環境監測大氣顆粒物采集實驗教學改革

孟紅旗，李婷婷，王明仕

河南理工大學資源環境學院

實驗教學的改進與創新是新工科背景下專業教學改革的重要組成部分[1]。大氣顆粒物采集實驗是面向我校環境工程專業學生開設的《環境監測》課程內必修實驗，大學二年級上學期開設，計劃3 學時。實驗目的是掌握大氣中顆粒物的采集方法；學會重量法的操作技巧：烘干及稱重，明確恒重的概念；掌握大氣顆粒物PM10和PM2.5濃度的分析方法。2018年10-11 月份，本人對2017級的實驗過程進行了改進，有效避免了之前采樣時間過短，顆粒物濃度負值易出現的問題。本文對實驗改進的具體細節進行描述，并借用實驗采集的樣本，開展了大氣顆粒物中銨離子濃度分析的開放實驗，增強了學生探索環境熱點問題——大氣PM2.5污染的興趣和科研能力的初步培養。

一、材料與方法

（一）實驗改進細節

我?，F有采樣設備是青島科迪博公司的KDB-120+型采樣器，設定中等流量（100 L/min），采樣濾膜為普通玻璃纖維濾膜。采樣器放置在資源環境學院樓頂，距地面高度17 m，周圍5 m無高大遮擋物。2018/2017年實驗設計對比如表1 所示。

表1 2018年實驗改進細節對比表

（二）實驗數據記錄與處理

實驗數據記錄表如表2 所示，大氣顆粒物濃度計算如式1-1 所示。

表2 實驗數據記錄表

顆粒物濃度

式中：W0——采樣前平衡過的濾膜質量(g)

W1——采樣后平衡過的濾膜質量（g)

V——標準狀態下的采樣體積（m3），儀器如無標準流量換算功能，用實際的流量和大氣溫度進行標態體積校準。

（三）開放實驗設計

大氣顆粒物采集實驗結束后，2017 級學生組織申報了學院科創項目——焦作市大氣顆粒物中銨離子濃度調查。實驗過程分為純水萃取和納氏比色2 個過程。

純水萃取∶ 將Φ90 mm 圓形濾膜用裁紙板準確切出四分之一，剪碎后放入50 mL 塑料離心管中，加入超純水（電阻為18.25 Ω）25.00 mL，密封，在25 ℃空氣浴振蕩 1 h，用針筒式微孔（0.45 um）過濾，4 ℃冰箱保存待用。

納氏比色[2]：將萃取液稀釋5 倍后，依次加入酒石酸鉀鈉50%溶液掩蔽劑和納氏顯色劑（碘化鉀+碘化汞溶液），顯色30 分鐘后，用1 cm 比色皿420 nm 下，以采樣空白濾膜萃取溶液為參比進行比色測量。

二、實驗結果

（一）大氣顆粒物濃度變化

如圖1 所示，1 班采樣期間多為晴天，氣溫穩定，大氣顆粒物濃度穩步升高，PM2.5和PM10平均濃度分別為176 ug/m3和146 ug/m3，從采樣后濾膜的完整性分析，1 班PM2.5測量應存在較大誤差。2 班采樣期間為晴轉多云，氣溫下降，大氣顆粒物濃度穩定在較高濃度，PM2.5和PM10平均濃度分別為 202 ug/m3和 235 ug/m3，11/4 日樣品存在明顯的操作失誤，給測量結果帶來較大誤差，可從后面氨氮濃度分析中得到驗證。3 班采樣期間為小雨轉陰天氣，大氣顆粒物濃度迅速下降，PM2.5和PM10平均濃度分別為66 ug/m3和77 ug/m3。4 班采樣期間為陰轉多云天氣，大氣顆粒物濃度又進一步升高，PM2.5和PM10平均濃度分別為 119 ug/m3和148 ug/m3。

圖1 采樣期間大氣顆粒物濃度變化

整個采樣期間，大氣PM2.5和PM10日均濃度分別為121 ug/m3和147 ug/m3，分別處于中度污染等級和輕度污染等級，細顆粒物占可吸入顆粒物比例為82±11%。

（二）大氣顆粒物中銨離子濃度變化

根據銨離子濃度變化（圖2），在1 班采樣期間，大氣銨離子濃度整體偏低，在PM2.5和PM10中分別為2.7 ug/m3和3.4 ug/m3，銨離子濃度在10/29 日后有明顯累積上升。在2 班采樣期間，大氣銨離子濃度整體偏高，在PM2.5和PM10中分別為12.8 ug/m3和12.5 ug/m3。在3 班采樣期間，受降雨的影響大氣銨離子濃度整體偏低，在PM2.5和PM10中分別為3.8 ug/m3和3.9 ug/m3。在4 班采樣期間，大氣銨離子濃度達到最大值，在PM2.5和PM10中分別為13.4 ug/m3和15.0 ug/m3。

圖2 采樣期間大氣顆粒物中銨離子濃度變化

整個采樣期間，銨離子在PM2.5和 PM10日均濃度分別為7.3 ug/m3和9.4 ug/m3，與我國臨安2012年[3]、廣州2007年[4]、成都平原2013年[5]等監測結果處于同一污染水平，較北京2012年[6]、保定2010年[7]和西安2005年[8]等監測結果偏低。銨離子在細顆粒物占可吸入顆粒物比例為73±21%。

三、實驗改進存在的問題及解決

將采樣周期由2 h 增加到24 h，并對采樣前后濾膜準備過程嚴格控制，有效避免了顆粒物濃度出現負值的情況，稱量不合格率由2017年的45%下降為零。以顆粒物濃度PM10≥ PM2.5進行判定，有 23%的樣本不符合要求，這很大程度上是由于個別組的學生未嚴格按照教學演示的操作進行，造成部分采樣后濾膜的質量損失，同時濾膜稱量時的大氣濕度也有較大影響[9]。計劃明年的實驗采用高韌性的聚四氟乙烯材質有機濾膜代替玻璃纖維濾膜，可最大程度上避免濾膜的質量損失。樣本濾膜破損和濾膜切割誤差對銨離子測試準確性有一定的影響。