技術(shù)
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一、項(xiàng)目背景
隨著人們的環(huán)保認(rèn)識(shí)不斷加深,人們已經(jīng)不再滿(mǎn)足于僅僅知道PM2.5的濃度,而是希望對(duì)PM2.5中所含有各類(lèi)有毒物質(zhì)有深入的了解。重金屬污染物(也包括As等類(lèi)重金屬)作為人們耳熟能詳?shù)挠卸疚廴疚?,PM2.5重金屬的危害性有目共睹。因此,加強(qiáng)PM2.5中重金屬元素的監(jiān)測(cè)是必經(jīng)之路。
二、建設(shè)方案
1、系統(tǒng)概況
大氣重金屬在線分析儀將專(zhuān)利技術(shù)——X射線熒光(XRF)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、β射線吸收檢測(cè)技術(shù)與空氣顆粒物自動(dòng)富集技術(shù)完美結(jié)合,不僅可以監(jiān)測(cè)空氣顆粒物質(zhì)量濃度,還可以同時(shí)對(duì)顆粒物中元素成分進(jìn)行定量分析。該儀器具有pg/m3量級(jí)的檢出限,處于世界先進(jìn)水平,廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、污染溯源及源解析、環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。
大氣重金屬在線分析儀圖片
(從左到右分別為儀器主機(jī)、站房機(jī)柜上的儀器和車(chē)載儀器)
儀器以恒定的工況流量將空氣吸入顆粒物切割器中,以PM2.5為例,動(dòng)力學(xué)直徑在2.5um附近及以下的顆粒污染物進(jìn)入到儀器的富集系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的富集后,富集系統(tǒng)自動(dòng)切換成β射線分析系統(tǒng),利用β射線的衰減與顆粒物的質(zhì)量濃度成指數(shù)的關(guān)系,對(duì)顆粒物的質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。然后卷膜系統(tǒng)精確地將富集有空氣顆粒物的濾紙移動(dòng)到X射線熒光分析系統(tǒng),分別利用X射線熒光的能量和強(qiáng)度對(duì)顆粒物中的元素成分進(jìn)行定性和定量的分析。
大氣重金屬在線監(jiān)測(cè)——X射線熒光光譜技術(shù)(XRF)的原理見(jiàn)下圖所示,可以直接檢測(cè)固體或液體樣品中ppm量級(jí)的元素成分。采用富集后再檢測(cè)的辦法,使得XRF技術(shù)對(duì)空氣顆粒物中的重金屬成分的檢測(cè)限優(yōu)于0.001ug/m3。而常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)技術(shù),由于預(yù)處理消解過(guò)程中需要將微克量級(jí)的樣品溶解到幾十克的液體中,而使得濃度被稀釋百萬(wàn)倍,從而多數(shù)儀器(譬如ICP-AES、或原子吸收光譜儀)無(wú)法檢出元素含量低于10ug/m3量級(jí)的空氣顆粒物樣品。
X射線熒光光譜技術(shù)原理圖
2、功能特點(diǎn)
(1)空氣顆粒物濃度、大氣重金屬濃度一體式協(xié)同測(cè)量,為污染溯源及源解析提供更精準(zhǔn)數(shù)據(jù);
(2)TSP、PM10、PM2.5三種切割器可供用戶(hù)選擇,應(yīng)用于不同的環(huán)境評(píng)價(jià)場(chǎng)合;
(3)鉛、鎘、砷等30多種重金屬含量精確測(cè)量,最低檢出限在pg/m3量級(jí);
(4)從光管、探測(cè)器、數(shù)字多道分析器(DCMA)到整機(jī),數(shù)十項(xiàng)XRF核心技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利;
(5)具有國(guó)家級(jí)技術(shù)證書(shū)和測(cè)試報(bào)告,儀器的可靠性、準(zhǔn)確性得到充分驗(yàn)證。
3、技術(shù)參數(shù)
以下列出了大氣重金屬在線分析儀的一些重要技術(shù)參數(shù)(表1)。
表1 大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀技術(shù)參數(shù)
名稱(chēng) 性能參數(shù)及要求
檢測(cè)技術(shù) (1)重金屬的測(cè)量方法基于美國(guó)EPA方法IO-3.3的非破環(huán)性X射線熒光(XRF)原理;
(2)顆粒物質(zhì)量濃度的測(cè)量方法基于《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》(β射線吸收法);
測(cè)試內(nèi)容 (1)可監(jiān)測(cè)TSP/PM10/PM2.5空氣顆粒物(PM)質(zhì)量總濃度;
