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环境空气与大气污染检测技术要点

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环境空气与大气污染检测技术要点

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  • 发布时间:2021-01-11 09:43
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【概要描述】近年来大气污染得到了很好的治理,这与我们日益进步的环境空气监测技术的进步是分不开,作为实验室环境检测人员,学习、掌握环境大气和污染监测技术要点是非常必要的。

环境空气与大气污染检测技术要点

【概要描述】近年来大气污染得到了很好的治理,这与我们日益进步的环境空气监测技术的进步是分不开,作为实验室环境检测人员,学习、掌握环境大气和污染监测技术要点是非常必要的。

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  近年来大气污染得到了很好的治理,这与我们日益进步的环境空气监测技术的进步是分不开,作为实验室环境检测人员,学习、掌握环境大气和污染监测技术要点是非常必要的。为此,小析姐整理了一些列大气检测技术的知识点,希望对你的工作学习有所帮助。

  大气污染物:由于人类活动或自然过程排入大气并对人和环境产生有害影响的那些物质。

  大气污染物按其存在形态可概括为两大类:气溶胶状态污染物

  气体状态污染物

  气溶胶状态污染物,在大气污染中,气溶胶系指沉降速度可以忽略的小固体粒子、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体系。

  按气溶胶的来源和物理性质,可分为:粉尘(1~200μm)、烟(0.01~1μm)、飞灰、黑烟、雾等。 气体状态污染物,气体状态污染物是以分子状态存在的污染物。气态污染物的种类很多,总体上可以分为几大类:以SO2为主含硫化合物;

  以氧化氮和二氧化氮为主的含氮化合物;

  碳氧化物;

  有机化合物及卤素化合物等。

  气体状态大气污染物的分类

  

 

  注:MSO4、MNO3分别为硫酸盐和硝酸盐。 大气污染监测系统,大气污染监测系统都是由四部分组成。采样装置

  监测仪器

  数据传输系统

  数据处理系统

  大气污染指标监测

  1、二氧化硫 SO2是主要大气污染物之一,为大气环境污染例行监测项目。SO2是一种无色、易溶于水、有刺激性气味。SO2的味阈值是0.3ppm,达30~40ppm时,人呼吸将会感到困难。 (1)测定方法及原理测定SO2常用的方法有:溶液电导率法;

  紫外荧光法;

  红外线吸收法;

  库化滴定法;

  火焰光度检测法等。

  ①紫外荧光法工作原理:紫外荧光通常是指某物质受到紫外光照射时,各自吸收了一定波长的光之后,发射出比照射光波长长的光,利用测荧光波长和荧光强度建立起来的定性、定量方法称为荧光分析法。含被测物质的溶液被入射光(I0)激发后,可以在溶液的各方向观测到荧光强度(F) 。一般在与激发光源发射光垂直的方向。

  

 

  观测荧光主向示意图 根据比耳定律,透过光的比例为:

  

 

  式中:I0 ——入射光(激发光)强度; I ——透过光强度; C——被测物质的浓度; ε——被测物质摩尔吸光系数; b——透过液层厚度。

  被吸收和散射等光的比例为:

  

 

  总发射荧光强度(F)与试样吸收的激发光的光量子数和荧光量子效率成正比:

  

 

  将上式括号内的指数项展开可得:

  

 

  对于很稀的溶液,被吸收的激发光不到2%,εbc 很小,上式中括号内第二项后各项可忽略不计,则简化为:

  

 

  对于一定的荧光物质,当测定条件确定后,上式中的ΦF、I0、、ε、b均为常数,故又可简化为:F=kc (10.7)即荧光强度与荧光物质浓度呈线性关系。

  影响荧光强度的因素有:激发光照射时间、溶液温度和pH值、溶剂种类及伴生的各种散射光等

  ②荧光计和荧光分光光度计用于荧光分析的仪器有目视荧光计、光电荧光计和荧光分光光度计等。光电荧光计以高压汞灯为激发光源、滤光片为色散元件,光电池为检测器,将荧光强度转换成光电流,用微电流表测定。测定微量荧光物质可得到满意的结果。如果对荧光物质进行定性研究或选择定量分析的适宜波长,则需要使用荧光分光光度计。

