动态加热系统对β射线法监测PM10和PM2.5的影响

叶　智, 黄　宏, 刘　俐, 肖　勇

(1.德阳市环境监测中心站，四川 德阳　618000；2.德阳市旌阳区环境监测站，四川 德阳　618000)

· 环境监测 ·

动态加热系统对β射线法监测PM10和PM2.5的影响

叶智1, 黄宏2, 刘俐1, 肖勇1

(1.德阳市环境监测中心站，四川 德阳618000；2.德阳市旌阳区环境监测站，四川 德阳618000)

在β射线法监测环境空气中PM10与PM2.5过程中，监测数据受环境温度和湿度影响较大，通过加装动态加热系统，并进行多组实验，将动态加热系统加热温度控制在45℃～55℃范围内，相对湿度控制在40%～50%范围内，保证监测数据的准确性，将测定误差控制在5%范围内。

PM10；PM2.5；动态加热；温度；湿度；

近年来世界范围内的空气污染日益严重，特别是空气中颗粒物PM10和PM2.5的污染越来越受到人们的关注，环境保护部也于2012年颁布实施新的《环境空气质量标准》，将PM2.5等污染物纳入环境空气质量评价的主要指标。由于可吸入颗粒物在环境中滞留时间长，吸附重金属和有毒有害的物质较多，且易于进入人体，因而对人体的危害较大可吸入颗粒物浓度的增加与疾病的发病率、死亡率密切相关。

为了更好地对环境中可吸入颗粒物浓度进行监测，按照《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统技术要求及检测方法》HJ653-2013的要求，德阳市环境监测站对德阳地区使用的β射线法测定PM10和PM2.5的DASIBI4000系列7201 型颗粒物监测设备加装动态加热系统。原系统需要在恒温25℃的室内环境中运行，因此当室内外环境温度、湿度有较大差别时，环境空气经采样管从室外进入室内后所含的水蒸气或下雨时水雾易在采样管内发生冷凝液化凝结成小水滴，并最终吸附在纸带上，对β 射线产生吸收作用，从而影响监测结果[1]。当在原系统的基础上加装了动态加热系统后，消除了水蒸气的影响。我们对德阳地区内多台PM10和PM2.5颗粒物加装动态加热系统前后进行比对分析，进一步了解室内外温湿度差异对监测数据的影响程度和相互关系，以及动态加热系统不同的控制参数下对监测数据的影响程度和相互关系。

1　β射线法与动态加热系统工作原理

1.1β射线法测定原理及监测系统组成

该方法工作原理可简述为：利用β射线衰减量测试采样期间增加的颗粒物质量。环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出。颗粒物沉淀在采样滤膜上，当通过沉积着颗粒物的滤膜时能量衰减，通过对衰减量测定计算出颗粒物的浓度[2]。环境空气中颗粒物计算公式：

其中：C(mg/m3)—颗粒物浓度，I0—通过滤膜的β射线量，I1—通过沉积着颗粒物滤膜的β射线量，S(cm3)—织带上灰尘点面积，Q(m3)—通过纸带的全部气体体积，u(cm3/mg)—吸收系数(0.29)，且Q=16.7×t

PM10和PM2.5连续监测系统包括样品采集单元、样品测量单元、数据采集和传输单元及其他辅助设备。德阳地区主要采用的是DASIBI4000系列空气监测设备，颗粒物分析仪7201主要由分析仪、外置泵、采样头三部分组成，其中分析仪由：机械总成、显示电控总成组成，如下图所示。

图　DASIBI4000系列7201颗粒物分析仪组成示意Fig.　Composition diagram of 7201 particle analyzer DASIBI4000 series

1.2动态加热系统工作原理

通过温湿度感应器检测环境温湿度，当环境温湿度达到报警温度设置点或相对湿度设置点时，自动启动动态加热系统，并根据当前温湿度值智能控制加热管组件，使采样器的温湿度达到设定的范围内，从而实现采样器的温湿度控制。