(2)可同時(shí)監(jiān)測(cè)Pb(鉛)、Cu(銅)、Cd(鎘)、Hg(汞)、As(砷)、Cr(鉻)、Zn(鋅)、Ni(鎳)、Ba(鋇)、Fe(鐵)、Ag(銀)、Se(硒)、Br(溴)、Te(碲)、Sb(銻)、Sn(錫)、Ti(鈦)、Co(鈷)、Mn(錳)、Pd(鈀)、Tl(鉈)、Sc(鈧)、Mo(鉬)、V(釩)、Cs(銫)、Ga(鎵)、Ca(鈣)、K(鉀)、Sr(鍶)、Cl(氯)30種元素,并可按用戶(hù)要求擴(kuò)展測(cè)量其它元素;
測(cè)量結(jié)果 用戶(hù)可以自由選擇如下三種測(cè)量結(jié)果:
(1)單位體積內(nèi)的重金屬(或顆粒物)質(zhì)量濃度,μg/m3;
(2)單位質(zhì)量顆粒物中的重金屬質(zhì)量濃度,mg/kg;
(3)重金屬在顆粒物中的百分比,%。
檢測(cè)范圍 重金屬,0~100μg/m3;顆粒物質(zhì)量濃度,0~10 mg/m3
最低檢出限 pg/m3量級(jí) (采樣時(shí)間4小時(shí)、流速16.7L/min);
PM:<0.5μg/m3(24小時(shí)平均值)
重現(xiàn)性 重金屬,RSD < 1% (Pb的標(biāo)準(zhǔn)樣片);
PM質(zhì)量濃度 < ±2%(標(biāo)稱(chēng)值,標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量膜)
采樣分析時(shí)間 30~1440分鐘連續(xù)采樣,可自定義;
采樣流量(0~20)L/min 可調(diào)節(jié),DHS 動(dòng)態(tài)加熱。采樣與分析同時(shí)進(jìn)行,無(wú)采樣間隔。支持整點(diǎn)模式(每小時(shí)整點(diǎn)出數(shù)據(jù),且每小時(shí)采樣富集時(shí)間不低于55分鐘)
采樣濾膜 采樣濾膜為PTFE濾紙材質(zhì),對(duì)0.3μm顆粒物的截留效率≥99.7%,不含重金屬元素成分;
安全防護(hù) 輻射劑量符合《X射線衍射儀和熒光分析儀衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,具有相關(guān)部門(mén)X射線表面輻射劑量檢測(cè)報(bào)告,距離機(jī)箱5cm處,輻射劑量小于2.5μGy/h;
質(zhì)控要求 (1)儀器具備流量自動(dòng)校準(zhǔn)功能;
(2)具備光管強(qiáng)度自校準(zhǔn)功能和能量刻度自動(dòng)校準(zhǔn)功能;
分析軟件 (1)提供設(shè)備配套數(shù)據(jù)分析管理軟件,開(kāi)放通訊協(xié)議,可接入已有數(shù)采平臺(tái);中文操作界面,觸摸屏操作,顯示實(shí)時(shí)采樣流量,采樣時(shí)間,測(cè)量狀態(tài),重金屬濃度值、含量曲線等信息。
(2)數(shù)據(jù)符合《污染源在線自動(dòng)監(jiān)控(監(jiān)測(cè))系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T 212-2005)。
(3)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)放,便于用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的二次開(kāi)發(fā)和利用
4、系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
4.1及時(shí)獲知大氣顆粒物有害金屬濃度,確保公眾知情權(quán)
正如十年前我們認(rèn)識(shí)中的大氣顆粒物只有PM10和TSP而完全沒(méi)有PM2.5的概念一樣,現(xiàn)如今我們也僅僅是簡(jiǎn)單地關(guān)注PM2.5的濃度值,而忽視PM2.5中具體的有毒有害物質(zhì)是什么,有多少?!恫耢o霧霾調(diào)查:穹頂之下》中多次強(qiáng)調(diào)控制PM2.5中重金屬元素濃度的必要性,“PM2.5顆粒物進(jìn)入人體后,巨噬細(xì)胞難以消化大氣顆粒物中的重金屬,使得巨噬細(xì)胞破裂而死,從而降低了人們的免疫力”。通過(guò)大氣重金屬在線分析,能夠快速有效的了解當(dāng)?shù)氐腜M2.5中所含有的重金屬和非重金屬物質(zhì)的種類(lèi)和濃度,就像如今實(shí)時(shí)獲取PM2.5的濃度一樣,公眾可以及時(shí)知道居住地的大氣重金屬濃度值,合理安排自己的工作生活,及時(shí)采取措施保護(hù)自身受到污染傷害。
4.2有利于研究部門(mén)分析大氣重金屬日變化趨勢(shì)
常規(guī)大氣重金屬監(jiān)測(cè)手段只監(jiān)測(cè)重金屬元素的日平均濃度的測(cè)量,但是大氣重金屬隨著氣象參數(shù)與溫度在每天的不同時(shí)間段有著較大的變化,日平均濃度無(wú)法反應(yīng)這些變化。大氣重金屬實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)每天重金屬濃度的小時(shí)值測(cè)定,有利于分析總結(jié)大氣重金屬和非重金屬元素的日變化規(guī)律。
