激光散射法與β射線法測量環境空氣中顆粒物質量濃度的差異

郭 浩 紀德鈺 苗書一 王曼華 王 偉

(大連市環境監測中心，遼寧 116023)

在我國，大多數城市空氣中的首要污染物是顆粒物，顆粒物污染已成為最重要的空氣污染之一。由于顆粒物上聚集了大量重金屬、細菌、病毒、酸性氧化物等，導致人類呼吸系統疾病呈明顯上升趨勢［1］，特別是一些有毒金屬，如砷和汞及其化合物附著在顆粒物表面，通過皮膚、呼吸道等途徑進入人體，經過累積引起慢性中毒［2］。目前，我國對顆粒物質量濃度的監測方法為β 射線法，該方法能夠排除顆粒物由于吸水性帶來的測量結果偏高和揮發性物質揮發損失造成結果偏低的問題，為大多數空氣質量自動監測站所采用。本文通過激光散射法與β 射線法兩種方法對顆粒物質量濃度的測量結果進行比較，了解實際監測過程中激光散射法的實用性和準確性，對顆粒物新方法監測有著重要的意義。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

Grimm180 環境顆粒物監測儀(德國);5030 型顆粒物監測儀(PM10)(美國);5030 型顆粒物監測儀(PM2.5)(美國);5030 型顆粒物監測儀(PM1.0)(美國)。

1.2 基本原理

Grimm180 環境顆粒物監測儀工作原理:半導體激光源以高頻產生綠色激光照射樣氣室，如果有顆粒物存在，激光照在上面會發生散射，在同一平面上與激光照射方向成90°角的檢測器會收到被對面的反射鏡聚焦的散射光，檢測器收到的脈沖信號與產生散射的顆粒物直徑大小是有相關性的。這樣，檢測器就為所有經過樣氣室的顆粒物產生各自相應的脈沖信號。最后脈沖信號計數器記錄顆粒物的個數，同時脈沖信號分析器給出每個顆粒物相應的脈沖強弱分級，計算出每個顆粒物粒徑的大小。數字處理器將得到的結果乘以顆粒物密度，就得到了質量濃度。

5030 型顆粒物監測儀工作原理:環境空氣由采樣泵吸入采樣管，經過濾膜后排出。顆粒物沉淀在采樣濾膜上，儀器中濾膜的兩側安裝有β 射線源和檢測器，當β 射線通過沉積著顆粒物的濾膜時，β 射線能量衰減，β 射線檢測器的輸出信號能直接反映顆粒物的質量變化，通過對衰減量的測定及采集樣品的體積計算出顆粒物的濃度［3］。

1.3 調試運行及儀器校準

顆粒物連續監測系統安裝并連續正常運行168 小時后，進行調試，調試完成后性能指標符合相應的指標要求［4］。更換濾膜后，檢查儀器的采樣流量，用標準膜進行標定［5］。

1.4 監測數據

監測數據為連續5 個月146 天的顆粒物(PM10、PM2.5、PM1.0)質量濃度日均值。

2 結果分析

2.1 兩種方法的相關性

通過對數據的分析可以看出兩種方法測得的顆粒物濃度相關性為PM2.5＞PM10＞PM1.0，相關系數分別為0.9462，0.8540，0.8508，見圖1、圖2、圖3。激光散射法測定顆粒物PM10的質量濃度略低于β 射線法;測定PM1.0的質量濃度略高于β 射線法;當空氣質量指數AQI≤100 時，即空氣質量級別為優良時，激光散射法測定顆粒物PM2.5的質量濃度略高于β 射線法，空氣質量指數AQI＞100 時，即空氣質量級別為污染時，激光散射法測定顆粒物PM2.5的質量濃度略低于β 射線法。

圖1

圖2

圖3

2.2 兩種方法的誤差

假設β 射線法測定顆粒物日均值濃度結果為真值，激光散射法測定顆粒物PM10的相對誤差主要集中在－20%～20%之間，出現頻率為61.6%，在相對誤差－10%～10%之間出現的頻率最高，為27.4%，見圖4;測定PM2.5的相對誤差同樣集中在－20%～20%之間，出現頻率為75.3%，在相對誤差－10%～10%之間出現的頻率最高，為47.9%，見圖5;而測定PM1.0的相對誤差大部分大于20%，出現頻率為64.4%，見圖6。對激光散射法測定顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0的日均值濃度結果做正態分布，通過計算可知:PM10的可信區間為－24.5%～17.3%，PM2.5的可信區間為－15.0%～21.0%，PM1.0的可信區間為1.7%～69.9%。

圖4

圖5

圖6

通過對兩種方法日均值進行比較，即t 檢測法［6］，該方法適用與確定兩種檢測方法之間的系統誤差。若給定α=0.05，f=145，t0.05(∞)=1.960，得出│t│PM2.5=1.274 ＜1.960，│t │PM10= 2.404＞1.960，│t │PM1.0=10.899＞1.960，即在兩種方法下測定顆粒物PM2.5的日均值無顯著差異，而測定顆粒物PM10和PM1.0的日均值存在顯著性差異。

3 結 論

目前我國對顆粒物質量濃度的監測方法為β 射線法，該方法能夠排除顆粒物由于吸水性帶來的測量結果偏高和揮發性物質揮發損失造成結果偏低的問題，為大多數空氣質量自動監測站所采用。本文通過激光散射法與β 射線法兩種方法對顆粒物質量濃度的測量結果進行比較，了解實際監測過程中激光散射法的實用性和準確性，對顆粒物新方法監測有著重要的意義。研究表明:

(1)激光散射法與β 射線法相比較，測得顆粒物PM10的質量濃度偏低，PM1.0的質量濃度偏高，PM2.5的質量濃度與空氣質量指數有一定的關系，當AQI≤100時，激光散射法的測定結果高于β 射線法，AQI＞100時，激光散射法的測定結果低于β 射線法。兩種方法的相關性為PM2.5＞PM10＞PM1.0。

(2)兩種方法測定的結果存在一定的誤差，相對誤差PM1.0＞PM10＞PM2.5，用t 檢測法對激光散射法和β射線法測得顆粒物質量濃度的日均值做比較，發現測定顆粒物PM2.5的日均值無顯著差異，而測定顆粒物PM10和PM1.0的日均值存在顯著性差異，可見，激光散射法對于檢測環境空氣中顆粒物PM2.5的質量濃度是可信的。

［1］魏復盛，滕恩江，吳國平，等．空氣污染對呼吸健康影響研究［J］醫學研究通訊，2005(5):27－28．

［2］李慧，張立石．砷的毒性與生物學功能［J］．現代預防醫學，2000(1):47－48．

［3］國家環境保護總局．空氣和廢氣監測分析方法［M］．4 版．北京:中國環境科學出版社，2003．

［4］環境空氣顆粒物連續自動監測系統安裝和驗收技術規范HJ655－2013．

［5］環境空氣質量自動監測技術規范HJ/T193－2005．

［6］中國環境監測總站．環境水質監測質量保證手冊［M］．2 版．北京:化學工業出版社，2010:264－266．