CN110208157A - 一种生态环境动态监测及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及监测领域，提供一种生态环境动态监测及预警方法。本发明通过采样泵采集外部环境待测空气，通过抽滤泵使大气悬浮物沉积到滤膜上，滤膜经传动装置快速转移至β射线检测器，β射线检测器确定吸附在滤膜上的颗粒物质量，流量计计量采集的空气体积，控制器确定当前雾霾浓度，并依据雾霾浓度变化趋势预测将来时间的雾霾浓度，其中滤膜是采用无机材料改性的复合物薄膜，具备较高的拉伸强度。本发明的监测方法通过对大气污染物的快速自动检测，从而实现对生态环境中雾霾污染的动态监测及预警。

Description

一种生态环境动态监测及预警方法

技术领域

本发明涉及环境监测领域，特别是涉及一种生态环境动态监测及预警方法。

背景技术

生态环境是指影响人类生存与发展的各种自然资源的数量与质量的总称，关系到社会经济的持续发展，生态环境问题是指人类为其自身生存和发展，在利用和改造自然的过程中，对自然环境的破坏和污染所产生的危害人类生存的各种负反馈效应，突出表现为空气污染，水土流失，植被退化等现象。

近年来，在人口密度大的地区，尤其是大、中城市产生雾霾天气，严重威胁了国民的身体健康，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，是空气污染的直观表现，医学上认为直径小于10μm的大气颗粒(PM_l0)可进入人体呼吸系统，直径小于2.5μm的颗粒(PM_2.5)甚至能进入支气管和肺泡并沉积，引起高死亡率的心脏病和呼吸道病症以及肺功能损伤，对人体健康危害极大。随着空气质量的恶化，雾霾现象出现逐渐增多，其对社会的危害将不断加重。

目前对雾霾天气的监测方案主要有三种方式，即“光散射法检测方式”、“天平称重检测方式”以及“β射线称重方式”。

光散射法是采用激光光源照射被测颗粒形成散射信号，利用光电部件接收散射信号的次数和强度，散射信号的次数和强度代表了粒子的数量和大小，以此统计转换成雾霾的浓度，申请号为201720148030.6的中国实用新型专利申请文献公开了一种雾霾颗粒物信息采集方法，采用一种频率交变的激光照射雾霾空气发生作用，通过灵敏声音传感器接收到作用信号后，放大传输给控制器处理，得到雾霾浓度，申请号为201610179675.6的中国发明专利申请文献公开了一种雾霾监测方法，通过电离手段使雾霾粒子带电，施加电场驱使雾霾粒子定向移动并吸附到光敏电阻上，通过监测固定光照条件下光敏电阻阻值的变化来计算雾霾粒子数量，此方法操作简单，能在线连续监测，但通过粒子数量和大小推算粒子质量，测量精度低。

天平称重法是通过抽滤的方式将被测颗粒截留到具有微小孔隙的滤膜上，再用天平称量得到滤膜采样前后的质量差即是雾霾颗粒的质量。该方法经典可靠，是目前国家标准方法，但存在操作复杂、费时、无法连续监测等缺点

β射线称重是采用β射线照射被测颗粒，β射线会与颗粒碰撞损失能量，在较低能量情况下，β射线的吸收程度只取决于介质的质量有关，对比照射前后β射线强度变化的幅度，可以计算出雾霾的质量，申请号为201510878762.6的中国发明专利文献公开了一种雾霾颗粒物检测方法，采用β射线法和光散射法同步检测，内部参比的方法实现对检测结果的校准，此方法不需要换算过程，测量精度高，但存在体积庞大，检测速度慢等问题。

发明内容

为了克服现有的技术的不足,本发明提供一种生态环境动态监测及预警方法，能够实现对大气颗粒物的连续自动检测，操作简便，应用广泛。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种空气雾霾监测装置，所述空气雾霾监测装置包括供电电源，进气管，采样泵，储气室，流量计，导流管，采集器，检测器，传动装置，抽滤泵，控制器，出气管。

