孟红旗，李婷婷，王明仕

河南理工大学资源环境学院

实验教学的改进与创新是新工科背景下专业教学改革的重要组成部分[1]。大气颗粒物采集实验是面向我校环境工程专业学生开设的《环境监测》课程内必修实验，大学二年级上学期开设，计划3 学时。实验目的是掌握大气中颗粒物的采集方法；学会重量法的操作技巧：烘干及称重，明确恒重的概念；掌握大气颗粒物PM10和PM2.5浓度的分析方法。2018年10-11 月份，本人对2017级的实验过程进行了改进，有效避免了之前采样时间过短，颗粒物浓度负值易出现的问题。本文对实验改进的具体细节进行描述，并借用实验采集的样本，开展了大气颗粒物中铵离子浓度分析的开放实验，增强了学生探索环境热点问题——大气PM2.5污染的兴趣和科研能力的初步培养。

一、材料与方法

（一）实验改进细节

我校现有采样设备是青岛科迪博公司的KDB-120+型采样器，设定中等流量（100 L/min），采样滤膜为普通玻璃纤维滤膜。采样器放置在资源环境学院楼顶，距地面高度17 m，周围5 m无高大遮挡物。2018/2017年实验设计对比如表1 所示。

表1 2018年实验改进细节对比表

（二）实验数据记录与处理

实验数据记录表如表2 所示，大气颗粒物浓度计算如式1-1 所示。

表2 实验数据记录表

颗粒物浓度

式中：W0——采样前平衡过的滤膜质量(g)

W1——采样后平衡过的滤膜质量（g)

V——标准状态下的采样体积（m3），仪器如无标准流量换算功能，用实际的流量和大气温度进行标态体积校准。

（三）开放实验设计

大气颗粒物采集实验结束后，2017 级学生组织申报了学院科创项目——焦作市大气颗粒物中铵离子浓度调查。实验过程分为纯水萃取和纳氏比色2 个过程。

纯水萃取∶ 将Φ90 mm 圆形滤膜用裁纸板准确切出四分之一，剪碎后放入50 mL 塑料离心管中，加入超纯水（电阻为18.25 Ω）25.00 mL，密封，在25 ℃空气浴振荡 1 h，用针筒式微孔（0.45 um）过滤，4 ℃冰箱保存待用。

纳氏比色[2]：将萃取液稀释5 倍后，依次加入酒石酸钾钠50%溶液掩蔽剂和纳氏显色剂（碘化钾+碘化汞溶液），显色30 分钟后，用1 cm 比色皿420 nm 下，以采样空白滤膜萃取溶液为参比进行比色测量。

二、实验结果

（一）大气颗粒物浓度变化

如图1 所示，1 班采样期间多为晴天，气温稳定，大气颗粒物浓度稳步升高，PM2.5和PM10平均浓度分别为176 ug/m3和146 ug/m3，从采样后滤膜的完整性分析，1 班PM2.5测量应存在较大误差。2 班采样期间为晴转多云，气温下降，大气颗粒物浓度稳定在较高浓度，PM2.5和PM10平均浓度分别为 202 ug/m3和 235 ug/m3，11/4 日样品存在明显的操作失误，给测量结果带来较大误差，可从后面氨氮浓度分析中得到验证。3 班采样期间为小雨转阴天气，大气颗粒物浓度迅速下降，PM2.5和PM10平均浓度分别为66 ug/m3和77 ug/m3。4 班采样期间为阴转多云天气，大气颗粒物浓度又进一步升高，PM2.5和PM10平均浓度分别为 119 ug/m3和148 ug/m3。

图1 采样期间大气颗粒物浓度变化

整个采样期间，大气PM2.5和PM10日均浓度分别为121 ug/m3和147 ug/m3，分别处于中度污染等级和轻度污染等级，细颗粒物占可吸入颗粒物比例为82±11%。

（二）大气颗粒物中铵离子浓度变化

根据铵离子浓度变化（图2），在1 班采样期间，大气铵离子浓度整体偏低，在PM2.5和PM10中分别为2.7 ug/m3和3.4 ug/m3，铵离子浓度在10/29 日后有明显累积上升。在2 班采样期间，大气铵离子浓度整体偏高，在PM2.5和PM10中分别为12.8 ug/m3和12.5 ug/m3。在3 班采样期间，受降雨的影响大气铵离子浓度整体偏低，在PM2.5和PM10中分别为3.8 ug/m3和3.9 ug/m3。在4 班采样期间，大气铵离子浓度达到最大值，在PM2.5和PM10中分别为13.4 ug/m3和15.0 ug/m3。

图2 采样期间大气颗粒物中铵离子浓度变化

整个采样期间，铵离子在PM2.5和 PM10日均浓度分别为7.3 ug/m3和9.4 ug/m3，与我国临安2012年[3]、广州2007年[4]、成都平原2013年[5]等监测结果处于同一污染水平，较北京2012年[6]、保定2010年[7]和西安2005年[8]等监测结果偏低。铵离子在细颗粒物占可吸入颗粒物比例为73±21%。

三、实验改进存在的问题及解决

将采样周期由2 h 增加到24 h，并对采样前后滤膜准备过程严格控制，有效避免了颗粒物浓度出现负值的情况，称量不合格率由2017年的45%下降为零。以颗粒物浓度PM10≥ PM2.5进行判定，有 23%的样本不符合要求，这很大程度上是由于个别组的学生未严格按照教学演示的操作进行，造成部分采样后滤膜的质量损失，同时滤膜称量时的大气湿度也有较大影响[9]。计划明年的实验采用高韧性的聚四氟乙烯材质有机滤膜代替玻璃纤维滤膜，可最大程度上避免滤膜的质量损失。样本滤膜破损和滤膜切割误差对铵离子测试准确性有一定的影响。