基于β射線法的新型PM2.5自動監測系統研究*

梁 艷,張增福,陳文亮,徐可欣

(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,天津 300072)

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基于β射線法的新型PM2.5自動監測系統研究*

梁 艷,張增福,陳文亮*,徐可欣

(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,天津 300072)

近年來大顆粒物污染日趨嚴重,準確監測顆粒物PM2.5迫在眉睫。目前國外監測儀器已在國際上普遍使用,國內真正的知識產權產品比較少,產品的精度以及穩定性也有待提高。采用基于β射線法原理研制了PM2.5質量濃度在線監測系統,在儀器結構中提出采用原位檢測的方法,并進行與標準稱重法的比對實驗來驗證系統的可行性,結果表明兩者測量數據的相關性為0.988。通過數據校正補償后與監控站賽默飛儀器比對實時監測數據,日測量數據平均值相對偏差僅為1.8%。

環境污染;Particulate Matter(PM2.5);在線監測;β射線法

隨著我國經濟的快速發展,環境質量發生了顯著的變化,特別是大氣細顆粒物PM2.5污染已凸顯為重大的環境問題[1],嚴重危害人體健康[2-8]。不斷增加的惡劣天氣引起了公眾和輿論對PM2.5的強烈關注[9],準確監測PM2.5成為迫在眉睫的任務。

目前PM2.5質量濃度測量[9-13]主要有兩大類:手工稱重法和自動監測方法。手工稱重法用對沉積顆粒物的Teflon或PTEE濾膜稱重來計算質量,再根據采樣時間內抽取的氣體體積計算顆粒物濃度,作為標準的比對測試方法也是最直接和最可靠的方法[14-15];但操作較費時、繁瑣、易引入人為誤差,不適合在線監測并未能及時得到測量結果。微量振蕩天平法(TEOM)[16]通過測量沉積顆粒物的錐形石英管振蕩頻率來測量顆粒物質量濃度,測量靈敏度較高,但維護成本高并存在粘附和過載問題,而且受濕度影響較大[17]。β射線法是利用濾膜上的顆粒物對β射線的衰減來測量顆粒物質量濃度,具有測量準確度高、維護量小和成本低等優點[18]。

當前像美國賽默飛和Met-one針對于PM2.5監測的相關儀器已在國際上普遍使用;相對發達國家國內研究起步較晚,像河北先河、武漢天虹以及中晟泰科等相關企業投入很大力度一直在研究,也有國產相關產品,但是在我國較高污染區域和特殊地區監測條件下,還存在檢測精度不高等問題,特別是在多雨天以及惡劣氣象條件時。綜合分析本文采用了β射線吸收法的測量原理研制了PM2.5質量濃度在線監測儀器系統,在系統中采用原位檢測的結構,提高了測量的實時性和測量精度,并配合高精度質量流量控制,經過連續多月的實驗不斷研究解決出現的問題,并與稱重法和賽默飛儀器作比對測試,結果表明儀器有較好的測量精度。

1 測量原理

同位素C14放射源的原子核在發生β衰變時,會放射出β粒子。β粒子實際上是一種快速帶電離子束,具有較強的穿透力,當其穿過一定厚度的吸收物質時,其強度隨著吸收層厚度增加逐漸減弱[19]。當吸收物質的厚度比β粒子的射程小很多時,β粒子與物質相互作用并且其強度的變化近似滿足指數關系式

I=I0exp(-μmXm)

(1)

其中:I0和I分別為β射線穿過無吸收物質和有吸收物質后的強度;Xm為質量厚度,即單位面積的質量(g/cm2);μm為質量吸收系數(cm2/mg),而對于確定的吸收物質PM2.5和半衰期較長的碳14射線源,其經驗值μm為0.290 cm2/mg左右,本監測系統經多次測量并與標準質量參考校準得到儀器系統的μm值為0.29 cm2/mg。

進一步式(1)可表述為式(2)得到顆粒物PM2.5的質量濃度C:

(2)

式中:C是顆粒物PM2.5的質量濃度(mg/m3);S是濾膜上探測源的有效采樣面積(cm2);Q是切割器的采樣流量(L/min);t是采樣時間(min)。

圖1 PM2.5監測儀器結構示意圖

2 系統設計

基于β射線法的PM2.5自動監測儀的結構示意圖如下圖1所示,主要部件有PM2.5切割器、動態加熱、原位檢測、濾紙傳動和流量控制等部分。工作過程是:采樣泵以恒定的流量將空氣抽入PM2.5切割頭內,粒徑不大于2.5 μm的顆粒物被分離出來,經采樣通道進入動態加熱系統,經過溫濕度的調整后,顆粒物被截留在濾膜上,經檢測部分原位檢測結構的分析,最后根據采樣流量、時間、溫度、壓力等綜合因素計算并顯示出PM2.5的質量濃度。