所述进气管与出气管设置在监测装置的两端，用于空气的对流交换。

所述采样泵，用于形成负压，将外界空气吸入装置内。

所述储气室与进气管相通，用于存储一定量的待测空气。

所述导流管的一端与储气室相通，一端与采集器相通。

所述流量计安装在导流管中段，用于计量所测空气的体积。

所述采集器，用于过滤收集空气中的颗粒物。较优的技术方案是，采用无机材料增强聚合物的复合滤膜。

所述检测器，包括β射线发生器和盖革计数管。β射线发生器与供电电源连接，可发射β射线照射滤膜上的颗粒物。盖革计数管用于接收透过滤膜的β射线。

所述传动装置包括转轴，压轮和放带轴，用于将采集后的滤膜快速平稳的转移至β射线检测区域。

所述抽滤泵，用于形成负压，将储气室内空气抽过滤膜。

所述控制器，分别与流量计，采样泵，抽滤泵，传动装置和检测器连接，用于向所述采样泵，抽滤泵，检测器输出控制命令，并获取流量计和检测器监测到的参数，用以计算当前和未来时间的雾霾浓度。

所述供电电源，分别与采样泵，抽滤泵，检测器，传动装置和控制器连接，用于提供动力。

本发明包括以下步骤：

1.通过采样泵抽取外部待测空气，外部气体经进气管进入储气室内，经过导流管导流至空气滤膜，流量计计量空气流量，抽滤泵产生负压，将待测空气抽滤透过滤膜，透过滤膜的尾气经出气管排出。

较优的方案是，采样泵和抽滤泵采用同步工作的方式完成待测空气的采集与过滤，提高检测效率。

2.待步骤1进行一定时间后停止采样泵和抽滤泵工作，传动装置带动滤膜移动，将附着待测物的部分滤膜转移至检测区域，β射线发生器发出β射线照射在待测物颗粒上，盖革计数管接收被待测物吸收衰减后的β射线。

较优的方案是，采样泵和抽滤泵在传动装置工作期间停止工作，在传动装置停止期间立即恢复工作，更好的实现检测的连续性。

3.控制器根据β射线衰减程度计算出待测物质量，结合空气流量计算出相应的雾霾浓度。控制器通过连续时段雾霾浓度的变化，预测一定时间后的雾霾浓度，若超过预设警戒值，即向外界发出预警。

当前时刻雾霾浓度的计算公式是：

未来某时刻雾霾浓度的计算公式是：

式中k₁为当前雾霾浓度，m₁为悬浮物质量，v₁为相应空气流量，t₁为相应时刻；k₂为之前某时刻雾霾浓度，t₂为相应时刻；k₃为待预警时刻雾霾浓度，t₃为相应时刻。

为了实现对大气颗粒物的连续检测，上述方法会频繁的对滤膜进行传动操作，这就要求滤膜具有较高的机械强度，而现有技术难以满足其需求。现提供一种无机材料增强的复合滤膜的制备方法，满足其要求，包括以下步骤：

1.将聚乙烯醇，聚丙烯脂，聚偏二氟乙烯，聚丙烯腈，聚醚酰亚胺中一种或几种，加入到二甲基甲酰胺溶剂中，再加入化学添加剂，持续的磁力搅拌的同时进行超声波分散，得到均匀混合溶液，聚合物、溶剂和添加剂的组分质量比为20-30％:60％-80％:0-5％。所述化学添加剂是二氧化硅气凝胶和石墨烯氧化物中的一种或混合物。

二氧化硅气凝胶作为比表面积极大的无机物，具有多孔性结构，能为有机物提供丰富的交联节点，最终提高复合滤膜的硬度和机械强度。

石墨烯氧化物具有独特的二维片状结构，作为强抗拉材料，仅添加较小剂量就能明显提高复合滤膜的抗拉强度，同时不影响复合膜的透气性能。

2.将作为基体材料的无纺布衬底卷到物料卷筒上。无纺布提供一定的机械强度，同时其大孔结构能有效降低空气阻力，提高过滤效率。无纺布为常用的商业材料，其制造工艺是本行业公知常识，不再赘述。

3.将上述混合涂层溶液转移至涂层溶液存储容器，通过输送管道以稳定流速进入涂层溶液喷涂装置，喷涂装置喷口将所述混合溶液涂抹在所述无纺布基体材料的表面，，同时无纺布基体材料在基体传送轴的带动下匀速运动，控制均匀涂层的厚度在300-500μm之间。

