Xact－625型環境空氣多金屬在線分析儀的應用

李 禮，向 洪，李學峰

（1．重慶市環境監測中心，重慶401147；2．上海祥得環?？萍加邢薰荆虾?00235）

Xact－625型環境空氣多金屬在線分析儀的應用

李 禮1，向 洪1，李學峰2

（1．重慶市環境監測中心，重慶401147；2．上海祥得環保科技有限公司，上海200235）

重慶大氣超級站配備的Xact－625型環境空氣多金屬在線分析儀，實現對大氣細顆粒物PM2．5中的23種金屬元素進行實時在線監測，在國內環境監測技術領域處于領先水平。作者通過實踐經驗，對該儀器的工作原理、儀器結構與參數、安裝調試和日常運行維護等方面進行了介紹和總結。

PM2．5；金屬元素；在線分析儀

Abstract：The XactTM625automated multi－metals monitor installed in the atmosphere observation super－station of Chongqing posses capability of constant emission measurement for up to 23metals found in PM2．5samples of ambient air．Based on daily operational experiences，the author briefs the XactTM625automated multi－metals monitor，including principle of measurement，instrument structure and technical parameters，installation and debugging，as well as daily maintenance of the XactTM625automated multi－metals monitor．Finally，the author concludes that the XactTM625takes a leading in current emission constant monitors．

Key words：PM2．5；metal elements；online analyzer

隨著城市大氣污染由傳統的煤煙型污染向區域性復合型污染轉變，以PM2．5為主的細粒子污染越來越受到關注［1－3］。大氣細顆粒物PM2．5的元素組成尤其是金屬元素等無機組分的監測分析，成為當前城市大氣環境研究的熱點課題［4－7］。大氣氣溶膠中重金屬元素的含量、形態、時空分布和生物地球化學遷移規律，對于大氣污染防治和人體健康學等研究具有重要的基礎意義［8］。

重慶大氣超級站配備的亞洲第一套環境空氣多金屬在線分析儀，為美國Pall公司（Cooper）的Xact－625型產品，也是當前國際上該監測項目的唯一系列產品。Xact－625型環境空氣多金屬在線分析儀實現對大氣細顆粒物PM2．5中的23種金屬元素進行實時在線監測。筆者通過實踐經驗，對該儀器的工作原理、儀器結構與參數、安裝調試和日常操作與維護等方面進行介紹和總結，以期為相關的用戶人員提供參考。

1 儀器工作原理

Xact－625型環境空氣多金屬在線分析儀利用采樣泵提供抽力，將環境空氣經過顆粒物粒徑切割器采樣，所吸入的樣品捕集于濾帶；濾帶所采集的顆粒物斑點由轉軸輸送至分析處，使用非破壞性的X－ray熒光法分析累積采樣的金屬元素含量，并由數據處理軟件計算得出相應時段的濃度值；同時空白濾帶部分進行下一個樣品的采集。

X－ray熒光分析法原理（圖1）：當能量高于原子內層電子結合能的高能X射線與原子發生碰撞時，驅逐一個內層電子而出現一個空穴，使整個原子體系處于不穩定的激發態，然后自發地由能量高的激發態躍遷到能量低的基態。當較外層的電子躍入內層空穴所釋放的能量不在原子內被吸收，而是以輻射形式放出，便產生X－ray熒光，其能量等于兩能級之間的能量差，因此，X－ray熒光的能量或波長是特征性的，與元素有一一對應關系。熒光X射線的波長λ與元素的原子序數Z有關，只要測出熒光X射線的波長，就可以得知元素的種類，這就是熒光X射線定性分析的基礎。同時，熒光X射線的強度與相應元素的含量成正比關系，據此，可以進行元素的定量分析。

圖1 Xact－625多金屬在線分析儀工作原理示意圖

2 儀器結構與參數

2．1 儀器結構

Xact－625型環境空氣多金屬在線分析儀是由泵采樣與流量控制單元、X－ray熒光分析儀、數據采集處理單元、電力分配單元及冷卻輔助單元等構成的一個完整的工作系統，其基本結構如圖2所示。

圖2 Xact－625多金屬在線分析儀結構示意圖

2．2 主要技術參數

Xact－625型環境空氣多金屬在線分析儀的主要技術參數指標見表1。

表1 儀器主要技術參數表

3 儀器安裝調試與運行維護

3．1 儀器安裝

Xact－625型多金屬在線分析儀采用標準19英寸設計制造，采樣分析、流量與電路控制2大主機部分以及工業計算機3大主要構件可以很方便的安裝在35U以上的一套19英寸標準機柜內。

X－ray熒光分析儀主機內部，X－ray光管在工作時會產生局部的高熱，故分析儀在運行時必須進行局部降溫。因此在安裝的整套系統中，配置了1臺小型冷風機，專門用于分析儀主機的局部降溫。由于整套系統均安裝于密閉的機柜空間內，冷風機的配置既保證了測量結果的穩定性，也可為整套系統提供穩定的工作環境條件。另外，系統需配備穩壓器和UPS電源以保證供電的穩定。為保持整體美觀，將穩壓器、UPS電源及小型冷風機安裝在另一套19英寸標準機柜內，與主機機柜并排緊靠墻面安放，協調一致。小型冷風機產生的冷氣通入主機機柜，暖風則通過側墻開孔排至室外。儀器安裝整體外觀如圖3。

