烟气颗粒物大气污染源有害成分采样分组分析

陈琰

摘要：针对烟气颗粒物大气污染问题，文章采用污染物采样分组及化学分析的方法来确定大气中污染源的主要成分。分组采样中基于多层分离器采样方式，并通过调整温度、度等指标参数，确保制备实验的检测精度;烟气颗粒物化学成分的分析过程主要包括水溶性成分的确定、有机碳元素和其他微量元素的测定、多环芳烃有害物质成分的鉴定等，通过分组分析和化学检验可以精确确定出颗粒污染物中的成分，便于采取有针对性的应对措施。

关键词：烟气颗粒物;大气污染;有害成分;分组检测;化学分析

中图分类号：X773                  文献标识码：A

烟气颗粒物是大气污染的主要成分之一，颗粒物粒子的大小[1-2]、成分及状态决定环境污染的特征与严重程度。大气中烟气颗粒物主要来源于煤炭、石油等能源的燃烧和排放，不同粒径的烟气污染物对环境造成的污染截然不同，绝大多数有害化合物及有害元素都集中于小颗粒[3-4]。小颗粒对人类呼吸系统造成的不利影响更大。在污染较为严重的城市地区，有机物一般占PM2.5的60%以上，远远高于城镇地区和广大农村地区，因为城市地区的人口密度高、高排放的工厂数量较多、机动车数量较大，导致城市地区成为烟气颗粒物大气污染源的集中地[5-6]。城市煙气颗粒物中的有机污染物无处不在，对大气环境造成了严重、持久的污染，精确测量大气中烟气颗粒物污染源成分、组成、浓度等指标，对于治理城市烟气颗粒物大气污染意义重大，能够进一步有针对性地开展治理工作，改善城市的居住环境。

1 烟气颗粒污染物采样分组

现有的烟气颗粒物的采样方法主要包括多层分离器采样、旋转分离器采样、激光实时监控、声学测定方法及散射测定方法等。其中多层分离采样使用带有不同孔径的金属层对不同大小的颗粒物分层处理，该种方法操作简单，直径超过筛孔的颗粒物被拦截下来，但该种方法的容器设备容易被腐蚀，分组和分类的精度也有待提高;旋转分离器利用旋转过程中产生的离心力，来过滤不同直径的颗粒物，该种方法适用于污染浓度较高的场景，而且在旋转过程中颗粒物与容器内壁碰撞，容易破碎，导致测量误差值升高;激光实时监控更适用于直径较小的颗粒物，且该种采样方案的成本较高;声学测定和散射测定方面都采用电能转换的方式，确定颗粒物粒子的特征。但上述两种方案的应用场景较少，多集中于专业实验室的测量，且同样具有采样、测量成本过高的弊端。

文章采用多层分离器采样的采样方式，但对采样器的材质和结构进行了重新设计，采用抗腐蚀的镀铬过滤网和更精密的分层结构，来提高烟气颗粒物分类精度和分类效果。当含尘气体进入分离器后，按照顺序逐层让气体通过喷孔，不同直径的颗粒物分别被捕集到专用的捕集板上。烟气颗粒物采样分组还要用到烟气物测试仪，文章采用德国进口的3015H型设备，该设备具有自动化跟踪采样的功能，具有操作简单、采样精度高和适应性强的特点。3015H型烟气污染测试仪，配备了测量干湿两种气体的功能，还可以测量、等有毒有害的气体。3015H型烟气物测试仪内置了STM32型单片机，具有恢复采样的功能，即使在测试中出现断电的情况，也不会影响最终的测试效果，该设备的工作条件如表1所示。

采样分组的过程如下：将采集到的烟气样本通过采样管和采样孔输入到设备当中，将进气门放置到测量区域。观测气流方向和大小，按设备的容积和实验的要求匀速采样，烟尘气体采样过程中必须保证所抽取的一定量的含尘气体浓度均匀。按照气体捕集装置内的烟尘总体质量，以及所抽取到的压缩气体体积，计算出样本烟尘气体内所包含的颗粒物浓度和总量。3015H型设备的内部安装了温度、湿度传感器，烟气测试仪内部内置的微处理器，控制系统根据各种传感器检测到的静压、动压、温度及含湿量等各种系统参数，并通过内置的微传感器计算出烟气流速、等速跟踪流量。被分组后，烟气颗粒物测控系统还可以将实验气体流量与真实的气体流量传感器检测数值结果重新比对，感知系统相应电信号。控制电路调整抽气泵的抽气能力，使实际流量与计算的采样流量相等。同时系统内部内置的微处理器用检测到的当前系统流量信息，结合温度信息、湿度信息和压力信息，自动化地将系统真实得到的气体采样体积换算为标况大气压状态下的采样体积。STM32型单片机具有强大的数据处理功能，在烟气颗粒物大气含湿度的测量方面，首先将采样管置于烟道之中，抽取含有     的烟气颗粒物大气，空气过剩系数可以表示为：

