郎鹏凯

(山西省煤炭建设监理有限公司，山西 太原 030000)

引 言

随着工业化进程的不断发展，大气内各种悬浮颗粒种类和数量的不断增加是导致全球大气污染不断加剧的罪魁祸首，空气中悬浮颗粒根据直径的不同可分为总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物、细颗粒物、可入肺颗粒物。总悬浮颗粒物的直径一般小于100 μm，通常为含有多种毒性的污染物，是大气污染的关键。可吸入颗粒物的直径一般小于10 μm，细颗粒物的直径一般小于2.5 μm，可以直接损伤生物的呼吸系统，可入肺颗粒物的直径一般小于0.1 μm，长期吸入后会损伤生物的肺部，导致出现生命危险。由于各类悬浮颗粒的直径小、直径跨度大，依据传统利用颗粒采样器进行悬浮物收集、称重、分选鉴定的监测方案监测效率低、精度差，无法满足越来越高的环境监测需求[1]。本文提出了采用滤膜及实时监测大气颗粒物采样器对大气污染物情况进行监测的方案，在对各类滤膜的最佳应用范围进行分析的基础上，对不同直径范围污染物收集滤膜的应用情况进行总结，根据分析表明采用滤膜及实时监测大气颗粒物采样器的方案具有采集准确性高、速度快的优点，能够显著提升大气污染物的监测精度和效率。

1 大气滤膜应用分析

目前通用的大气滤膜主要包括玻璃纤维滤膜、石英纤维滤膜以及特氟龙滤膜[2]，各类别的滤膜具有不同的特性和应用范围，具体统计如下。

玻璃纤维滤膜，该滤膜为不透明的白色外观，含有硅、铝等多种金属元素，在熔态下织丝而成，能够承受最高500 ℃的温度，可以在高温高湿的环境中工作，在收集时的气体阻力比较低，能承载的大气污染物颗粒密度大，因此主要用在低空气流速度相对较大，污染物颗粒密集的区域。玻璃纤维膜的孔径在0.6 μm～2.6 μm，涵盖范围广，在使用时通常将多组不同孔径的滤膜进行叠加，从前到后滤膜孔径逐渐降低，从而实现对气流中不同直径污染物的全面采集，滤膜结构如图1a)所示。

图1 不同滤膜结构示意图

石英纤维滤膜，该滤膜同样为不透明的白色外观，滤膜材质相对较脆，受力时易开裂。该滤膜对各种小直径污染物的吸附能力强，但对空气湿度较为敏感，不宜使用在潮湿环境中。由于含有多种金属元素，在收集小直径污染物时容易出现氧化反应，因此不宜对空气中金属小直径污染物进行测量，常用于干燥环境下对空气中的含碳小直径污染物含量的收集。石英纤维滤膜的主要成分为二氧化硅，能够适应酸性环境下的气体污染物的收集，其中2.2 μm的滤膜应用范围最广，主要对PM2.5和PM10类别的污染物进行收集和含量分析。滤膜结构如图1b)所示。

特氟龙滤膜，该滤膜为近似透明的外观，滤膜材质韧性强、质地密集，收集空气中的小直径污染物时的阻力大但对污染物颗粒的采集速度快。滤膜基材为炭基材，因此不适合对空气中的含碳污染物进行收集分析，该滤膜无法吸收气体，只能用于过滤，不适宜应用在潮湿的环境中，主要用于对空气中的金属小直径污染物进行测定。特氟龙滤膜具有稳定性好、成本低的优点，使用范围较广，滤膜孔径种类多样，基本可以涵盖全部类型空气污染物的直径范围。滤膜结构如图1c)所示。

2 大气颗粒物采样器

随着科技水平的发展，对大气颗粒物采样的自动化、智能化需求不断提升，目前常用的智能化采样器包括ME5701型综合采样设备、TH-3150大气综合采样器以及MHY-27819型大气综合采样器，其中ME5701型综合采样设备能够使用电脑对采样时的大气流量、气流方向进行精确控制，具有大流量、低噪声的特点。TH-3150大气综合采样器能够同时进行四路大气流量采样收集，通过微孔恒流和反馈紊流相结合的方式实现对大气小直径污染物的精确收集和分析。MHY-27819型大气综合采样器采用了工业级的电子恒温控制技术，能够将收集的污染物颗粒控制在恒温的状态，满足精确分析的需求。

大气颗粒物采样器根据流量的不同分为不同等级，大流量采样器主要用于污染物浓度高、气流速度快的地方，中流量采样器则主要用于污染物浓度相对较低、气流速度相对较慢的区域。大气颗粒物采样器能够在确定的位置进行持续的大气污染物收集，对收集的污染物进行自动分析，确定污染物成分和含量。将监测结果传输到控制中心，实现对大气污染的自动监测。大气颗粒物采样器结构如图2所示[3]。

图2 大气颗粒物采样器结构示意图

3 滤膜及采样器应用范围分析

大气环境监测是一个非常复杂的过程，监测过程中受影响因素多，因此单一的大气采样方式无法满足大气监测精确性的需求。在对滤膜进行选择时需要根据监测需求选用不同的滤膜材质和孔径，否则将对监测结果产生巨大的影响。石英纤维滤膜由于含有大量的硅元素及其他杂质元素，分子组成和大气污染物的的分子组成重合度高，因此无法对重金属污染粒子含量进行测定。玻璃纤维滤膜则由于价格相对较高，使用时需多组相互叠加才能获取较为全面的结果，操作复杂，分析效率低下，在实际的大气污染物收集中使用受到了较大限制。特氟龙滤膜则兼具稳定性好、精确度高、成本低廉的特点，在环境湿度为55%～65%的情况下，特氟龙滤膜的测试结果精确度最高[4]。

大气颗粒物采样器主要用于重点区域的在线实时监测，但由于该类别设备的测试精度受风向、温度、湿度影响较大，因此只能对监测区域内的环境情况进行一个粗略的估计，无法满足精确监测的需求。在实际使用中通常先利用大气颗粒采样器对区域内的环境进行连续监测，当空气值出现异常时，根据监测结果合理的选择特氟龙滤膜或者玻璃纤维滤膜进行补充监测，从而精确分析出大气内小直径污染物的类别、含量，为大气环境预报和治理提供依据。

4 结论

针对空气中小直径污染物类多、收集困难的、测试精确性差、效率低，无法满足大气监测需求的现状，在对不同的滤膜和大气颗粒物采样器特性和应用范围进行分析的基础上，提出采用大气颗粒物采样器实时在线监测和滤膜补充精确监测相结合的方案，有效提升了大气内小直径污染物颗粒的监测精度和效率，根据实际分析表明：

1) 通用的大气滤膜主要包括玻璃纤维滤膜、石英纤维滤膜以及特氟龙滤膜，特氟龙滤膜则兼具稳定性好、精确度高、成本低廉的特点，应用最为广泛。

2) 气颗粒物采样器能够实现自动连续监测，但测试精度受风向、温度、湿度影响较大，因此只能对监测区域内的环境情况进行一个粗略估计。

3) 采用大气颗粒物采样器实时在线监测和滤膜补充精确监测相结合的方案，能够在进行连续监测的基础上进行重点分析，为大气环境预报和治理提供依据。