CN102749260A - 测定大气颗粒物的含水量和吸湿增长率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测定大气颗粒物的含水量和吸湿增长率的方法，其过程是：1)大气样品通过过滤膜，大气中的颗粒物被收集在过滤膜上，经过一预定时间后停止采样，得到吸附有在采样时间内的大气颗粒物样品膜；2)对样品膜进行干燥气吹扫，吹扫出的水气定量检测含水量；3)反复对样品膜通入不同湿度的气体进行吸湿培养，称量吸湿前后的过滤膜重，计算出该大气样品在不同湿度条件下的质量增长率。本发明还公开了用于实现上述方法的装置。本发明为灰霾成因机制和空气质量、大气化学模式发展研究等提供基础数据，对于研究云水化学和物理、人工影响天气和对大气辐射及气候等方面也具有重要作用。

Description

测定大气颗粒物的含水量和吸湿增长率的方法和装置

技术领域

本发明属于空气质量研究和大气颗粒物监测领域，具体地涉及一种测定大气颗粒物的含水量和吸湿增长率的系统。

本发明还涉及一种测定大气颗粒物的含水量和吸湿增长率的方法。

背景技术

大气颗粒物污染与区域性的灰霾污染是全球性的气候、环境问题，灰霾天颗粒物质量浓度飙升，而质量浓度是目前空气质量标准和颗粒物研究最重要的指标之一。颗粒物在一定的大气湿度下吸湿而产生的质量的增长可达几倍，因此颗粒物的吸湿特性、含水量等参数是研究灰霾形成机理的重要因子。目前，由于缺乏有效地技术手段，颗粒物质量吸湿性研究尚不充分，颗粒物含水量与质量吸湿增长率无法系统测量，城市灰霾天颗粒物质量吸湿增长尚未涉及。而城市灰霾研究在关注气溶胶吸湿后的光学特性产生的气候效应之外，更注重细粒子吸湿后所产生的环境健康效应，除了视觉、消光、能见度的影响研究，更应注重质量浓度的吸湿增长特性，因为城市空气质量的监测与预报都是使用的质量浓度参数。目前国内外应用最广泛的在线颗粒物质量浓度检测仪器是采用β射线衰减法或者石英微量振荡天平原理，都要使用过滤膜，颗粒物的吸湿性和组分中的有机物对其检测值影响极大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定大气颗粒物的含水量和吸湿增长率的方法。

本发明的又一目的在于提供一种用于实现测定大气颗粒物的含水量和吸湿增长率方法的装置。

为实现上述目的，本发明提供的测定大气颗粒物的含水量和吸湿增长率的方法，其过程是：

1)大气样品通过过滤膜，大气中的颗粒物被收集在过滤膜上，经过一预定时间后停止采样，得到吸附有在采样时间内的大气颗粒物样品膜；

2)对样品膜进行干燥气吹扫，吹扫出的水气定量检测含水量；

3)反复对样品膜通入不同湿度的气体进行吸湿培养，称量吸湿前后的过滤膜重，计算出该大气样品在不同湿度条件下的质量增长率。

所述的方法中，步骤1过滤膜的工作温度和室外温度一致。

所述的方法中，步骤2的干燥气为干燥氮气。

本发明提供的实现上述方法的装置，其主要包括：

一采样模架，用于固定安装有过滤膜的膜过滤器，采样模架的进气端共接第一阀门、第二阀门和第三阀门的一端，第一阀门的另一端连接湿空气混合室，第二阀门的另一端与大气连接(通过空气动力学粒径切割头)，第三阀门的另一端连接干燥气；

采样模架的出气端共接第四阀门和第六阀门的一端，第四阀门的另一端连接真空泵，第六阀门的另一端连接干燥气和气相色谱仪；

第六阀门与干燥气之间安装有第五阀门；

一干洁空气通路分成第一干洁空气通路和第二干洁空气通路，其中第二干洁空气通路进入空气加湿水瓶加湿后与第一干洁空气通路的干洁空气混合，进入湿空气混合室中，通过调整第一干洁空气通路和第二干洁空气通路两路流量的大小控制目标湿度。