2.1 質量檢測單元

檢測模塊由β放射源和探測器組成,為了保證檢測期間放射源的強度維持不變,要求放射源的半衰期較長,相比其他常見的β放射源Pr147和Kr85,C14源的半衰期長達5 730年,成為最佳選擇,源能量活度≤100 uci,在我國屬于豁免源。針對β射線吸收原理和檢測對象,選用的探測器是由高靈敏光電倍增管、閃爍體、屏蔽窗等集成一體化的高性能探測器CH320。

如圖2所示為原位檢測部分裝配體的剖面圖,即在結構上將檢測部分的采樣通道和檢測點位于同一豎直線上,并且抽氣和β射線的測量在同一位置,而在傳統的β射線法監測儀器中,采樣室和傳感器在不同的位置,濾膜需要在兩個位置來回移動,樣品采集和分析在不同時段進行。而本系統中這種原位連續檢測方式從根本上不但解決了紙帶移動帶來的測量誤差,而且樣品采集和分析可以同時進行,進而本儀器系統能實時顯示顆粒物質量濃度。光電倍增管位于正對檢測位置的另一側,為了提高檢測精度,本系統中放射源和探測器之間的距離為16 mm。

圖2 儀器檢測部分剖面圖

2.2 其他測量條件

切割器主要是將環境空氣中細顆粒物PM2.5分離出來,本系統選用BGI公司的VSCC旋風切割器[20]基于空氣動力學原理利用旋風分離技術制成,切割粒徑和捕集效率的幾何標準差滿足國家環境標準[14]規定,即切割粒徑Da50=(2.5±0.2)μm,捕集效率的幾何標準差δg=(1.2±0.1) μm。

切割器的切割特性與氣體流速密切相關,流速偏差直接影響著顆粒物監測儀器的切割特性,進而影響到顆粒物質量濃度采樣數據的準確性。本系統恒流控制部分采用基于差壓式的電子質量流量控制器,精度為±1.0%,能將氣體流量精確控制在16.67 L/min的工作點上,保證了切割器的臨界粒徑Dc=2.5 μm。

濾膜在監測儀器中主要收集顆粒物,濾膜材質影響顆粒物的截留效率,進而影響著測量數據的準確性。常用濾膜有Teflon濾膜、Nylon濾膜和玻璃纖維濾膜3種,Teflon濾膜相比其他兩種空白膜質量小、吸濕性低、不吸收氣體、空氣阻力大等特點,系統選用Teflon濾膜進行顆粒物PM2.5質量濃度的測量。

圖3 β射線吸收法和稱重法測得的PM2.5日均濃度值

3 實驗驗證與問題探討

3.1 數據分析處理

實驗期間儀器一直放置于天津市南開區華苑產業區華苑科技發展大樓5樓頂,每天對儀器進行調試保證系統測量條件相同,儀器離地面高度約為15 m,采樣器入口高度固定距離地面16.5 m,周圍無建筑工地和高大建筑物,環境空氣流通。每次儀器系統開機在實驗開始40 min后,顯示的濃度數據作為有效地數據記錄。觀測時間為2013年8月初到10月底,連續監測3個月采集日平均測量值有效數據30組,均分布在3個月內,PM2.5質量濃度變化明顯,具有一定的代表性。實驗結果顯示儀器測量數據高于稱重法數據2%～62%,平均偏高15%,其中儀器測量比稱重法偏高(15±10)%的樣本15對,占46%,偏高(15±20)%的樣本22對,占54%。β射線吸收法和稱重法測得的PM2.5日均質量濃度變化趨勢如圖3(a)所示,兩種方法測定結果的變化趨勢有較強的一致性。圖3(b)是對應的日均質量濃度散點圖,可以看出兩者存在線性關系。

使用SPSS進行相關性分析,如表1所示,在0.01水平(雙側)上顯著相關,相關系數為0.988。表2是對30組測量結果進行F檢驗和t檢驗,并且Fα(f1,f2)<0.01,因此在顯著水平0.01條件下儀器測量結果和稱重法測量結果的總體方差相等,具有一致性;tα(f)<0.01,表示兩種不同的測量方法沒有顯著性差異。

表1 兩種方法測量結果數據的相關性

表2 F檢驗和成對t檢驗結果

以儀器測量的PM2.5質量濃度為自變量,稱重法PM2.5質量濃度為因變量,進行回歸分析。在顯著水平α=0.01的條件下,斜率為0.950,截距為-0.008,分析所知相關系數和斜率滿足國家標準[21]的PM2.5連續在線監測系統條件,但是截距有所偏差。采用回歸方程“y=-0.008+0.950x”校正儀器測量的30組數據,結果表明系統誤差從0.240%減小到0.115%。

