增重与湿度的关系

由图1可知，空白石英滤膜重量随湿度升高而增加，滤膜增重与湿度变化成线性正相关关系，相关系数为0.974，这与苏文进、汪利民［5］等研究发现空白滤膜和样品滤膜的称量均值随着湿度上升而增大的结果相吻合。图中两极值点湿度条件下测得的滤膜重量之差为0.515mg，可近似认为湿度每增加10%，滤膜平衡后重量增加57μg，比Brown［4］的研究得出环境湿度每上升10%，增重约20μg的结果偏高。由此可见，石英滤膜具有一定的吸湿性，其吸湿性一方面与滤膜纤维超微结构有关，纵横交错的长纤维中分布很多超微小孔，这些小孔能集聚细小水汽，在未饱和之前随环境湿度增大集聚越多，使滤膜重量增加；另一方面，空气中的液滴依附于滤膜表面，此时的石英滤膜仅作为载体，也可使得称量结果偏大。

2.2 不同湿度对样品滤膜重量的影响

空白滤膜的称重实验得出石英滤膜具有一定吸湿性，而样品滤膜因为富集的颗粒物中含有水溶性组分，包括水溶性离子 （K＋，Ca2＋，Na＋，SO42－，NO3－，NH4＋，Cl－）及水溶性有机化合物等，也会产生吸湿作用。研究环境湿度对不同样品滤膜增重的影响，主要考察膜片上富集的颗粒物样品量与湿度变化的相关关系。

取不同富集量的PM10和PM2.5样品滤膜各10张进行称重实验，PM10样品富集量为0.942～2.928mg之间，PM2.5样品富集量为0.763～2.596 mg之间。以10%湿度下样品滤膜重量为基准，根据99% 湿度条件下10张PM10样品滤膜和10张PM2.5样品滤膜平衡后的增重，分别与PM10和PM2.5样品重量进行线性回归分析，如图2和图3。

图2 两极值湿度点滤膜增重与PM10样品重量的趋势图

图3 两极值湿度点滤膜增重与PM2.5样品重量的趋势图

图2 与图3的变化趋势相同，颗粒物重量越大，两极值点湿度条件下的增量越小。颗粒物的吸湿增长分两步，首先溶解固体核心，然后完全溶解颗粒物，均相液滴开始增长［8－10］，此过程能在很短时间内完成［11］。颗粒物重量越小，与大气中液滴接触面越充分，颗粒物吸湿增长的比例就越大，吸湿增量也越明显。实验所用PM10与PM2.5的样品滤膜本身大小、材质相同，膜的吸湿性能没有区别，颗粒物粒径、水溶性组分是造成PM2.5样品膜增重与样品量的方程式与PM10不同的主要原因。粒径越小，对滤膜超微孔产生的阻塞更有效，但此时表面所用于承载液滴的面积增大，导致PM2.5的膜与PM10的膜吸湿不同；加之膜主要水溶性物质如硫酸盐、硝酸盐等主要聚集在细颗粒物中［12］，据同时段的颗粒物化学组分分析结果，PM2.5中水溶性离子占49%，PM10中占38%，最终表现为PM2.5的斜率小于PM10的斜率。

2.3 滤膜与颗粒物样品的吸湿性讨论

颗粒物的吸湿性除与粒径有关外，主要由它的化学组成所决定。Awuku.A.A［13］对水溶性有机物与水的作用进行研究，发现它能降低液滴界面的表面张力，减少水蒸气的平衡，显著影响粒子的吸湿速率，从而改变颗粒物的水分吸收。Saxena等［14］估算出在乡村地区有机物组分能减少气溶胶25%～40%的吸湿量。单从某一种类组分研究颗粒物的吸湿性是不够科学的，不同种类间的相互作用也影响吸湿过程。Semeniuk，T.A［15］用环境透射电子显微镜观察在0～100% 相对湿度范围内无机－有机混合颗粒物的吸湿性能，得出在相对湿度为55%～100% 的范围内颗粒物吸湿，吸湿所对应的湿度值由水溶性组分的比例决定，如含大量K和S的颗粒物在相对湿度为60% 开始吸湿，而含Mg丰富的有机颗粒物对应的值为90%。

研究影响颗粒物吸湿性能因素的同时也应关注避免吸湿影响称量结果的方法。李中愚［16］等人发现用铝箔或铝箔袋包封滤膜可有效防湿，提高称量的准确度。刘晓红［17］经多年实践摸索出用生化箱代替平衡室恒重，效果较好。苏文进［5］的研究认为湿度对样品膜增量没有明显影响，原因在于空白滤膜和样品滤膜质量都随湿度上升而增加，当采样前后滤膜测定条件一致时就会扣除湿度对空白滤膜的影响，因此建议在采样前后应将滤膜置于相同的环境中，如遇特殊天气情况（如采样期间下大雨、暴雨），应将采样后的滤膜多置干燥皿内两天。作者认为在滤膜采样前后的称量过程中，应严格参照《环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法》（HJ 618－2011）的要求将温湿度控制在相同的环境中，降低称量误差。

3 结论

本实验设置 10%，25%，40%，55%，70%，85%，99%7个不同湿度点条件下对石英滤膜进行称重分析，得出湿度变化对空白滤膜和样品滤膜造成的影响。

（1）空白石英滤膜重量随湿度升高而线性增加，相关系数为0.928，湿度每增加10%，空白滤膜平衡后重量增加57μg。因此在滤膜采样前后的称量过程中，应严格参照《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》（HJ 618－2011）的要求将温湿度控制在相同的环境中。

（2）样品滤膜上颗粒物样品重量越大，两极值点湿度条件下的增量反而越小。

（3）PM2.5样品滤膜增重与样品量线性关系的绝对斜率略大于PM10，一是由于细颗粒物对滤膜超微孔的阻塞更有效，其提供的承载面积更大；二是与颗粒物中水溶性组分的比例有关。

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