激光散射法与β射线法测量环境空气中颗粒物质量浓度的差异

郭 浩 纪德钰 苗书一 王曼华 王 伟

(大连市环境监测中心，辽宁 116023)

在我国，大多数城市空气中的首要污染物是颗粒物，颗粒物污染已成为最重要的空气污染之一。由于颗粒物上聚集了大量重金属、细菌、病毒、酸性氧化物等，导致人类呼吸系统疾病呈明显上升趋势［1］，特别是一些有毒金属，如砷和汞及其化合物附着在颗粒物表面，通过皮肤、呼吸道等途径进入人体，经过累积引起慢性中毒［2］。目前，我国对颗粒物质量浓度的监测方法为β 射线法，该方法能够排除颗粒物由于吸水性带来的测量结果偏高和挥发性物质挥发损失造成结果偏低的问题，为大多数空气质量自动监测站所采用。本文通过激光散射法与β 射线法两种方法对颗粒物质量浓度的测量结果进行比较，了解实际监测过程中激光散射法的实用性和准确性，对颗粒物新方法监测有着重要的意义。

1 实验部分

1.1 主要仪器

Grimm180 环境颗粒物监测仪(德国);5030 型颗粒物监测仪(PM10)(美国);5030 型颗粒物监测仪(PM2.5)(美国);5030 型颗粒物监测仪(PM1.0)(美国)。

1.2 基本原理

Grimm180 环境颗粒物监测仪工作原理:半导体激光源以高频产生绿色激光照射样气室，如果有颗粒物存在，激光照在上面会发生散射，在同一平面上与激光照射方向成90°角的检测器会收到被对面的反射镜聚焦的散射光，检测器收到的脉冲信号与产生散射的颗粒物直径大小是有相关性的。这样，检测器就为所有经过样气室的颗粒物产生各自相应的脉冲信号。最后脉冲信号计数器记录颗粒物的个数，同时脉冲信号分析器给出每个颗粒物相应的脉冲强弱分级，计算出每个颗粒物粒径的大小。数字处理器将得到的结果乘以颗粒物密度，就得到了质量浓度。

5030 型颗粒物监测仪工作原理:环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出。颗粒物沉淀在采样滤膜上，仪器中滤膜的两侧安装有β 射线源和检测器，当β 射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β 射线能量衰减，β 射线检测器的输出信号能直接反映颗粒物的质量变化，通过对衰减量的测定及采集样品的体积计算出颗粒物的浓度［3］。

1.3 调试运行及仪器校准

颗粒物连续监测系统安装并连续正常运行168 小时后，进行调试，调试完成后性能指标符合相应的指标要求［4］。更换滤膜后，检查仪器的采样流量，用标准膜进行标定［5］。

1.4 监测数据

监测数据为连续5 个月146 天的颗粒物(PM10、PM2.5、PM1.0)质量浓度日均值。

2 结果分析

2.1 两种方法的相关性

通过对数据的分析可以看出两种方法测得的颗粒物浓度相关性为PM2.5＞PM10＞PM1.0，相关系数分别为0.9462，0.8540，0.8508，见图1、图2、图3。激光散射法测定颗粒物PM10的质量浓度略低于β 射线法;测定PM1.0的质量浓度略高于β 射线法;当空气质量指数AQI≤100 时，即空气质量级别为优良时，激光散射法测定颗粒物PM2.5的质量浓度略高于β 射线法，空气质量指数AQI＞100 时，即空气质量级别为污染时，激光散射法测定颗粒物PM2.5的质量浓度略低于β 射线法。

图1

图2

图3

2.2 两种方法的误差

假设β 射线法测定颗粒物日均值浓度结果为真值，激光散射法测定颗粒物PM10的相对误差主要集中在－20%～20%之间，出现频率为61.6%，在相对误差－10%～10%之间出现的频率最高，为27.4%，见图4;测定PM2.5的相对误差同样集中在－20%～20%之间，出现频率为75.3%，在相对误差－10%～10%之间出现的频率最高，为47.9%，见图5;而测定PM1.0的相对误差大部分大于20%，出现频率为64.4%，见图6。对激光散射法测定颗粒物PM10、PM2.5、PM1.0的日均值浓度结果做正态分布，通过计算可知:PM10的可信区间为－24.5%～17.3%，PM2.5的可信区间为－15.0%～21.0%，PM1.0的可信区间为1.7%～69.9%。

图4

图5

图6

通过对两种方法日均值进行比较，即t 检测法［6］，该方法适用与确定两种检测方法之间的系统误差。若给定α=0.05，f=145，t0.05(∞)=1.960，得出│t│PM2.5=1.274 ＜1.960，│t │PM10= 2.404＞1.960，│t │PM1.0=10.899＞1.960，即在两种方法下测定颗粒物PM2.5的日均值无显著差异，而测定颗粒物PM10和PM1.0的日均值存在显著性差异。

3 结 论

目前我国对颗粒物质量浓度的监测方法为β 射线法，该方法能够排除颗粒物由于吸水性带来的测量结果偏高和挥发性物质挥发损失造成结果偏低的问题，为大多数空气质量自动监测站所采用。本文通过激光散射法与β 射线法两种方法对颗粒物质量浓度的测量结果进行比较，了解实际监测过程中激光散射法的实用性和准确性，对颗粒物新方法监测有着重要的意义。研究表明:

(1)激光散射法与β 射线法相比较，测得颗粒物PM10的质量浓度偏低，PM1.0的质量浓度偏高，PM2.5的质量浓度与空气质量指数有一定的关系，当AQI≤100时，激光散射法的测定结果高于β 射线法，AQI＞100时，激光散射法的测定结果低于β 射线法。两种方法的相关性为PM2.5＞PM10＞PM1.0。

(2)两种方法测定的结果存在一定的误差，相对误差PM1.0＞PM10＞PM2.5，用t 检测法对激光散射法和β射线法测得颗粒物质量浓度的日均值做比较，发现测定颗粒物PM2.5的日均值无显著差异，而测定颗粒物PM10和PM1.0的日均值存在显著性差异，可见，激光散射法对于检测环境空气中颗粒物PM2.5的质量浓度是可信的。

［1］魏复盛，滕恩江，吴国平，等．空气污染对呼吸健康影响研究［J］医学研究通讯，2005(5):27－28．

［2］李慧，张立石．砷的毒性与生物学功能［J］．现代预防医学，2000(1):47－48．

［3］国家环境保护总局．空气和废气监测分析方法［M］．4 版．北京:中国环境科学出版社，2003．

［4］环境空气颗粒物连续自动监测系统安装和验收技术规范HJ655－2013．

［5］环境空气质量自动监测技术规范HJ/T193－2005．

［6］中国环境监测总站．环境水质监测质量保证手册［M］．2 版．北京:化学工业出版社，2010:264－266．