圖4是2013年9月11日儀器測量數據與華苑監測站賽默飛儀器測量數據的比對,時間從9:00～17:00,從圖可以看出數據變化趨勢基本一致,日測量結果平均值分別為0.057mg/m3和0.056mg/m3,相對偏差為1.8%。

3.2 實驗誤差討論

從實驗數據分析結果可知,基于β射線法的顆粒物監測儀器檢測PM2.5質量濃度,與國家規定的監測標準尚且存在一定差距。誤差的產生可能有以下因素:

(1)自然空氣中放射源的干擾:自然界中巖石和土壤中都含有天然放射性元素鈾、釷、鐳等,這些物質發生核衰變產生射線,雖然含量不高但也會對放射源產生干擾。

(2)放射源與探測器的影響:實驗裝置中放射源和探測器分別位于采樣室的上下部,兩者之間空氣密度的變化會引起計數的變化,特別對于流動的氣流更容易產生影響。因此在實際測量中應盡量減小兩者之間的空氣流間隙,并且需選用高精度高準直度的探測器和放射源。

(3)氣體體積對測量結果的精度有著重要的作用,并且恒定流量是PM2.5切割器達到臨界粒徑2.5μm的前提,同時流量要求的是標準狀況(101.325kPa,0 ℃),但在實際測量中,隨著顆粒物的沉積濾膜兩側的壓力差會變化,流量可能會減小,加之儀器工作地點不滿足標準狀況的條件,所以需要高精度高靈敏度的流量反饋控制器,并且要根據測量時的溫度和氣壓值換算成符合工況的流量。

(4)實驗操作誤差:在進行稱重法測量時,應盡量選用恒溫恒濕的密閉空間及以高精度的天平。本實驗中由于長時間取樣雖然采用的是100μg的分析天平,但在此過程中也不可避免的引入人為誤差。

(5)兩種監測儀器的監測地點不同,并且本監測系統與華苑站賽默飛的儀器不同。一般情況下同類型的監測儀器測量數據也會有誤差存在,所以相比之下本儀器系統監測數據精度較好。除此之外,濕度隨氣候變化明顯,對測量結果也會產生影響,對此今后必須進行更深入的濕度實驗研究,建立更合理的回歸方程,對測量結果進行修正,達到監測數據的準確性。

4 結論

文章概述了PM2.5研究狀況和主流監測方法優缺點,對研制的基于β射線法的新型PM2.5監測儀器系統進行了詳細的介紹。系統中提出原位檢測這一方法,從根本上解決了紙帶移動帶來的測量誤差。與稱重法作比對實驗,系統監測數據比重量法平均偏高15%,兩種方法測量所得PM2.5日均濃度值高度相關,在一定監測條件下其回歸方程為y=-0.008+0.950x,相關系數為0.988;與監測站賽默飛儀器比對實時監測數據,日平均值相對偏差僅為1.8%。總的來說,本儀器系統在測量細顆粒物PM2.5質量濃度方面具有一定的可靠性。但是儀器只針對了城市中心進行監測,尚未對農村和其他背景區域進行實驗驗證,具有一定的局限性。

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梁艷(1989-),女,天津大學精儀學院,碩士研究生,主要方向儀器科學與大氣顆粒物PM2.5監測儀器研究,liangyan@tju.edu.cn;

陳文亮(1977-),男,天津大學精儀學院,副教授,碩士生導師主要從事環境監測技術及儀器、光譜檢測技術研究,chenwenliang@tju.edu.cn;

徐可欣(1956-),男,天津大學精儀學院,教授,博士生導師,主要方向測試計量技術及儀器、大氣及煙氣成分監測、生物醫學光子學及微弱化學成分智能檢測方法研究,kexin@tju.edu.cn。

ResearchofNewTypePM2.5AutomatedMonitoringSystemBasedonβ-RayMethod*

LIANGYan,ZHANGZengfu,CHENWenliang*,XUKexin

(State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Particulate air pollution has become increasingly serious in recent years,accurate monitoring particulate matter PM2.5 is imminent. Currently,with abroad monitoring instrument used in the world,domestic real intellectual property products are relatively few and the precision and stability of the products also need to improve. In this article,PM2.5 mass concentration on-line monitoring instrument was developed based on the beta ray method. The situ detection in the instrument structure was proposed and was conducting with the standard weighing method of compare experiment to verify the system. The results showed that the correlation of both measurement data was 0.988. After data correction of compensation and alignment,conducting with monitoring station real-time monitoring data of the thermoinstrument,the average relative deviation of measurement data was only 1.8%.

environmental pollution;PM2.5;on-line monitoring;Beta ray method

項目來源:國家863項目(2012AA022602),國家重大科學儀器專項項目(2012YQ 060165)

2014-06-23修改日期:2014-08-22

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.021

X831

:A

:1004-1699(2014)10-1418-05