  

 

  荧光分光光度计结构示意图1光源 2.4.7.9.狭缝 3 激发光单色器 5 样品池 6 表面吸光物质 8发射光单色器 10光电倍增管 11放大器 12指示器 13记录仪 ③溶液电导法用酸性过氧化氢溶液吸收气样中的二氧化硫:

  

 

  所生成的硫酸,使吸收液电导率增加,其增加值决定于气样中SO2含量,故通过测量吸收液吸收SO2前后电导率的变化,就可以得知气样中SO2的浓度。

  各种方法的原理及性能比较参见下表。

  

 

  (2)二氧化硫监测仪①紫外荧光监测仪紫外荧光法测定环境空气中的SO2,具有选择性好、不消耗化学试剂、适用于连续自动监测等特点。用波长190—230nm紫外光照射大样品,则SO2紫外光被激发至激发态,即

  

 

  激发态SO2不稳定,瞬间返回基态,发射出330nm的荧光,即

  

 

  紫外荧光SO2监测仪由气路系统及荧光监测系统两部分组成。

  

 

  紫外荧光SO2监测仪气路系统 1除尘过滤器 2采样电磁阀 3零气./标定电磁阀 4渗透膜除水器5毛细管 6除烃器 7反应室8流量计 9调节阀 10抽气泵11 电源 12信号处理及显示系统

  

 

  SO2监测仪荧光计工作原理1紫外光源 2、4透镜3反应室 4激发光滤光片 6发射光滤光片7光电倍增管 8放大器 9指示表

  ②库仑滴定式SO2监测仪器 依据库仑滴定式原理设计的SO2自动监测仪工作原理示于下图。

  

 

  如果进入库仑池的气样中不含SO2 ,参比电极无电流输出。如果气样中含SO2,则发生反应:

  

 

  气样中SO2含量越大,导致阴极电流减小而通过参比电极流出的电流越大。当气样以固定流速连续地通入库仑池时,则参比电极电流和SO2量间的关系如下:

  

 

  式中:P—每秒进入库仑池的SO2量(μg/s); IR—参比电极电流(μA); M—SO2分子量(64); n—参加反应的每个SO2分子的电子变化数。

  ③电导式SO2自动监测仪器电导式SO2自动监测仪有间歇式和连续式两种类型。● 间歇式测量结果为采样时段平均浓度,● 连续式测量结果为不同时间的瞬时值。这种仪器有两个电导池,一个是参比池,用于测定空白吸收液的电导率(K1),另一个是测量池,用于测定吸收SO2后的吸收液电导率(K2)。通过测量电路测出两种电导液电导率差值(K2—K1),便可得到任一时刻气样中的SO2浓度。 ④火焰光度法硫化物自动监测仪此仪器是以色谱仪中的火焰光度检测器为信号转换装置设计的仪器。

  

 

  火焰光度法硫化物监测仪器工作原理1抽气泵 2火焰光度检测器 3滤光片4光电倍增管 5减压控制阀 6高压电源7电子放大系统 8自动切换阀 9记录仪 ⑤比色法二氧化硫监测仪该仪器将二氧化硫的比色测定方法实现了自动化。它采用程序控制自动采样装置和自动加液计量装置,依次量取吸收液,采集定量气样,加入显色剂和进行比色测定。

  2、氮氧化物氮的氧化物有一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮、四氧化三氮等多种形式。

  一氧化氮为无色、无臭、微溶于水的气体,在大气中易被氧化为NO2,NO2为棕红色气体,具有刺激性臭味,是引起支气管炎等呼吸道疾病的有害物质。

  大气中的NO和NO2常用的测定方法有盐酸萘乙二胺分光光度法,化学发光法及恒电流库仑滴定法等。

  (1)测定方法及原理①盐酸萘乙二胺分光光度法该方法采样和显色同时进行,操作简便,灵敏度高,是国内目前普遍采用的方法。根据采样时间不同分为两种情况:一是吸收用量少,适于短时间采样,二是吸收液用量大,适于24h连续采样, ②化学发光法NOx分子吸收化学能后,被激发到激发态,再由激发态返回至基态时,以光量子的形式释放出能量,这种化学反应称为化学发光反应。化学发光现象通常出现在放热化学反应中,包括激发和发光两个过程,即