4.3為監(jiān)管部門(mén)提供污染源解析數(shù)據(jù),助力決策制定
通過(guò)主成分分析與相關(guān)性分析等模型處理,可以告訴政策制訂者污染來(lái)自哪里、貢獻(xiàn)比率,為源解析工作提供輔助成果。大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀對(duì)北方某城市長(zhǎng)時(shí)間段大氣重金屬在線分析儀測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析后,得到表1。
表1 大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組成分分析
重金屬 成份
1 2 3
Mn 0.986 -0.012 0.124
K 0.978 -0.163 -0.029
As 0.971 0.023 -0.197
Pb 0.933 0.095 -0.128
Br 0.913 0.083 -0.317
Fe 0.756 -0.346 0.484
V 0.074 0.875 0.191
Ni -0.434 0.772 0.341
Cr 0.515 0.731 0.196
Co 0.357 0.709 0.118
Ca 0.181 -0.624 0.722
污染源 工業(yè)、生活燃料燃燒 冶金工業(yè)廢氣 揚(yáng)塵
為了進(jìn)一步研究PM2.5與大氣重金屬之間的關(guān)聯(lián),并為PM2.5的控制提供方向,我們通過(guò)已經(jīng)劃分的三個(gè)組分與大氣PM2.5濃度進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果如下圖所示,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)主要影響PM2.5的污染源為組分2(冶金工業(yè)廢氣)。
大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)各組分與PM2.5的相關(guān)性。
圖例中顏色的深淺表示相關(guān)性數(shù)值的大小。組分2與PM2.5的相關(guān)性最強(qiáng),這說(shuō)明影響該地區(qū)PM2.5濃度的主要污染源為冶金工業(yè)廢氣。
通過(guò)風(fēng)向與PM2.5中三組分的關(guān)系圖可以確定各組分污染物的來(lái)源方向。
大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)PM2.5中元素主成分分析得到的各組分
與風(fēng)向關(guān)系圖
圖A是組分1(工業(yè)、生活燃料燃燒)的濃度與風(fēng)向關(guān)系圖,從圖中可以看出組分1主要來(lái)源于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的西南方向(深色區(qū)域);圖B是組分2(冶金工業(yè)廢氣)的濃度與風(fēng)向關(guān)系圖,從圖中可以看出組分2來(lái)源于監(jiān)測(cè)點(diǎn)自身范圍內(nèi)(深色區(qū)域);圖C是組分3(揚(yáng)塵)的濃度與風(fēng)向關(guān)系圖,從圖中可以看出組分3主要來(lái)源于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的東方及北方(深色區(qū)域)。圖中顏色深淺由淺到深代表污染的程度由小到大。
4.4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣重金屬濃度,提高監(jiān)測(cè)人員工作效率
現(xiàn)有的常規(guī)大氣重金屬監(jiān)測(cè)手段還是原始的手工采樣+實(shí)驗(yàn)室分析方法,工作量大且效率低。由于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)重金屬濃度檢測(cè)需要樣品預(yù)處理消解,從樣品稱(chēng)量到樣品消解完成大約需要花費(fèi)2個(gè)小時(shí)。而XRF技術(shù)無(wú)需樣品預(yù)處理,每個(gè)樣品重金屬濃度檢測(cè)可以在10分鐘以?xún)?nèi)完成,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣中的30種重金屬元素,節(jié)省了大量的人力成本,且相對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法而言,耗材少價(jià)格低,維護(hù)量低,無(wú)二次污染。
綜上所述,通過(guò)大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀不僅可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)大氣顆粒物濃度,還可以實(shí)現(xiàn)大氣顆粒物中重金屬元素濃度的監(jiān)測(cè),為大氣顆粒物重金屬元素的污染監(jiān)測(cè)和控制提供科學(xué)依據(jù)。