4.将涂有混合溶液的无纺布传送至烘箱烘干，排出溶液中的二甲基甲酰胺溶剂，溶液在无纺布衬底的表面形成多孔结构，最终得到无机材料改性的复合物空气滤膜。

较优的技术方案:烘箱具有温度梯度，从入料口到出料口温度先逐渐升高，再逐渐降低。

进一步优选的技术方案：烘箱环境为真空氛围，促使有机溶剂挥发完全，排出的二甲基甲酰胺溶剂可回收重复使用。

本发明的有益效果是：

1.上述生态环境监测及预警方法中，监测装置各组件自动化程度较高，使得装置可以在无人值守的情况下实现对大气颗粒物的连续自动监测，解决了过去β射线雾霾监测设备操作繁琐，难以连续监测的问题。

2、本方法采用的空气滤膜，可以通过改变制备工艺和添加不同无机添加剂来调整滤膜性能，以满足不同监测环境的要求。

附图说明

图1是本发明提供的雾霾监测方法的流程图；

图2是本发明提供的空气滤膜的制备流程图。

具体实施方式

下面结合图1和图2对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明实施例1：

一种生态环境动态监测及预警方法，包括以下步骤：

1.通过采样泵抽取外部待测空气，外部气体经进气管进入储气室内，经过导流管导流至空气滤膜，流量计计量空气流量，抽滤泵产生负压，将待测空气抽滤透过滤膜，透过滤膜的尾气经出气管排出。

较优的方案是，采样泵和抽滤泵采用同步工作的方式完成待测空气的采集与过滤，提高检测效率。

2.待步骤1进行一定时间后停止采样泵和抽滤泵工作，传动装置带动滤膜移动，将附着待测物的部分滤膜转移至检测区域，β射线发生器发出β射线照射在待测物颗粒上，盖革计数管接收被待测物吸收衰减后的β射线。

较优的方案是，采样泵和抽滤泵在传动装置工作期间停止工作，在传动装置停止期间立即恢复工作，更好的实现检测的连续性。

3.控制器根据β射线衰减程度计算出待测物质量，结合空气流量计算出相应的雾霾浓度，控制器通过连续时段雾霾浓度的变化，预测一定时间后的雾霾浓度，若超过预设警戒值，即向外界发出预警。

当前时刻雾霾浓度的计算公式是：

未来某时刻雾霾浓度的计算公式是：

式中k₁为当前雾霾浓度，m₁为悬浮物质量，v₁为相应空气流量，t₁为相应时刻；k₂为之前某时刻雾霾浓度，t₂为相应时刻；k₃为待预警时刻雾霾浓度，t₃为相应时刻。

上述监测方法中涉及的一种复合滤膜的制造方法，包括以下步骤：

1.将聚丙烯脂，聚偏二氟乙烯加入到二甲基甲酰胺溶剂中，再加入二氧化硅气凝胶，持续的磁力搅拌的同时进行超声波分散，得到均匀混合溶液，2种聚合物、溶剂和添加剂的组分质量比为20-30％:60％-80％:0-5％。优选的一种组分质量比为15％:15％:67％:3％

2.将作为基体材料的无纺布衬底卷到物料卷筒上。无纺布提供一定的机械强度，同时其大孔结构能有效降低空气阻力，提高过滤效率。无纺布为常用的商业材料，其制造工艺是本行业公知常识，不再赘述。

3.将上述混合涂层溶液转移至涂层溶液存储容器，通过输送管道以稳定流速进入涂层溶液喷涂装置，喷涂装置喷口将所述混合溶液涂抹在所述无纺布基体材料的表面，，同时无纺布基体材料在基体传送轴的带动下匀速运动，控制均匀涂层的厚度在300-500μm之间，优选为400μm。

