可吸入颗粒物的研究

可吸入颗粒物的研究
1.国内外可吸入颗粒物研究概况及发展
目前我国对于可吸入颗粒物的研究才刚刚起步，还没有系统的研究，也没有对这些细颗粒污染物的物理化学特征及其环境效应进行过系统的评价，而国外对于和可吸入颗粒物环境行为的研究起步较早。

从20世纪80年代起，美国环保局在1997年率先颁布了可吸入颗粒物5的空气质量标准，年均值15．0 u g.m-3，日均值65．0 u g.m-3。

其它欧美及亚洲国家、澳大利亚等也都已经出台相应的有关PM2.5甚至PM，。

的空气质量标准，并在颗粒物的源解析，组成结构、毒物学、病理学、大气输运过程及空气质量模型等方面做了很多的工作。

尽管国内外在可吸入颗粒物产生机理研究方面都取得一定进展，但由于实验室条件等的限制，今后对可吸入颗粒物的研究还应引起足够重视，为保持生态和生活健康提供借鉴和基础。

2.可吸入颗粒物概念
可吸入颗粒物是指漂浮在空气中的固态和液态颗粒物的总称，其粒径范围约为0.1-100 微米。

有些颗粒物因粒径大或颜色黑可以为肉眼所见，有些则小到使用显微镜才可观察到。

通常把粒径在10微米以下的称为可吸入颗粒物（PM10）。

它们是可在大气中长期飘浮的悬浮微粒，也称可吸入尘或飘尘。

2.1可吸入颗粒物的来源
可吸人颗粒物的来源可分为自然源和人为源：自然源包括植物花粉和孢子、土壤扬尘、海盐等；人为源又可分为固定源和移动源，前者如燃料燃烧、工业生产过程，后者如交通运输等。

可吸入颗粒物的质量分布主要是扬尘、机动车尾气（不包括二次污染物）、海盐、富钙和钛化合物（来自固结或矿物处理工厂）、生物体的燃烧、元素碳和二次污染物。

2.2可吸入颗粒物的危害
可吸入颗粒物在环境空气中持续的时间很长，对大气能见度影响都很大。

一些颗粒物来自污染源的直接排放，比如烟囱与车辆。

另一些则是由环境空气中硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物互相作用形成的细小颗粒物，它们的化学和物理组成依地点、气候、一年中的季节不同而变化很大。

可吸入颗粒物通常来自在未铺沥青、水泥的路面上行使的机动车、材料的破碎碾磨处理过程以及被风扬起的尘土。

可吸入颗粒物不仅对环境产生了严重的影响，而且对人体健康等造成了广泛的损害。

可吸入颗粒物在环境空气中持续的时间很长，对人体健康和大气能见度影响都很大。

可吸入颗粒物被人吸入后，会累积在呼吸系统中，引发许多疾病。

对粗颗粒物的暴露可侵害
呼吸系统，诱发哮喘病。

细颗粒物可能引发心脏病、肺病、呼吸道疾病，降低肺功能等。

因此，对于老人、儿童和已患心肺病者等敏感人群，风险是较大的。

另外，环境空气中的颗粒物还是降低能见度的主要原因，并会损坏建筑物表面。

颗粒的粒径大小是危害人体健康的另一重要因素。

她主要表现在两个方面：一是，粒径越小，越不易沉积，长时间漂浮在大气中吸入体内，且容易深入肺部。

一般地说，粒径在100um 以上的尘粒会很快在大气中沉降：10um以上的尘粒可以滞留在呼吸道中；5～10um的尘粒大部分会在呼吸道沉积，被分泌的黏液吸附，可以随痰排出；小于5um的微粒能深入肺部，0.01～0.1um的尘粒，50%以上将沉积在肺腔中，引起各种尘肺病。

二是粒径越小，颗粒表面的比表面积越大，物理、化学活性越高，加剧了生理效应的发生和发展。

此外，颗粒的表面可以吸附空气中的各种有害气体及其他污染物，而成为它们的载体，如可以承载强致癌物质苯并芘及细菌等。

2.3可吸入颗粒物的产生机理与源解析方法
可吸入颗粒物产生机理的研究是在实验室中模拟实际操作进行的，通过实验室测试，可以鉴定影响可吸入颗粒物排放的各种因素并建立各种因素之间的一些经验或半经验性的函数关系式，可以进行不同排放源可吸入颗粒物的化学特性，粒度分布等分析，确定出主要的影响因素，通过优化操作条件来最终减少或控制可吸入颗粒物的排放，实现可吸入颗粒物的源头治理114J。

源解析的主要方法分为两类：以污染区域为对象的受体模型和以污染源为对象的扩散模型。

受体模型的研究方法主要包括显微法、物理法和化学法等，目前国内外科研工作者已经成功地开发出了10余种受体模型，主要包括化学质量平衡法(CMB)，主成份分析法(PCA)，因子分析法(F A)，多元线性回归法(M I R)等。

