光散射法扬尘在线监测系统加热除湿的条件研究

吴 鸿,张顺琳,邱 昀,常安刚（上海市环境监测技术装备有限公司，上海 200235）

光散射粉尘仪是基于颗粒物对光的散射特征来进行粉尘浓度的检测，而颗粒物的光散射特征受环境湿度影响较大。在近几年光散射法在建筑工地扬尘监测的实践中发现，环境空气的湿度对粉尘仪检测数据结果的影响较大。由于上海市位于太平洋西岸，亚洲大陆东沿，长江和黄浦江入海汇合处，是长江三角洲冲积平原的一部分；上海市属于亚热带湿润季风气候，全年气候都比较湿润，相对湿度较高，四季的相对湿度维持在 70% 以上，全年的平均相对湿度为 74.10%，最大相对湿度为 98.40%，最小相对湿度为 30.60%[1]。从上海市近年来的扬尘在线监测数据看，夜间环境湿度与扬尘监测数据的升高有很大的相关性。因此，《上海市建筑施工颗粒物与噪声在线监测技术规范（试行）》对除湿功能提出了明确的要求，规定光散射法粉尘仪需要具有加热除湿功能。由于技术难度， JJG 846—2015《粉尘浓度测量仪检定规程》并不涉及湿度对仪器性能的影响；高湿度对光散射法检测扬尘浓度数据的影响是显而易见的。因此，亟须研制一套合适的除湿装置去除环境湿度对在线监测系统的影响，完善施工场所颗粒物在线监测系统，提升颗粒物实时监测系统颗粒物浓度的准确性，为施工场所颗粒物相关环保执法提供有力的科学支撑。本文以上海市某工地扬尘在线监测系统采用不同加热装置的监测数据进行研究分析，以形成一套经济可行的加热系统从而提高高湿度环境下扬尘监测数据的准确性。

1 确定除湿方式

目前常规的纯气体除湿技术有冷冻除湿、压缩除湿、热管除湿、转轮除湿和溶液除湿， 但这些技术容易有水凝结等原因， 导致样气中颗粒物的损失，而不适用带颗粒物样气的除湿。针对粉尘测定系统除湿中不能改变粉尘浓度的要求，加热除湿技术不会造成被测含尘气流粉尘浓度的变化，最适合应用于含尘气流除湿。

中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所的徐春雨等[2]和张国城等[3]均提出，光散射式粉尘仪测量结果不仅受颗粒物性质影响，还受湿度影响。这是由于水气在颗粒物表面凝结，会改变颗粒物尺寸、形状、折射率，从而改变颗粒物光散射能力。当相对湿度 ＞60% RH 时，湿度对光散射测量增强作用不可忽略。需要通过加热、稀释、Nafion 膜等一种或多种技术相结合进行除湿， 其中加热除湿是被广泛采用的技术，从效果和经济性上都较好。

2 确定加热除湿材料、方式及加热长度

《上海市建筑施工颗粒物与噪声在线监测技术规范（试行）》中也要求扬尘在线监测系统需要有加热除湿功能，为此我们自制了一套适合工地的加热除湿装置，其加热材料为内置电热丝的温控加热带。为了保证采样管能够全面加热，采用了加热带螺旋式缠绕在采样管上的方式，加热带长度为 1 m（采样管为 1.5 m）如图 1 所示，在实际应用中发现，加热带过长影响两端密封，加热带过短影响加热效果。

图1 加热装置图解

经试验确定（采样地点为徐汇区田东路 181 号楼下，采样时间为 2020 年 3 月 6 日—2020 年 3 月 7 日，采样期间温度为 10.2±3.8 ℃，湿度为 70.5±6.9%），得出用 50 cm 长度加热带与用 100 cm 长度加热带时候的监测数据，如图 2 所示。使用 50 cm 加热带的扬尘数据明显偏高（参照数据为上海市生态环境局网站上公布的徐汇区 PM 10 日均值，2020 年 3 月 6 日为 0.030 mg/m3，2020 年 3 月 7 日为 0.045 mg/m3），说明加热效果较差，故使用加热长度为 100 cm 加热带加热效果更接近实际值，加热效果好。

图2 两种长度加热带加热效果比较

3 确定加热温度

由于气溶胶的加热和降温速度都比较快，加热过程要求采样管路到检测器的整个系统都具有较好的保温效果，而且当温度较高时， 要求粉尘仪具有较好的抗高温性能， 这对材料性能要求比较高；另一方面，高温加热会使得颗粒物中一些易挥发或半挥发物质挥发或分解造成损失，导致测量结果小于常温滤膜采样称重法测量结果；而加热温度不够，又会导致无法有效降低进入粉尘仪空气的湿度，造成导致测量结果的准确度及与参比方法的相关性较差。因此确认合适的加热温度是保证加热除湿效果的关键因素。