4.将涂有混合溶液的无纺布传送至烘箱烘干，排出溶液中的二甲基甲酰胺溶剂，溶液在无纺布衬底的表面形成多孔结构，最终得到无机材料改性的复合物空气滤膜。

烘箱具有温度梯度，从入料口到出料口温度逐渐降低，烘箱环境一般为真空氛围，促使有机溶剂挥发完全，排出的二甲基甲酰胺溶剂可回收重复使用。

本实施例的滤膜的平均孔径为0.2-0.5μm，孔隙率为82％，0.3μm的粒子过滤效率是97％，透气率在40L/m²·s以上，拉伸强度为170MPa。

实施例2：

一种生态环境动态监测及预警方法，包括以下步骤：

1.通过采样泵抽取外部待测空气，外部气体经进气管进入储气室内，经过导流管导流至空气滤膜，流量计计量空气流量，抽滤泵产生负压，将待测空气抽滤透过滤膜，透过滤膜的尾气经出气管排出。

较优的方案是，采样泵和抽滤泵采用同步工作的方式完成待测空气的采集与过滤，提高检测效率。

2.待步骤1进行一定时间后停止采样泵和抽滤泵工作，传动装置带动滤膜移动，将附着待测物的部分滤膜转移至检测区域，β射线发生器发出β射线照射在待测物颗粒上，盖革计数管接收被待测物吸收衰减后的β射线。

较优的方案是，采样泵和抽滤泵在传动装置工作期间停止工作，在传动装置停止期间立即恢复工作，更好的实现检测的连续性。

3.控制器根据β射线衰减程度计算出待测物质量，结合空气流量计算出相应的雾霾浓度，控制器通过连续时段雾霾浓度的变化，预测一定时间后的雾霾浓度，若超过预设警戒值，即向外界发出预警。

当前时刻雾霾浓度的计算公式是：

未来某时刻雾霾浓度的计算公式是：

式中k₁为当前雾霾浓度，m₁为悬浮物质量，v₁为相应空气流量，t₁为相应时刻；k₂为之前某时刻雾霾浓度，t₂为相应时刻；k₃为待预警时刻雾霾浓度，t₃为相应时刻。

上述监测方法中涉及的一种复合滤膜的制备方法，包括以下步骤：

1.将聚乙烯醇，聚丙烯腈加入到二甲基甲酰胺溶剂中，再加入石墨烯氧化物，持续的磁力搅拌的同时进行超声波分散，得到均匀混合溶液，2种聚合物、溶剂和添加剂的组分质量比为20-30％:60％-80％:0-5％。优选的一种组分质量比为10％:15％:74％:1％

2.将作为基体材料的无纺布衬底卷到物料卷筒上。无纺布提供一定的机械强度，同时其大孔结构能有效降低空气阻力，提高过滤效率，无纺布为常用的商业材料，其制造工艺是本行业公知常识，不再赘述。

3.将上述混合涂层溶液转移至涂层溶液存储容器，通过输送管道以稳定流速进入涂层溶液喷涂装置，喷涂装置喷口将所述混合溶液涂抹在所述无纺布基体材料的表面，同时无纺布基体材料在基体传送轴的带动下匀速运动，控制均匀涂层的厚度在300-500μm之间，优选为400μm。

4.将涂有混合溶液的无纺布传送至烘箱烘干，排出溶液中的二甲基甲酰胺溶剂，溶液在无纺布衬底的表面形成多孔结构，最终得到无机材料改性的复合物空气滤膜。

烘箱具有温度梯度，从入料口到出料口温度逐渐降低。烘箱环境一般为真空氛围，促使有机溶剂挥发完全，排出的二甲基甲酰胺溶剂可回收重复使用。

本实施例的滤膜的平均孔径为0.3-0.8微米，孔隙率为88％，0.3微米的粒子过滤效率是91％，透气率在70L/m²·s以上，拉伸强度为210MPa。

实施例3：

一种生态环境动态监测及预警方法，包括以下步骤：

1.通过采样泵抽取外部待测空气，外部气体经进气管进入储气室内，经过导流管导流至空气滤膜，流量计计量空气流量，抽滤泵产生负压，将待测空气抽滤透过滤膜，透过滤膜的尾气经出气管排出。

较优的方案是，采样泵和抽滤泵采用同步工作的方式完成待测空气的采集与过滤，提高检测效率。

2.待步骤1进行一定时间后停止采样泵和抽滤泵工作，传动装置带动滤膜移动，将附着待测物的部分滤膜转移至检测区域，β射线发生器发出β射线照射在待测物颗粒上，盖革计数管接收被待测物吸收衰减后的β射线。