所述的装置中，阀门均为电磁阀门。

所述的装置中，所述的过滤膜为纤维、颗粒床或核孔膜。

所述的装置中，气相色谱仪为5890II型气相色谱仪。

所述的装置中，第一干洁空气通路和第二干洁空气通路中各连接有质流量控制器。

本发明采用可控湿度过滤膜采样系统和经过优化的气相色谱热导检测器法(GC-TCD)以及精确的天平称重操作，通过检测控制的不同跨度湿度下大气颗粒物的含水量与质量增长来测定质量吸湿增长率。检测结果不仅有助于获取我国城市区域大气颗粒物吸湿性特征，掌握颗粒物吸湿性与化学组成和混合形态之间的关系，为空气质量模式发展提供基础数据，为城市空气质量预测预报尤其是灰霾天的预警，灰霾强度的定量分级提供科学依据，而且对于研究云水化学和物理、人工影响天气和对大气辐射及气候等方面的影响具有重要作用，并能够推动我国大气颗粒物吸湿性研究领域的发展。

附图说明

图1为本发明采样测量颗粒物含水量与吸湿增长特性实验流程图；

图2为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明公开了一种可控湿度过滤膜系统配合天平称重和热导检测器\气相色谱(GC-TCD)方法和装置，经过除水吹扫，控制加湿，微量天平称重等系列步奏，测量采集到的大气颗粒物本身的含水量和在不同相对湿度下的质量浓度吸湿增长率。

具体技术方案和操作如下：

在控制温度和相对湿度的情况下，在采样前后对过滤膜进行称重，过滤膜质量的增加量除以相应时间的采样气体体积就得到采样期间的平均颗粒物质量浓度。此法优点是一个采样可以在不同湿度下进行称量，同时通过对过滤膜上的颗粒物进行加湿可以显示不同与单个空气动力学传播气溶胶的吸湿行为。采集气溶胶粒子的过滤膜主要有纤维膜、颗粒床和核孔膜等。各种过滤膜采集粒子的原理是近似的。采集大气气溶胶粒子的多种测量过滤膜的采集效率大于99％。

本发明采用的过滤膜为公知的纤维、颗粒床或核孔膜，具体地比如玻璃纤维膜、石英纤维膜、金属颗粒床以及泰氟隆膜等。本实施例是以泰氟隆膜为例，将泰氟隆膜放入模架，吹扫高纯氮气5分钟进行除湿处理，然后在室温干燥环境下称重，记录过滤膜重为A0，然后放入模架，通入RH＝50％的湿空气进行加湿处理，加湿3分钟后，取出称重，记录过滤膜重为A50，放回模架通过氮载气吹扫水分进入GC-TCD测含水量，记录含水量值A50-w，测完后膜处于干燥状态；提高湿空气湿度20％，即通入RH＝70％的湿空气进行加湿处理，加湿3分钟后，取出称重，记录过滤膜重为A70，放回模架通过氮载气吹扫水分进入GC-TCD测含水量，记录含水量值A70-w，测完后过滤膜处于干燥状态；提高湿空气湿度20％，即通入RH＝90％的湿空气进行加湿处理，加湿3分钟后，取出称重，记录过滤膜重为A90，放回模架通过氮载气吹扫水分进入GC-TCD测含水量，记录含水量值A90-w。