本系统控制过程如下：

(1)当泵未启动时，加热管组件处于低功率加热状态；

(2)在泵启动状态下：

①当纸带下温度超过报警温度设置点时，仪器工作于加热管组件不加热状态；

②当纸带下温度小于报警温度设置点时，

I如△T使能参数设置为开启，且湿度控制使能参数设置为开启时，当纸带下温度减去环境温度的值大于△T设置点，加热管组件处于低功率加热状态；当小于△T设置点，且湿度小于相对湿度设置点，加热管组件处于低功率加热状态，如湿度大于相对湿度设置点，加热管组件处于高功率加热状态；

Ⅱ如△T使能参数设置为关闭，且湿度控制使能参数处于使能状态时，当相对湿度小于相对湿度设置点，加热管组件处于低功率加热状态，当大于相对湿度设置点，加热管组件处于高功率加热状态；

Ⅲ如湿度控制使能参数设置为关闭时，不开启温湿度控制，加热管组件处于低功率加热状态。

2　实　验

2.1实验仪器与试剂

DASIBI 4000 系列7201 型PM10分析仪，DASIBI 4000 系列7201 型PM2.5分析仪，Defender510流量校准仪，中晟泰科公司安装的动态加热系统，加湿机，蒸馏水。

2.2质量控制

流量校准：每月在实验前后及实验过程中采用美国BIOS510流量校准仪对所有颗粒物监测设备的流量进行校准，保证流量可以控制在16.7L/min±5%以内。

实验期间每月定期更换滤纸、检查滤纸、滤点是否正常：滤点是否为正圆形，喷头上不应有灰尘或纸削。管口不应漏气。实验前后及实验过程中应按照监测规范每半年一次定期对采样头、切割器和分离器进行清洗。

2.3实验过程

在分析室内外温、湿度差异较大时，环境空气通过采样管进入室内凝结产生的水滴对监测结果产生的影响可通过模拟水滴实验获得结论。操作方法为:仪器完成I0工作步骤后暂停仪器工作，对应的斑点编号；通过注射器选择相同大的合适大小水滴，滴在相应斑点中心，水滴大小以保证纸带吸水不超过圆形斑点以外；恢复仪器工作，采样一小时后记录测试结果。同时同地另一台分析仪平行采样获得测试结果[3]。

记录下雨时(室内外温、湿度差异较大)加装和未加装动态加热系统的颗粒物分析仪同时同地另一台分析仪平行监测测试结果。

PM10和PM2.5分析仪采集实验室内空气，保证室内相对湿度不变情况下，在不同加热温度下采样测试空气中的颗粒物浓度。同时同地进行手工采样分析结果。在误差允许范围内选则适合环境空气自动监测的加热温度。

PM10和PM2.5分析仪采集实验室内空气，保证采样管加热温度不变情况下，在不同控制湿度下采样测试空气中的颗粒物浓度。同时同地进行手工采样分析结果。在误差允许范围内选则适合环境空气自动监测的控制湿度。

3　实验数据分析

3.1室内外温湿度差异对颗粒物监测数据的影响

3.1.1水滴对监测结果的影响

我们以德阳地区某环境空气监测点位为实验点位，选择9月22日进行模拟水滴实验，测定PM10，水滴大为0.01mL,通过调节站房内空调温度和加湿器相对湿度保持室内环境温度和湿度稳定。两台仪器同时实验结果见表1。

表1　模拟水滴实验PM10监测结果

由表1 可知，差值可以看做是水滴加在滤纸上使环境空气监测结果增大，增大量在0.886 mg /m3和4.842 mg /m3之间，平均增大2.495 mg /m3，最大增大倍数超过200倍，使环境空气监测结果完全失控，无法反映该时间段环境空气中颗粒物浓度大小。由于PM10与PM2.5测定原理基本一样，均是β 射线法，不同之处为采用的切割器不同，对实验结果无影响，因此无需进行PM2.5仪器的模拟水滴实验。综上，可以进一步推理：若室内外温湿度差异过大，产生的凝结水滴吸附在滤纸上将会造成颗粒物监测结果偏离正常值，监测数据无代表性和准确性，属于无效数据，在数据统计计算中应剔除。