课题组选用试验的光散射粉尘仪是目前上海市场中大量使用的日本柴田 LD-5 CN 型数码粉尘仪，柴田公司自行做过加热温度对粉尘仪监测数据影响的相关试验，结果得出加热温度比外界气温高 40～50 K 效果最佳，但这个结论必须通过国标方法（重量法）进行验证才能确定。针对这一建议课题组做了相关实验。

(1) 仪器和耗材。空气采样仪（日本柴田，HV-500 R），电子天平（瑞士梅特勒托利多，MS 105 DU），数码粉尘仪（日本柴田，LD-5 CN），空盒气压表（宁波鄞州姜山玻璃仪器，DYM 3），温湿度计（天津市凯隆达仪器仪表，HTC-2），风向风速仪（上海风云气象仪器，FYF-1），聚四氟乙烯 滤膜（WhatmanInc，FlorhamPark，NJ，USA）

(2) 采样时间和地点。设置两个采样期，分别为相对湿度较小的冬季（2019 年 11 月 6 日～2019 年 11 月 20 日）和相对湿度较大的夏季（2019 年 6 月 22 日～2019 年 7 月 6 日）。采样地点位于上海市徐汇区某工地内，采样期间进行仪器测定的防护工作，避免雨、雪、大风等不良气象条件对仪器的影响[4]。

(3) 采样方法。采样期间，光散射法仪器与滤膜称重法仪器置于现场同一测定点和同一高度，进行平行采样，每次采样采集 ≥20 组数据，每组的采样时间为 20 min。光散射法仪器在采样前先进行校准处理，并将采样时间间隔设置为 1 min；光散射法仪器对扬尘浓度实施测量后，根据仪器设定的质量浓度 K 值系数，得出当次采样扬尘的平均质量浓度。滤膜称重法仪器在采样前，现将滤膜放置在温湿度相对恒定（平衡温度 15～30 ℃ 中任意一点，相对湿度控制在 45%～55% 范围内）的环境中平衡 24 h；采样后按上述条件将滤膜放在恒温恒湿设备中平衡 24 h 后进行称量，两次重量之差 ≤0.04 mg 为满足恒重要求。以两次称量结果的平均值作为滤膜称重值。同一滤膜前后两次称量之差超出以上范围则该数据无效，需再次进行平衡并称量，直至恒重。使用公式：扬尘质量浓度（mg/m3）=[采样后滤膜的质量（mg）－采样前滤膜的质量（mg）]/标准状态下的采样体积（m3）来计算采样当次采样的扬尘平均质量浓度。

将每次采样期间的光散射法测定的扬尘平均质量浓度与滤膜称重法测定的扬尘平均质量浓度进行比较，并分析不同采样期间相对湿度对下列 3 种测试条件下对光散射法测定扬尘浓度的影响。

冬季比对试验预设 3 种条件：A 未采用加热除湿装置；B 加装加热除湿装置（加热长度1.0 m，加热温度 50 ℃）；C 加装加热除湿装置（加热长度1.0 m，加热温度 90 ℃）。

夏季比对试验预设 3 种条件：A 未采用加热除湿装置；B 加装加热除湿装置（加热长度 1.0 m，加热温度 80 ℃）；C 加装加热除湿装置（加热长度 1.0 m，加热温度 120 ℃）。

(4) 试验结果。从上述试验来看（汇总结果见图 2～图 7、表 1），用较低加热温度（冬季 50 ℃，与外界温度差 40 ℃ 左右；夏季 80 ℃，与外界温度差 40 ℃ 左右）加热条件的扬尘在线监测设备，相关性较好且数据偏差也较小，故可视为最佳加热温度，既起到了加热除湿效果，也对扬尘在线监测浓度影响最小。

图3 冬季采样 A 条件

图4 冬季采样 B 条件

图5 冬季采样 C 条件

图6 夏季采样 A 条件

图7 夏季采样 B 条件

图8 夏季采样 C 条件

表1 比对试验结果汇总

4 结 语

从日常的在线监测数据和本文中的试验来看，湿度对于光散射法粉尘仪测量结果的影响不可忽略，而加热除湿无论从经济性和实用性来看不失为最佳的除湿方法。上海市的相关规范中规定了粉尘仪需要有加热除湿功能，但加热长度、加热方式、加热温度等因素均会影响加热除湿效果，影响监测结果准确性；特别是加热温度，是保证加热除湿效果的关键因素。

(1) 采样管加热长度 100 cm 为最佳加热长度，被测空气在进入检测仓前起到充分的除湿效果。

(2) 通过夏季和冬季与国标方法（重量法）的比对试验，可以确定加热温度与气温相差 40 ℃ 左右为最佳，既起到了加热除湿效果，也对扬尘在线监测浓度影响最小。