关于重量法和β射线吸收原理测量可吸入颗粒物

关于重量法和β射线吸收原理测量可吸入颗粒物（PM10）的研究

摘要：通过对重量法和β射线吸收法测量可吸入颗粒物PM10的原理、使用优缺点和适用范围的分析，以及β射线吸收原理PM10自动监测仪与重量法大流量采样器的对比实验和β射线吸收原理自动监测仪在测量沙尘暴中的数据分析，说明β射线吸收原理PM10自动监测仪在测量空气中污染物PM10的先进性。

关键词：PM10；β射线吸收原理；重量法

1.引言

PM10又称胸部颗粒物，指可吸入颗粒物中能够穿过咽喉进入人体肺部的气管、支气管区和肺泡的那部分颗粒物，它并不是表示空气动力学直径小于10μm的可吸入颗粒物，而是表示具有D50=10μm，空气动力学直径小于30μm以下的可吸入颗粒物。其中空气动力学直径指在通常的温度、压力和相对湿度的情况下，在静止的空气中，与实际颗粒物具有相同重力加速度的密度为1g/cm3的球体直径，实际上是一种假想的球体颗粒直径；而D50是指在一定的颗粒物体系中，即空气动力学直径范围一定时，颗粒物的累积质量占到总颗粒物质量一半（50%）时所对应的空气动力学直径，它代表了可吸入颗粒物体系的几何平均空气动力学直径。

大气中PM10来源广泛，且颗粒物形态各异、成分复杂，对环境和人体健康造成巨大危害，主要表现：（1）使空气能见度降低，影响人们的正常生活。（2）吸入人体后沉积在呼吸道和肺部，引起呼吸道和肺部病变。（3）颗粒物中的部分化学物质可降低人体免疫力，并具有潜在的致癌性。（4）落在物体表面，弄脏或腐蚀物体，造成资源损失。（5）影响其它动植物的正常生长，破坏生态平衡。PM10的污染已引起全世界的普遍关注，所以加强PM10污染监测至关重要。

2.监测方法简介

2.1重量法

重量法测量PM10浓度普遍采用大流量采样器，原理为采样泵抽取一定体积的空气进入切割器，将空气动力学直径小于30μm的颗粒物切割分离，PM10颗粒随着气流经切割器的出口被阻留在已称重的滤膜上。根据采样前后滤膜的质量差及采样体积，计算出PM10的浓度。计算公式为：

式中：C——PM10的质量浓度，mg/m3；

W2——采样后滤膜质量，mg；

W1——采样前滤膜质量，mg；

F——换算成标准状况下的采样流量，L/min；

t——采样时间，min。

2.2β射线吸收原理

β射线吸收原理：原子核在发生β衰变时,放出β粒子。β粒子实际上是一种快速带电粒子，它的穿透能力较强，当它穿过一定厚度的吸收物质时，其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱的现象叫做β吸收。当吸收物质的厚度比β粒子的射程小很多时，β射线在物质中的吸收，近似为：

式中：

I0——滤纸没有吸附吸收物质时的β粒子记数值；

I——是β射线穿过吸收物质厚度为tm的滤纸的β粒子记数值；

μm——称为质量吸收系数或质量衰减系数，单位为cm2/mg，对于同一吸收物质，μm与放射能量有关；

t m——称为质量厚度，单位为mg/cm2。

β射线源采用放射源14C，放射能量在100μCi以下，半衰期为5730年，安全可靠。

β射线吸收原理测量PM10普遍采用国际上流行的β射线吸收原理自动监测仪，仪器利用抽气泵对大气进行恒流采样，经PM10切割器切割后，大气中的PM10颗粒物吸附在β源和盖革计数管之间的滤纸表面，采样前后盖革计数管计数值的变化反映了滤纸上吸附灰尘的质量变化，由此可以得到采样空气中PM10的浓度。