空白膜的加湿称重处理结束，进行吹扫除湿后开始采样，经过大流量采样4小时后，称重采样过滤膜，记录过滤膜重为B，放入模架，吹扫高纯氮气5分钟进行除湿处理，然后在室温干燥环境下称重，记录过滤膜重为B0，然后放入模架，通入RH＝50％的湿空气进行加湿处理，加湿3分钟后，取出称重，记录过滤膜重B50，放回模架通过氮载气吹扫水分进入GC-TCD测含水量，记录含水量值B50-w，测完后过滤膜处于干燥状态；提高湿空气湿度20％，即通入RH＝70％的湿空气进行加湿处理，加湿3分钟后，取出称重，记录过滤膜重B70，放回模架通过氮载气吹扫水分进入GC-TCD测含水量，记录含水量值B70-w，测完后过滤膜处于干燥状态；提高湿空气湿度20％，即通入RH＝90％的湿空气进行加湿处理，加湿3分钟后，取出称重，记录过滤膜重B90，放回模架通过氮载气吹扫水分进入GC-TCD测含水量，记录含水量值B90-w，至此一个完整的过滤膜采样含水量与吸湿增长特性实验完成，进行如下计算：

(B0-A0)＝采样量(采样量除采样流量体积可得4小时平均质量浓度)，B50-A50为RH＝50％时，样品PM1的吸湿增长质量，B70-A70为RH＝70％时，样品PM1的吸湿增长质量，B90-A90为RH＝90％时，样品PM1的吸湿增长质量；(B50-w)-(A50-w)为RH＝50％时，样品PM1的含水量，(B70-w)-(A70-w)为RH＝70％时，样品PM1的含水量，(B90-w)-(A90-w)为RH＝90％时，样品PM₁的含水量。

环境温度也是影响气溶胶吸湿性的一个因素，为了研究真实大气的状况，采样膜架等设备的温度保证和当时的室外温度一致。

过滤膜采样质量浓度吸湿增长的测量与计算：

1)GC-TCD测颗粒物含水量优化条件：

采用装备有热导检测器的气相色谱仪10，该色谱仪10为美国HP公司5890II型气相色谱，配有六通阀、辅助气路和单丝微池热导检测器，双柱(2MX 1/800，Porpark QS 50/80)，可精确测量10^-9量级的含水量。载气为高纯N₂≥99.999％；流速30mL/min；柱温50℃；检测器温度80℃；电流120mA。

2)除湿处理：第三阀门3和第六阀门6打开，其他电磁阀关闭，此时高纯氮气吹过模架11，带走模架11内和采样过滤膜的水分进入GC-TCD，直到水分吹完(标志为GC-TCD检测不到水分)。

3)加湿处理：第一阀门1、第四阀门4和第五阀门5打开，其他电磁阀关闭，此时，高纯氮气直接通过第五阀门5进入GC-TCD维持基线。将空气压缩机产生的空气通过过滤和干燥后引入本发明的装置，首先通过两个质流量控制器(MFC1和MFC2)分流，一路通过第一质流量控制器MFC1直接通入干洁空气，另一路通过第二质流量控制器MFC2进入空气加湿水瓶12中加湿后与干洁空气混合，进入到湿空气混合室13中，通过调整两路气流量的大小达到控制目标湿度的目的，同时湿空气混合室13中安装有湿度计131，目标湿度的湿空气由真空泵14抽出，经过第一阀门1进入模架11加湿模架和泰氟隆膜。

4)GC-TCD测含水量：第三阀门3和第六阀门6打开，其他电磁阀关闭，此时高纯氮载气通过第三阀门3进入模架11，吹扫其中的水分，后经过第六阀门6进入到气相色谱仪10中分离检测，确定水分含量。此时其他阀关闭，真空泵14关闭。

5)采样处理：当空白过滤膜做过前处理后，进行采样操作，第二阀门2、第四阀门4和第五阀门5打开，其他电磁阀关闭，此时，大气气流通过第二阀门2(第二阀门2装有空气动力学粒径切割头PM1)进入模架11，采样过滤膜收集颗粒物后，气流经过第四阀门4被真空泵14抽走；高纯氮经过第五阀门5直接进入气相色谱仪10产生基线，其他气路关闭。

6)膜采样含水量测量与计算

通过GC-TCD测量，颗粒物含水量由全部水量和背景水量的差值计算而得。背景水量包括特定湿度时的潮湿空气和保存在空白模还有模架上的水气。水量计算在一定湿度的潮湿空气按下式表达：