较优的方案是，采样泵和抽滤泵在传动装置工作期间停止工作，在传动装置停止期间立即恢复工作，更好的实现检测的连续性。

3.控制器根据β射线衰减程度计算出待测物质量，结合空气流量计算出相应的雾霾浓度。控制器通过连续时段雾霾浓度的变化，预测一定时间后的雾霾浓度，若超过预设警戒值，即向外界发出预警。

当前时刻雾霾浓度的计算公式是：

未来某时刻雾霾浓度的计算公式是：

式中k₁为当前雾霾浓度，m₁为悬浮物质量，v₁为相应空气流量，t₁为相应时刻；k₂为之前某时刻雾霾浓度，t₂为相应时刻；k₃为待预警时刻雾霾浓度，t₃为相应时刻。

上述监测方法中涉及的一种复合滤膜的制备方法，包括以下步骤：

1.将聚丙烯脂，聚醚酰亚胺加入到二甲基甲酰胺溶剂中，再加入二氧化硅气凝胶和石墨烯氧化物，持续的磁力搅拌的同时进行超声波分散，得到均匀混合溶液，2种聚合物、溶剂和2种添加剂的组分质量比为20-30％:60％-80％:0-5％。优选的一种组分质量比为15％:15％:65％:2％:0.5％

2.将作为基体材料的无纺布衬底卷到物料卷筒上。无纺布提供一定的机械强度，同时其大孔结构能有效降低空气阻力，提高过滤效率。无纺布为常用的商业材料，其制造工艺是本行业公知常识，不再赘述。

3.将上述混合涂层溶液转移至涂层溶液存储容器，通过输送管道以稳定流速进入涂层溶液喷涂装置，喷涂装置喷口将所述混合溶液涂抹在所述无纺布基体材料的表面，同时无纺布基体材料在基体传送轴的带动下匀速运动，控制均匀涂层的厚度在300-500μm之间，优选为400μm。

4.将涂有混合溶液的无纺布传送至烘箱烘干，排出溶液中的二甲基甲酰胺溶剂，溶液在无纺布衬底的表面形成多孔结构，最终得到无机材料改性的复合物空气滤膜。

烘箱具有温度梯度，从入料口到出料口温度逐渐降低。烘箱环境一般为真空氛围，促使有机溶剂挥发完全，排出的二甲基甲酰胺溶剂可回收重复使用。

本实施例的滤膜的平均孔径为0.2-0.6微米，孔隙率为91％，0.3微米的粒子过滤效率是95％，透气率在80L/m²·s以上，拉伸强度为220MPa。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种生态环境动态监测及预警方法，采用β射线法检测收集于滤膜的大气悬浮物；所述方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过采样泵采集待测空气，通过抽滤泵使悬浮物沉积到滤膜上，滤膜经传动装置转移至检测器；

(2)β射线检测器确定吸附在滤膜上的颗粒物质量，流量计计量采集的空气体积；

(3)控制器收集β射线检测器和流量计的信息，确定当前雾霾浓度，并预测将来时间的雾霾浓度。

2.根据权利要求1所述的一种生态环境动态监测及预警方法，其特征在于：

所述大气雾霾监测装置包括供电电源，进气管，采样泵，储气室，流量计，导流管，采集器，检测器，传动装置，抽滤泵，控制器，出气管。

3.根据权利要求1所述的一种生态环境动态监测及预警方法，其特征在于：

采样泵和抽滤泵在传动装置工作期间停止工作，在传动装置停止期间立即恢复工作，实现检测的连续性。

4.根据权利要求1所述的一种生态环境动态监测及预警方法，其特征在于：

采样泵和抽滤泵可采用同步工作的方式完成待测空气的采集与过滤，提高检测效率。

5.根据权利要求1所述的一种生态环境动态监测及预警方法，其特征在于：

当前时刻雾霾浓度的计算公式是：

未来某时刻雾霾浓度的计算公式是：

式中k₁为当前雾霾浓度，m₁为悬浮物质量，v₁为相应空气流量，t₁为相应时刻；k₂为之前某时刻雾霾浓度，t₂为相应时刻；k₃为待预警时刻雾霾浓度，t₃为相应时刻。