3.1.2雨天不同监测系统监测结果的差异

在雨天气象条件下，我们可以认为是监测点位室内外温湿度差异较大，将动态加热系统的加热温度设置在50℃，经过加装和未加装动态加热系统的颗粒物分析仪同时同地平行监测测试结果的对比。监测结果见表2，可以看出未加装动态加热系统的颗粒物分析仪测试结果比加装了动态加热系统的颗粒物分析仪测试结果偏高20%～200%，平均偏高57.0%。

表2　雨天加装与未加装加热系统PM10监测结果

3.2动态加热系统不同控制参数下对监测数据的影响

3.2.1加热温度对监测数据的影响

在实验室中利用加湿器控制室内空气相对湿度(50%)不变，利用动态加热系统对PM10和PM2.5分析仪加热，在不同加热温度下进行PM10和PM2.5分析仪采集分析，同时进行PM10和PM PM2.5的手工采样重量法分析。从分析结果可以看出自动监测(β 射线法)随着加热温度升高颗粒物测定结果降低，加热温度越高测定结果降低越多。并且，PM2.5随着加热温度升高颗粒物测定结果降低幅度比PM10更大。分析结果见表3。

表3　不同加热温度下自动监测与手工监测测试结果的关系

3.2.2湿度对监测数据的影响

控制PM10和PM2.5分析仪加热温度(50℃)不变，利用加湿机调节实验室空气相对湿度，在不同相对湿度下进行PM10和PM2.5分析仪采集分析，同时进行PM10和PM2.5的手工采样重量法分析。从分析结果可以看出随着相对湿度升高颗粒物测定结果逐步升高，相对湿度越高测定结果升高越多。并且，PM10随着相对湿度升高颗粒物测定结果升高幅度比PM2.5更大。分析结果见表4。

表4　不同相对湿度下自动监测与手工监测测试结果的关系

4　结　论

4.1室内外温湿度差异较大，当室外温度较高湿度较大时，未加装加热系统测试颗粒物监测数据结果相对于加装加热系统测试颗粒物监测数据结果偏高，当水蒸气凝结成水滴滴落在滤纸上时，测试结果异常偏高，测试结果无效。加装动态加热系统可有效杜绝上述情况的发生。

4.2自动监测(β 射线法)测定PM10和PM2.5的浓度随着动态加热系统加热温度升高而降低，且PM2.5受影响更大；随着室内相对湿度升高而升高，且PM10受影响更大。

4.3根据实验结果，结合本实验所在区域的环境温度和湿度控制的可操作性和经济性，可将动态加热系统加热温度控制在45℃～55℃范围内，室内相对湿度控制在40%～50%范围内。从而使加热温度和相对湿度对监测结果的影响相互抵消，将测定结果误差控制在5%范围内，可保证数据的准确性。

[1]HJ 653-2013，环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统技术要求及检测方法 [S].

[2]国家环境保护总局《空气和废气监测分析方法》编委会．空气和废气监测分析方法(第四版增补版)[M]．北京：中国环境科学出版社，2003．259-261．

[3]吴凯勋．室内外温湿度差异对自动监测可吸入颗粒物测定准确性的影响[J] ．石油化工安全环保技术,2011，(5)：59-64．

Impact of Dynamic Heating System on Monitoring PM10and PM2.5by β-ray Method

YE Zhi1，HUANG Hong2, LIU Li1,XIAO Yong1

(1.DeyangEnvironmentalMonitoringCentralStation,Deyang,Sichuan618000,China; 2.JingyangEnvironmetalMonitoringStationofDeyangCity,Deyang,Sichuan618000,China)

During the monitor process of PM10and PM2.5in ambient air byβray method, the monitoring data is largely influenced by temperature and humidity of ambient environment. Thus, in order to ensure the accuracy of monitoring data and control the measurement error within 5%, a dynamic heating system is installed and multiple selection experiments are carried out while the temperature of the dynamic heating system was kept at the range of 45 ℃ to 55 ℃, and the relative humidity was kept between 40% and 50%.

PM10; PM2.5; dynamic heating; temperature; humidity

2015-03-24

叶智(1983-)，男，四川德阳人，2005年毕业于成都信息工程学院环境工程专业，工程师，主要从事环境质量空气自动监测工作。

X701

A

1001-3644(2015)06-0052-05