在烟气颗粒物质量的测定方面，文章采用了经典的过滤计重法，从采样仪器中抽取不同种类的烟气颗粒物，再利用内置的滤膜装置捕集全部样本。烟气的浓度、流量等指标都可以通过过滤计重法测得最后的结果。这种烟气颗粒物测定方法的优势还在于，能够准确地分辨出采样部分烟气颗粒物样本，显示出整个烟道的颗粒物分布情况。烟气颗粒物样本在采样设备中的分布浓度相同，且根据颗粒物的直径大小呈现有规律的变化，通过选择正确的采样位置和采样数量，更有利于后续实现的成分化学分析。烟气颗粒物样本的采样速度、设备温度、压力、湿度等指标因素，会影响到最终的采样效果与颗粒物的分类效果。在分组采样中结合气体采样口的直径大小，调整不同参数组合模式，尽量保证采样过程平稳。等速采样的精度更好，依据颗粒物直径的大小准确计算出气体样本的流量和流速，然后再根据烟气颗粒物流量采样的结果分组，不会对气体颗粒物的质量造成损耗。在每次分组采样之前还应根据测试烟气成分的总体要求，调整烟气管道的直径、气体温度、湿量等指标，当气体成分变化对采样精度影响不大的情况下，可以根据实验要求适度简化调整测定项目和等速流量的指标值。

2 烟气颗粒物化学成分分析

2.1 水溶性成分测定

烟气颗粒物水溶性成分检验的溶剂采用没有任何杂质的超存水，具体的操作步骤如下：（1）在采样膜上选择15mm的圆形膜片放入称量瓶内，加入20ml超纯水，保持合适的电阻率。使用高精度超声波清洗机提存，时间约5min，使用直径为5微孔过滤头提存样本同时再向容器内加入5ml的超纯水，最后将混合后的溶液置于冷藏环境下稳定2小时。选用DX500型离子色谱仪即可观测出烟气颗粒物水溶性样本中的各种有害离子成分。

2.2 有机碳元素及其他微量元素的测定

烟气颗粒物中有机碳元素的測定，选用美国进口的光碳分析仪，该设备的检测精度可以达到0.15-0.82μgcm2，能够精确地检测出烟气颗粒物中所包含的有机碳成分。烟气颗粒物污染源中除了包含有机碳污染物之外，还包括多种其他对人体有害的微量元素。检验时取出15mm的圆形膜片，并在消解管中加入5mm浓度为60%的硝酸溶液和1mm浓度为20的过氧化氢溶液，消解过程的参数设置如表2所示。

恒温保温3小时后将溶液取出，并摇匀后静止，将此溶液作为测试溶液，即可以检测中烟气颗粒物中的各种有害微量元素成分。

2.3 多环芳烃有害物检测

多环芳烃是由两个或两个以上的苯环连接构成，外在表现为无色或黄绿色的固体物，多环芳烃是烟气颗粒污染物的主要成分之一，占PM2.5颗粒物的10%-40%。多环芳烃颗粒污染物主要来源于工厂的排放和汽车尾气的排放，可以直接吸附在较大的颗粒物表面，影响人类的健康。多环芳烃物质是一种高强度的致癌、致畸变物质，毒性很强，烟气颗粒物中所包含的主要多环芳烃物质如表3。

从烟气颗粒物成分中分级采集得到污染物样品，检测分析时采用德国进口的气相色谱仪分析大气颗粒污染物中包含的多环芳烃物质的种类及含量。检验前需要对样品做提纯和预处理，去除水分、碳元素和其他的微量元素。经过制备和提纯的样品吸附在设备的滤膜上，利用分离设备得到污染物的多环芳烃部分。样品预处理是指按照仪器的要求将前面分离出来的多环芳烃转换成实验过程中能够检测的形式，再将固化后的样品转换成离子形态。多环芳烃大气颗粒污染物检测需要用到的设备如表4所示。

检测分析过程中用到的试剂包括层析硅胶、无水乙醇等，各种试剂在使用前还需要蒸馏提纯。在实验中取少量烟气颗粒物样本置于容器中检验，加入二氯甲烷并保证每小时回流5-6次。启动温水浴锅调整水温至40度，待水平面和溶液平面相同时，调整装置的转速。最后采用层析分离的方法提存得到多环芳烃的固体物，用天平称重得到各种污染物的质量。

3 结语

烟气颗粒物是大气污染中的主要成分之一，对人体的危害极大，采取有针对性的治理措施之前首先要分析大气中烟气颗粒物的主要成分。文章采用制备实验的方式分组分析了大气中烟气颗粒物所包含的主要有害物质成分，分组分析及化学检验的方式能够更准确地确定污染物的成分及危害程度。

（责任编辑：陈之曦）

参考文献：

[1]刘旭东，杨竣凯，肖才锦，等.PIXE用于北京市新镇地区大气颗粒物污染特征和来源解析研究[J].核技术，2018，41（12）：19-27.

[2]张晗宇，程水源，姚森，等.2016年10～11月期间北京市大气颗粒物污染特征与传输规律[J].环境科学，2019，40（05）：3-13.

[3]彭犇，张业玲，岳昌盛，等.烧结除尘灰回用对烧结细颗粒排放的影响[J].环境工程，2018，36（12）：156-159.

[4]仇豪，李金娟，郭兴强，等.贵州某燃煤电厂周边春季大气颗粒物的汞污染特征[J].生态学杂志，2018，37（05）：257-261.

[5]Suriya， Vallamsundar， Jie，et al. MOVES and AERMOD Used for PM2.5 Conformity Hot Spot Air Quality Modeling：[J]. Transportation Research Record， 2018.

[6]李光勤，秦佳虹，何仁伟.中国大气PM2.5污染演变及其影响因素[J].经济地理，2018，38（08）：11-18.