大气可吸入颗粒物的成分分析技术
2.3.1元素分析
大气颗粒物的元素分析方法有无损分析法和样品经消解后分析法等两种分析方法。

(1)将空气颗粒物捕集后不经样品消解处理而直接进行定量分析多种元素的
方法有：仪器中子活化法(NAA)、质子荧光法(PIXE)、能量色散和波长色散X射线
荧光法(XRF)等。

在NAA法中，必须使用原子能加速器，测定多种元素的灵敏度
很高，用滤膜捕集测定空气颗粒物中的21个元素，检测限为0．01～10ppm。

PIXE测定中必须使用质子加速器，灵敏度很高，可捕集18个元素，检测限为0．1ng／m3～2ng／m3(Cu、Zn)。

XRF灵敏度稍低，但相对低廉，且操作方便，元素的相互干扰较少。

(2)空气颗粒物样品经酸分解后．原子吸收法(AAS)、等离子发射光谱法(ICP-AEC)、等离子
发射光谱一质谱法(ICP—MS)分析是最为广泛使用的方法。

酸消解的方法有聚四氟乙烯衬里的高压釜法和微波消解后，后者是近年来最为常用的方法，具有省时、简单、消解时酸的使用量少、二次污染小等优点。

2.3.2碳的成分分析
在EC、OC分别测定中，常使用的方法有热分离法、光学法和酸分解法。

其中热分离法使用较多，最佳的分离温度设定十分重要，已有许多研究报导。

2.3.3水溶性成分分析
以水位提取液，样品经超声波提取后，一般金属离子用AAS、ICP-AES、ICP—MS法测定。

阴离子SO。

2-，NO，一、Cl_等及阳离子NH。

+的最佳测定方法是IC法。

甲酸、醋酸根离子也可用IC法测定，检测限可分别达0．03 p g／L及0．07 u g／L。

2.3.4有机成分分析
用GC—MS法同时测定PAH和正构烷烃及有机氯化合物、用GC—ECD或GCMS法定量测定空气颗粒物中的PCB及有机氯杀虫剂等都已有报道，而且GC—MS法、IC法及CE法测定羧酸类的报道较多。

3可吸入颗粒的测定重量法
3.1方法原理
分别通过具有一定切割特性的采样器，以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中PM2.5 和PM10 被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的重量差和采样体积，计算出PM2.5 和PM10 浓度。

3.2仪器和设备
（1）切割器：
PM10 切割器、采样系统：切割粒径Da50=（10±0.5）μm；捕集效率的几何标准差为σg=
（1.5±0.1）μm。

其他性能和技术指标应符合HJ/T 93-2003 的规定。

PM2.5 切割器、采样系统：切割粒径Da50=（2.5±0.2）μm；捕集效率的几何标准差为σg=
（1.2±0.1）μm。

其他性能和技术指标应符合HJ/T 93-2003 的规定。

（2）采样器孔口流量计或其他符合本标准技术指标要求的流量计。

大流量流量计：量程（0.8~1.4）m3/min；误差≤2%。

中流量流量计：量程（60~125）L/min；误差≤2%。

小流量流量计：量程＜30 L/min；误差≤2%。

（3）滤膜：根据样品采集目的可选用玻璃纤维滤膜、石英滤膜等无机滤膜或聚氯乙烯、聚丙烯、混合纤维素等有机滤膜。

滤膜对0.3μm 标准粒子的截留效率不低于99％。

空白滤膜进行平衡处理至恒重，称量后，放入干燥器中备用。

（4）分析天平：感量0.1mg 或0.01mg。

（5）恒温恒湿箱（室）：箱（室）内空气温度在（15~30）°C 范围内可调，控温精度±1°C。

箱（室）内空气相对湿度应控制在（50±5）%。

恒温恒湿箱（室）可连续工作。

干燥器：内盛变色硅胶。

3.3样品采集
（1）环境空气监测中采样环境及采样频率的要求，按HJ/T 194 的要求执行。

采样时，采样
器入口距地面高度不得低于1.5m。

采样不宜在风速大于8 m/s 等天气条件下进行。

采样点应避
开污染源及障碍物。

如果测定交通枢纽处PM10 和PM2.5，采样点应布置在距人行道边缘外侧
1m 处。

（2）采用间断采样方式测定日平均浓度时，其次数不应少于 4 次，累积采样时间不应少于18h。

（3）采样时，将已称重的滤膜（5.3）用镊子放入洁净采样夹内的滤网上，滤膜毛面应朝进
气方向。

将滤膜牢固压紧至不漏气。

如果测定任何一次浓度，每次需更换滤膜；如测日平均浓度，样品可采集在一张滤膜上。

采样结束后，用镊子取出。

将有尘面两次对折，放入样品盒或纸袋，并做好采样记录。

（4）采样后滤膜样品称量按第7 章分析步骤进行。

3.4样品保存
滤膜采集后，如不能立即称重，应在4°C 条件下冷藏保存
3.5 分析步骤
将滤膜放在恒温恒湿箱（室）中平衡24h，平衡条件为：温度取15°C~30°C 中任何一点，
相对湿度控制在45%~55%范围内，记录平衡温度与湿度。