  

 

  式中 A和B—反应物; C*—激发态产物; D—其余产物; M—参与反应的第三种物质; h—普朗克常数; υ—发射光子的频率。化学发光分析法的特点是:灵敏度高,可达ppb级,甚至更低;选择性好,线性范围宽。 ③原电池库仑滴定法这种方法与SO2库仑滴定测定法的不同之处是库仑池不施加直流电压,而依据原电池原理工作。

  

 

  图10.7 原电池库仑滴定法测定NOx原理各种方法的原理及性能比较参见表10.3。

  

 

  (2)氮氧化物监测仪①比色法氮氧化物监测仪

  

 

  比色法NOx自动分析仪工作原理 ②化学发光NOx监测仪

  

 

  化学发光法NOx监测仪工作原理图1、18尘埃过滤器 2 NO2-NO转换器 3、7电磁阀 4、16、19针形阀 5、9流量计8膜片阀 10 O3发生器 11反应室及滤光片 12光电倍增管 13放大器 14指示表15高压电源 16稳压电源 17零处理装置20三通管 21抽气泵

  3、臭氧臭氧是最强的氧化剂之一,它是大气中的氧在太阳紫外线的照射下或受雷击形成的。臭氧具有强烈的刺激性,同时,臭氧又是高空大气的正常组分,强烈吸收紫外光,保护人和生物免受太阳紫外光辐射。

  (1)测定方法及原理O3的测定方法有吸光光度法、化学发光法、紫外线吸收法等。

  ①硼酸碘化钾分光光度法用含有硫代硫酸钠的硼酸碘化钾溶液作吸收液采样,根据标准曲线建立的回归方程式,按下式计算气样中O3的浓度:

  

 

  式中: A1-总氧化剂样品溶液的吸光度; A2-零气样品溶液的吸光度; f -样品溶液最后体积系列标准溶液体积之比; a -回归方程式的截距; b -回归方程式的斜率(吸光度/μgO3); Vn -标准状态下采样的体积(L)。 ②化学发光法测定臭氧的化学发光法有三种,即罗丹明B法、一氧化氮法和乙烯法。乙烯法是较为通用的方法,1971年就被美国环境保护局确定为测定大气中O3的标准方法。其反应式如下:

  

 

  常用O3自动分析方法及性能比较

  

 

  (2)臭氧监测仪①乙烯法O3监测仪

  

 

  乙烯法O3监测仪工作原理 ②紫外吸收式O3分析仪

  

 

  紫外吸收式O3分析仪工作原理 1紫外光源 2单色器 3去除器 4电磁阀 5标准 6发生器7光电倍增管 8放大器 9记录仪 10稳压电源

  4、一氧化碳一氧化碳(CO)是大气中主要污染物之一。CO是一种无色、无味的有毒气体,燃烧时呈淡蓝色火焰。

  (1)测定方法及原理测定大气中CO的方法有非分散红外吸收法、气相色谱法、定电位电解法、间接冷原子吸收法等。

  ①非分散红外吸收法这种方法被广泛用于CO、CO2、CH4、SO2、NH3等气态污染物质的监测,具有优点:测定简便;

  快速;

  不破坏被测物质;

  能连续自动监测等。

  ②气相色谱法色谱分析法又称层析分析法,是一种分离测定多组分混合物的极其有效的分析方法。色谱法的分类方法很多,常按两相所处的状态来分:用气体为流动相时,称为气相色谱;

  用液体作为流动相时,称为液相色谱或液体色谱。

  ③置换汞法置换汞法也称间接冷原子吸收法,该方法基于气样中的CO与活性氧化汞在180-200发生反应,置换出汞蒸气,带入冷原子吸收测定汞的含量,再换算成CO浓度。置换反应式如下:

  

 

  各种方法的原理及性能比较参见下表。 常用环境空气中CO自动分析方法及性能比较

  

 

  (2)一氧化碳监测仪①汞置换法CO测定仪汞置换法CO测定仪的工作流程如图10.12所示。

  

 

  汞置换法CO测定仪工作原理 ②非分散红外吸收法CO监测仪测量室内气样中的CO吸收了部分红外光,使射入检测室的光束强度减弱,且CO含量越高,光强越弱越多。

  

 

  非色散红外线吸收法CO监测仪原理

  测量时,先通入纯氮气进行零点校正,再用标准CO气体校正,最后通入气样,便可直接显示、记录气样中CO浓度,按下式将其换算成标准状态下的质量浓度(mg/m3)。CO(mg/m3) = 1.25c (10.19)式中:1.25——标准状态下由ppm换算成mg/m3的换算系数。我国生产的非分散红外吸收CO监测仪有多种型号和规格,分别用于大气和废气的监测,最低检出限达0.1ppm。

  5、飘尘粒径小于10μm的颗粒物称为飘尘。测定飘尘的方法有:1.重量法;2.压电晶体振荡法;3射线吸收法及光散射法等。 (1)测定方法及原理①重量法根据采样流量不同,分为大流量采样重量法和小流量采样重量法。大流量法使用带有10μm以上颗粒物切割器的大流量采样器采样。小流量法使用小流量采样器,如我国推荐使用13L/min。 ②器体振荡法这种方法以石英谐振器为测定飘尘的传感器,进行测定。 ③β射线吸收法该测量方法的原理基于:β射线通过特定物质后其强度衰减程度与所透过的物质量有关,而与物质的物理、化学性质无关。 (2)飘尘测定仪①石英晶体飘尘测定仪气样经粒子切割器剔除粒径大于10um的颗粒,小于10um的飘尘进入测量气室,测量气室内有高压放电针、石英谐振器及电极构成的静电采样器,气样中的飘尘因高压电晕放电带上负电荷,继之在带正电的石英谐振器电极表面放电并沉积,除尘后的气样流经参比室内的石英谐振器排出。设大气中飘尘浓度为c(mg/m3),采样流量为Q(m3/min),采样时间t(min),则:

  

 

  进而求得:

  

 

  因实际测量时Q、t值均已固定,故可改写为:

  

 

  可见,通过测量采样后两石英谐振器频率之差即可知飘尘浓度。 ②β射线飘尘测定仪β射线飘尘测定仪的工作原理如下图所示。它是通过测定清洁滤带(未采尘)和采尘滤带(已采尘)对β射线吸收程度的差异来测定采尘量的。因采集含尘大气的体积已知的,故可得知大气中含尘浓度。

  

 

  β射线飘尘测定仪工作原理1大粒子切割器2射线源3玻璃纤维滤带4注射滚筒5集尘器6检测器(计数器)7抽气泵

  6、总烃总烃氢化物常以两种方法表示,一种包括甲烷在内的碳氢化合物,称为总烃(THC),另一种除甲烷以外的碳氢化合物,称为非甲烷烃(NMHC)。大气中的碳氢化合物主要是甲烷,其浓度范围为2-8ppm。

  (1)测定方法及原理测定总烃(THC)和非甲烷烃的主要方法:气相色谱法、光电离检测法等。

  ①气相色谱法其原理基于以氢火焰离子化检测器分别测定气样中的总烃和甲烷含量,两者之差即为非甲烷烃(NMHC)含量。 ②光电离检测法有机化合物分子在紫外光的照射下可产生光电离现象,即:

  

 

  用PID离子检测器收集产生的离子流,其大小与进入电离室的有机化合物的质量成正比。 (2) 总烃监测仪间歇式总烃自动测定仪的工作原理示意图如图所示。

  

 

  总烃自动监测仪工作原理

  大气污染自动连续监测系统

  大气中污染物质的浓度和分布是随时间、空间、气象条件及污染源排放等因素的变化而不断变化的。为了及时获得污染物质在环境中的动态变化信息,必须采用和发展连续自动监测技术。