根據監測和研究的需要，Xact－625型多金屬在線分析儀可采用 TSP、PM10、PM2．5或PM1幾種不同的顆粒物粒徑切割器進行采樣分析。采樣分析使用的濾帶為PTFE特氟隆濾帶，濾帶材質非常質密，而系統為了保護相關元器件和保證數據的可靠性，對抽氣采樣的最大負壓有限制，故用戶需要根據安裝點位顆粒物的污染濃度來選擇合適的粒徑切割器，或通過縮短采樣周期的方式來滿足測量的要求。重慶大氣超級站安裝運行的Xact－625型多金屬在線分析儀采用PM2．5切割頭，采樣分析周期設定為1h。

圖3 Xact－625多金屬在線分析儀安裝整體外觀圖

3．2 儀器調試與校準

Xact－625型多金屬在線分析儀安裝完畢，在其正常運行前需進行氣密性測試、流量校準、空白濾帶測試、金屬探棒的測試以及標準膜片校準。

氣密性測試和流量校準是對采樣環節的質量控制。在采樣口密閉狀態下開啟采樣泵進行抽氣，壓力小于250mmHg，采樣泵停止抽氣時升壓小于150mmHg／min，即達到采樣管路氣密性合格要求。流量校準則是在設定采樣流量為15．0，18．4，16．7L／min 3個目標值時，考察儀器內部質保流量計、采樣流量計與人工測量實際流量之間的一致性，并通過實際測量流量對儀器質保流量計和采樣流量計進行校對。

空白濾帶測試、金屬探棒的測試以及標準膜片校準是對儀器分析環節的質量控制。空白濾帶測試是考察儀器分析的初始精密度偏差，通過對空白濾帶進行X射線熒光分析，得到各項測量金屬元素的空白值，除空氣中的鉀鹽含量較高導致K元素空白值偏高之外，其余元素的空白值均較低。內置探棒的3種金屬（Cr、Cd、Pb）測試，屬于內標源測試，每日自動進行一次，允許偏差范圍為5%，測值偏差過大時分析儀有報警記錄。金屬探棒的測試數據穩定性，可反映出整套系統的運轉狀態、X熒光管的效能等是否良好。同時，供應商共提供30種金屬元素的校準膜片，均溯源至美國NIST相關標準，為了保證Xact－625型多金屬在線分析儀的準確可靠運行，每3個月對分析儀進行一次標準膜片的手工校準。

3．3 儀器操作與日常維護

Xact－625型多金屬在線分析儀的日常操作，除了開機時需要進行軟件參數設置外，所有采樣分析工作流程均由工業計算機與分析儀內部單片機協同控制，進行自動測量和計算。監測數據可利用配套軟件進行手工下載或通過數據采集終端進行調取。

Xact－625型多金屬在線分析儀日常維護的主要內容包括工作狀態檢查和定期更換濾帶。為保證儀器穩定有效運行，應保持儀器所處環境條件的清潔和穩定：環境清潔以保證空白濾帶盡量不被冷風機送入分析儀的氣流所污染；溫度不宜超過25℃以防分析儀溫度過高報警而停止工作；相對濕度不宜超過50%，以防小型冷風機進風口結冰而影響降溫效果最終導致分析儀報警停止工作。若儀器穩定連續運行24d左右需更換濾帶。

4 結語

重慶大氣超級站配備了亞洲第一套Xact－625型環境空氣多金屬在線分析儀，實現對大氣細顆粒物PM2．5中的23種金屬元素進行實時在線監測。通過對該儀器的安裝、調試和日常運行維護，其技術先進性和性能穩定性都值得肯定。隨著大氣科學與污染控制研究的不斷深入，Xact－625型環境空氣多金屬在線分析儀的應用將發揮越來越重要的作用。

［1］ 喬玉霜，王 靜，王建英．城市大氣可吸入顆粒物的研究進展［J］．中國環境監測，2011，27（2）：22－25．

［2］ 李 禮，余家燕，鮑 雷，等．重慶主城區春季典型天氣的大氣顆粒物濃度變化分析［J］．環境工程學報，2012，6（6）：2 012－2 016．

［3］ Jonathan I Levy，Steven R．Hanna．Spatial and temporal variability in urban fine particulate matter concentrations［J］．Environmental Pollution，2011，159（8－9）：2 009－2 015．

［4］ 鐘宇紅，房春生，邱立民，等．典型城市大氣顆粒物無機組分源解析［J］．東北師大學報：自然科學版，2008，40（1）：136－140．

［5］ 徐宏輝，王躍思，溫天雪，等．北京市大氣氣溶膠中金屬元素的粒徑分布和垂直分布［J］．環境化學，2007，26（5）：675－679．

［6］ 楊勇杰，王躍思，徐宏輝，等．泰山頂大氣氣溶膠中金屬元素的特征分析［J］．分析測試學報，2008，27（4）：390－395．

［7］ 顧愛軍，陳靜峰．杭州地區大氣氣溶膠中重金屬含量特征研究［J］．環境科學與管理，2010，35（3）：46－49．

［8］ 方鳳滿．中國大氣顆粒物中金屬元素環境地球化學行為研究［J］．生態環境學報，2010，19（4）：979－984．

Application of XactTM625 Automated Multi－metals Monitor for Ambient Air

LI Li1，XIANG Hong1，LI Xuefeng2

（1．Environmental Monitoring Center of Chongqing，Chongqing 401147，China；2．Shanghai Thunder Environmental Technology Co．Ltd，Shanghai 200235，China）

X851；P415．32

A

1674－2842（2012）05－0036－03

2012－07－12

環保部公益性行業科研專項（201009001）

李 禮（1983－），男，湖南湘潭人，工程師，從事大氣環境監測與科研工作，E－mail：lili＿jash＠163．com。