首先，盖革计数管电路记录下β射线通过空白滤纸时的强度I1，由式（2）得：

第二步：恒流抽气系统通过PM10切割器抽入一定体积的样气，PM10颗粒被阻留在仪器滤纸表面上；

第三步：探测器记录下此时β射线的强度，设为I2，由式（2）得：

式中：Δm—— PM10的质量厚度，单位为mg/cm2。

假设I0在整个测量过程中保持不变。综合(3)和(4)，得：

第四步：根据滤纸被探测面积、采样流量和采样时间，计算出PM10的质量浓度。得：

式中：C——PM10的质量浓度，mg/m3；

S——探测面积，cm2；

F——换算成标准状况下的采样流量，L/min；

t——采样时间，min。

3.优缺点

3.1重量法

重量法大流量采样器测量PM10的缺点是要求人工工作量大，滤膜采样前后需实验室烘干称重，人工换纸和取样，手工计算PM10的浓度，自动化程度低，不适合进行远距离监测，且取日均值时需连续采样12小时以上，不能反映PM10浓度的短时间变化情况，不能对沙尘暴等恶劣天气的变化进行实时反映。其优点是成本较低。

3.2β射线吸收原理

β射线吸收原理自动监测仪测量PM10的优点是要求样品量很少，根据实际需要，采样时间1~99min 可调，可每小时自动得出一个监测数据，实时反映空气中PM10浓度的变化情况，并可进行数据传输，有利于远程监测和自动控制，并极大的减少了人工工作量。其缺点是相对成本较高。

4.适用范围

4.1重量法

重量法大流量采样器适用于近郊或经济条件相对落后的小城市，也可用于PM10污染变化较小的城市，在国内外环境质量评估中应用比较广泛。

4.2β射线吸收原理

β射线吸收原理自动监测仪适用范围较广，在24小时空气质量连续自动监测中应用广泛。在污染较重或地理位置重要的地方，β射线吸收原理自动监测仪可有效的反映出空气中PM10污染浓度的变化情况，为环保部门进行空气质量评估和政府决策提供准确、可靠的数据依据。

5.对比实验

现将河北先河科技发展有限公司生产的XH2000D型β射线吸收原理PM10自动监测仪与大流量采样器对比实验数据结果列表如下：

由以上数据可以得出：日均值最大偏差为0.019 mg/m3，五日均值相对误差为1%；日均值相关系数为99.2%。

实验结论：以大流量采样器为基准，XH2000D型β射线吸收原理PM10自动监测仪具有较好的准确性。

6.利用β射线吸收原理自动监测仪监测沙尘暴中的PM10浓度

沙尘暴可造成严重的风害、沙积害、风蚀、环境污染等一系列灾害，损失惊人。近几年来，我国每年因风沙危害造成的直接经济损失达540亿元，相当于西北5省区1996年财政收入的3倍。沙尘暴可能诱发过敏性疾病、流行病及传染病，沙尘暴带来的细微粉尘极有可能使患有呼吸道过敏性疾病的人群旧病复发。所以加大沙尘暴的监测力度，为治理沙尘暴提供真实有效的监测数据非常迫切。

2002年3月20日前后，我国北方地区发生了一次比较罕见的大范围强沙尘暴，河北省各地市监测站安装运行的空气质量连续自动监测系统在本次沙尘暴的监测中作用突出，现将其中的β射线吸收原理自动监测仪的监测数据提供如下：

通过监测数据可清晰的分析出本次沙尘暴起源于张家口的上风向且PM10浓度很高。20日凌晨5点到达张家口，PM10浓度峰值为5mg/m3，持续时间约8个小时强度减弱，但4小时后又有一股强度较小的沙尘暴袭来，PM10浓度峰值为1.885mg/m3，持续时间约6个小时后沙尘暴消失。而承德20日下午1点沙尘暴到达，持续时间长达13个小时，且PM10浓度较高，峰值为3.446 mg/m3。唐山20日下午4点沙尘暴到达，强度已减弱，PM10浓度峰值为1.696 mg/m3，而且持续时间也较短。秦皇岛20日下午8点沙尘暴到达，强度较大，PM10浓度峰值为3.446 mg/m3，且持续时间较长。而廊坊、衡水、邢台、