  大气污染连续自动监测系统的任务是:对空气中的污染物进行连续自动监测;获得连续的瞬时大气污染信息;提供大气污染物的时间-浓度变化曲线;各类平均值与频数分配统计资料。

  1、大气自动监测站(1)大气污染连续自动监测系统的组成大气自动监测站是由一个中心站、若干个子站和信息传输系统组成。中心站具有功能齐全的计算机系统和无线电台,其主要任务是:向各子站发送各种指令;

  管理子站的工作;

  定时收集各子站的监测数据并进行数据处理;

  打印各种报表绘制各种图形。

  (2)子站布设及监测项目子站内设有自动采样和预处理系统、气象测量仪器、污染物自动分析仪器及其标准设备、计算机通信设备等。典型分站组成见下图。

  

 

  子站仪器装备框图1、2、31、32、33、34采样器 3滤尘器 4空气干燥器 5 SO2监测器 6 H2S监测器 7 CO监测器 8 NO2监测器 9 NO监测器 10 O3监测器 11测尘仪 12 HF监测器 13 HC监测器 14 SO2标准源 15 H2S标准源 16 CO钢瓶标气 17 NO2标准源 18 NO标准源 19 O3标准源 20、21、22、23、24、25、26稳压电源 27调节器28去离子水 29吸收液 30标准液

  (3)我国自动监测站概况我国80年代起在北京、上海、青岛等15个城市建立了地面大气自动监测站,并在全国范围内推广完善,使这项工作有了快速的发展。

  ①我国空气污染指数及报告a.空气污染指数分级及其浓度限值目前进入空气污染指数项目定为:可吸入颗粒物(PM10);

  二氧化硫(SO2);

  一氧化碳(CO);

  臭氧(O3)。

  空气污染指数分级浓度限值

  

 

  空气污染指数范围及相应的空气质量级别

  

 

  b.空气污染指数的计算方法污染物的分指数Ik,可由其实测浓度值按照分段线性方程计算。对于第k种污染物的第个转折点(Ik,j)的分指数值Ik,j和相应浓度值。当第k种污染物的浓度为≤≤时,则其分指数为 :

  

 

  各种污染物的污染分指数都计算出以后,取最大值为该区域或城市的空气污染指数API,则该种污染物即为该区域或城市的空气中首要污染物。API≤50时,则不报告首要污染物。

  ②子站内的仪器装备根据对我国某市大气监测站的调查,计入空气污染指数的项目及其测定方法如下表10.8所示。

  

 

 

  我国某市大气污染自动监测子站仪器装备

  2、在线烟道气分析系统烟道气分析系统包括:采样;

  样气预处理;

  红外线二氧化硫分析仪;

  校准系统。该系统能够连续分析烟道气中的SO2成分,可以进行远程监测。根据需要可以增加CO、NO、CO2、O2的测量。

  (1)气态污染物的测量系统GXH-9201型二氧化硫分析系统。特点:加热型取样头,烟气不冷却;取样头有反吹入口,延长维护周期;取样气路采取伴热保温,输送样气过程中无冷凝现象。分析时快速冷凝,样气中二氧化硫损失小,分析结果真实。

  S700系列气体分析器特点:采用全新模块设计,可以灵活地根据应用场合及用户需要,自由设置及组合,可测量60多种不同的气体。 (2)固态污染物测量系统主要 构成有:通用测尘仪;

  高精度测尘仪;

  激光前散射测尘仪。

  以上主要设备外该系统还配置有:辅助参数测量部分;

  (整个系统)数据处理机;

  通讯部分。

  元素分析在环境检测等领域有着广泛的应用,可以用来鉴定被测物质的元素(或离子)组成,测定各组分间(各种化学成分)量的关系,是实验室里必备检测技术之一。为了广大实验室用户更好地学习元素分析检测知识,实验与分析平台别特举办本次元素分析技术专题公开课,邀请专家、学者与大家一起研究、讨论当下最前言的元素分析检测技术。

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