$m_{H_{2}O,\mathrm{air}}=p^0\frac{18(\%\mathrm{RH})}{{10}^{-4}\mathrm{RT}}V---\left(1\right)$

式中，m_H2O，air和P⁰分别表示水量(ug)和配制湿空气的饱和蒸汽压；％RH和V分别代表调制湿空气的相对湿度和模架的体积。R和T是通用气体常数和湿空气的绝对温度。

式中V是17cm³通过称重模架在充水前后得到。背景水量表示为：

$m_{H_{2}O,\mathrm{background}}=3.73\×{10}^4{p}^0\frac{(\%\mathrm{RH})}{T}+m_{H_{2}O,\mathrm{filter}}+m_{H_{2}O,\mathrm{filter},\mathrm{compartment}}---\left(2\right)$

式中，m_H2O，air通过替换V＝17cm³和R＝8.2×10^-5cm³atmK^-1g^-1进公式(1)。m_H2O，filtel是空白滤膜的含水量，m_H2O，filter，compartmen表示阀和模架的含水量。在背景含水量被测量后，目标颗粒物收集在之前的空白膜上。随后调制出各种相对湿度，水量在高纯氮吹扫后别测量，产生一个总水量，m_H2O，total，对应一个特定的相对湿度。采集样品的含水量可以比计算通过下式：

$m_{H_{2}O,\mathrm{sample}}=m_{H_{2}O,\mathrm{total}}-m_{H_{2}O,\mathrm{background}}---\left(3\right)$

本发明用于确定大气颗粒物的含水量和质量吸湿增长率，本发明采用可控湿度过滤膜系统、天平称重和热导检测器气相色谱系统，可对颗粒物进行含水量和质量吸湿率测定，为灰霾成因机制和空气质量、大气化学模式发展研究等提供基础数据，对于研究云水化学和物理、人工影响天气和对大气辐射及气候等方面也具有重要作用。

Claims (9)

1.一种测定大气颗粒物的含水量和吸湿增长率的方法，其过程是：

1)大气样品通过过滤膜，大气中的颗粒物被收集在过滤膜上，经过一预定时间后停止采样，得到吸附有在采样时间内的大气颗粒物样品膜；

2)对样品膜进行干燥气吹扫，吹扫出的水气定量检测含水量；

3)反复对样品膜通入不同湿度的气体进行吸湿培养，称量吸湿前后的过滤膜重，计算出该大气样品在不同湿度条件下的质量增长率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，过滤膜的工作温度和室外温度一致。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2的干燥气为干燥氮气。

4.一种实现权利要求1所述方法的装置，其主要包括：

一采样模架，用于固定安装有过滤膜的膜过滤器，采样模架的进气端共接第一阀门、第二阀门和第三阀门的一端；

第一阀门的另一端连接湿空气混合室，第二阀门的另一端连接大气，第三阀门的另一端连接干燥气；

采样模架的出气端共接第四阀门和第六阀门的一端；

第四阀门的另一端连接真空泵，第六阀门的另一端连接干燥气和气相色谱仪；

第六阀门与干燥气之间安装有第五阀门；

一干洁空气通路分成第一干洁空气通路和第二干洁空气通路，其中第二干洁空气通路进入空气加湿水瓶加湿后与第一干洁空气通路的干洁空气混合，进入湿空气混合室中，通过调整第一干洁空气通路和第二干洁空气通路两路流量的大小控制目标湿度。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述的阀门均为电磁阀门。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述的第二阀门的另一端通过空气动力学粒径切割头与大气连接。

7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述的过滤膜为纤维、颗粒床或核孔膜。

8.根据权利要求4所述的装置，其中，所述的气相色谱仪为5890II型气相色谱仪。

9.根据权利要求4所述的装置，其中，所述的第一干洁空气通路和第二干洁空气通路中各连接有质流量控制器。

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