在上述平衡条件下，用感量为0.1mg 或0.01mg 的分析天平称量滤膜，记录滤膜重量。

同一滤膜在恒温恒湿箱（室）中相同条件下
再平衡1h 后称重。

对于PM10 和PM2.5 颗粒物样品滤膜，两次重量之差分别小于0.4mg 或0.04mg
为满足恒重要求。

3.6结果计算与表示
3.6.1结果计算
PM2.5 和PM10 浓度按下式计算：
100012⨯-=v
w w p 式中： ρ ——PM10 或PM2.5 浓度，mg/m3；
w2 ——采样后滤膜的重量，g ；
w1 ——空白滤膜的重量，g ；
V ——已换算成标准状态（101.325kPa, 273K ）下的采样体积，m3。

3.6.2结果表示
计算结果保留3 位有效数字。

小数点后数字可保留到第3 位。

4减少措施
要减少颗粒物对人体的危害，从自身出发，要有意识做到以下几点：
（1）．提高个人的环保意识，多参加植树造林活动，增加绿地面积，尽量减小裸露的地面。

（2）．城市施工时应注意防止造成大量的扬尘。

（3）．驾车的朋友，提倡使用绿色燃料。

（4）．日常生活中，尽量少用煤作为燃料。

现在用电比使用天然气、液化石油气及煤气等燃料相对便宜，改用微波炉、电饭煲等做饭可减少厨房的空气污染。

（5）．在室内，要经常保持清洁卫生，吸烟者不要在室内吸烟，适当养些绿色花草以保持室内空气的清新。

（6）．喜欢晨练的中老年人，应避开早晨6～8时空气污染高峰期，上午9时以后锻炼为宜；且不要到公路边锻炼，应选择绿色植物多、空气质量好、环境较为安静的公园内。

冬季由于室外温度低，为防止中老年人心脑血管病的发生，选择上午10时后锻炼为宜。

（7）．大型商场或公共娱乐场所，由于周末、节假日时人员众多，空气质量极差，易造成
呼吸系统的疾病（冬季为甚），故不宜久留。

5可吸入污染物的利用
大气中可吸入颗粒物的一次形成源多为工业过程中超细颗粒物的排放。

但超细颗粒如果捕集下来，将是可以再生利用的重要资源。

以铁铝合金冶炼炉排放的超细粉末－硅微粉为例。

硅微粉系铁合金冶炼炉生产过程中，由硅石中的SiO2被还原生成的气态物质，在逸出料面后，再氧化形成的SiO2微粒。

它是一种灰白色的超细粉末，在扫描电镜下为光滑的圆球状，平均粒径小于1mm。

用氮吸附法测得比表面积25~30m2/g，比水泥(0.4 m2/g)大50~100倍。

堆积密度为200~250kg/m3，比重2.1~3.0 kg/m3，常温下比电阻2.4×1014Ω.m , 酸碱度6.7~8，火山灰活性90%。

硅微粉由于具有优良的理化性能，是一种重要的纳米~微米级无机非金属材料，被国外称为“神奇的材料”，目前已广泛应用于建筑、橡胶、陶瓷与耐火材料等领域，且利用范围日益扩大。

据悉，日本在从中国进口铁合金产品的同时，也大量进口硅微粉，进行提纯加工后，生产出高性能陶瓷材料，用于航空、航天等高技术领域。

而中国在提纯、加密与高性能陶瓷材料方面，尚未掌握关键技术。

另一方面，如果对这些粉尘不进行治理，进入大气后成为可吸入颗粒物，可直接进入人体肺部，危害极大。

因此，硅微粉的回收利用，不仅体现在其经济效益上，而且体现在环境效益上。

中国冶金炉硅微粉产品自1990年以来，畅销美、日、英、德、港、台等18个国家和地区，年创汇达1000万美元以上，深受国内外用户好评。

但目前仅将布袋除尘器收集的原状硅微粉进行出售，由于在硅微粉的除尘回收、提纯、加密以及综合利用方面的技术开发力度不够，在一定程度上影响了硅微粉回收的经济效益，而且产品销售受到外界市场状况的制约。

由于硅微粉的容重轻，密度只有200kg/m3，因此，在运输和包装上费用较高。

另外，高纯度的硅微粉在耐火材料、化工等领域应用较广，现在许多国家提出该产品的供货要求，但是，目前中国硅微粉纯度不够，SiO2含量只能达到92%左右，如果在提高收尘率的同时，能够把SiO2含量提高到96%以上，将其中的杂质Fe2O3、C等去除，则每吨销售价格可以大幅度提高，为企业带来更显著的经济效益。