[实用新型]一种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种筛选空气中颗粒物的装置，具体为根据颗粒物尺寸的大小对颗粒物进行分级分离，使颗粒物的分离与分析更精确，特别适用于对空气中颗粒物需要按粒径分级采样方面。

背景技术

空气中的颗粒物(Particulate Matter，PM)是指空气中的固体或者液体颗粒状物质。PM的直径范围为0.1um～200um。根据PM的直径大小，一般而言PM可分为总悬浮颗粒(Total Suspended Particles，TSP)，粗颗粒(Coarse Particulate Matter，PM10)和细颗粒(Fine Particulate Matter，PM2.5)。总悬浮颗粒为粒径小于100um的颗粒物；粗颗粒为粒径小于10um的颗粒物。细颗粒为粒径小于2.5um的颗粒物。各国之间对颗粒物的划分稍有区别。中国的颗粒物主要来源为地面扬尘、煤燃烧、机车排放和其他工业活动以及上述来源排放的原始气体污染物在大气中经化学物理反应生成的二次污染物。近年来，因大气颗粒物浓度的剧增导致的灰霾现象在中国几大城市频发，高颗粒物浓度给人们生活造成的不良影响屡见报端。高浓度的颗粒物带来的危害主要在2个方面：生态环境破坏和人体健康损害。在生态环境方面，大量的颗粒物落在植物的叶子上影响植物的生长，直接使农作物减产减收；颗粒作为凝结核随雨降落，改变降水的酸碱度，改变生物的多样性和地貌。有研究表明高浓度颗粒物的大气甚至影响动物的生殖系统，降低动物的生育率。大量颗粒和颗粒沉降使建筑物被腐蚀的速度加快，减短建筑物的生命周期。由于可见光的波长为0.36um～0.78um，因此粒径为0.1um～1um的颗粒对可见光的散射作用强烈，高浓度的颗粒物使大气的能见度大幅度降低。因此，颗粒物浓度高的城市存在巨大的交通安全隐患。粒径在1um以下的颗粒物沉降速度慢，可长久存留在大气中，在气流运动中可被输送到很远之处。因此，颗粒物污染不仅程度深、时间久，而且范围广。在人体健康方面，研究表明即使颗粒物浓度低于标准限值，颗粒物对人体的健康也有损害作用，高浓度的颗粒物无疑将严重损害人体健康。已有调查表明颗粒物损害人体的呼吸系统、循环系统、免疫系统、神经系统和生殖系统等。因此，基于粒径筛选空气中的颗粒物对详细具体分析颗粒物对人体健康和环境的影响大有裨益。

目前，基于粒径筛分空气中的颗粒物的主要方法有：(1)滤膜称重法；(2)光散射法；(3)β射线法；(4)微量震荡天平法，等。上述筛分结果较为粗糙，基于粒径同时对空气中的颗粒物进行多次分级筛选的方法暂无。

(1)滤膜称重法(重量法或者手工法)通过采样器以恒定速率抽取一定量体积空气，空气中的颗粒物被节流在滤膜上，结合滤膜重量在采样前后的变化和采样空气体积，计算出浓度。该方法为国家标准分析方法，它对颗粒物的截留效率高，测量结果准确，是最直接、可靠的方法。滤膜称重法为验证其他测量方法的结果是否准确的参比。但是当气流长时间不断通过采样滤膜时，滤膜上采集到的物质随着气流和温度的变化会造成挥发性和半挥发性物质的损失，同时一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜造成结果偏低；相反，其他物质也可能被滤膜吸附，造成结果偏高；(2)光散射法由于在在实际过程中光的散射和颗粒物浓度之间的关系受到颗粒物的化学成分、形态、比重等因素的影响，因此光散射和颗粒物浓度之间的换算公式随时随地都在变，对于采用光散射原理的仪器需不断用标准方法校正，因此该技术确定性不高；(3)β射线法的基本原理是利用堆积在适应滤膜上的颗粒物对碳-14释放的β射线衰减量的变化测量大气颗粒物质量的变化。环境空气由采样泵经切割器吸入采样管，进过滤膜后排出，而颗粒物沉淀在条状石英滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β射线的强度发生衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。这一方法是基于2个假设，其一是仪器的石英采样滤膜条带均一，其二是采集下来的PM2.5粒子物理特性均一(即颗粒大小一致，颗粒成分一致，颗粒在过滤膜上的分布均匀等)，对β射线强度衰减率相同。而上述2点在现实条件下往往并不成立，因此测定数据一般被认为也存在偏差，且这种检测方法在潮湿高温区域故障率也很高；(4)微量震荡天平法主要是利用锥形元件微量振荡天平原理。设备中的空心锥形管保持往复振荡的状态，其振荡频率将随着滤膜所收集的颗粒物的质量变化而变化。通过测量频率的变化得到颗粒物的质量，结合样品体积得到样品的浓度。该技术的优点是关系明确，缺点是目前的技术无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失，导致测量结果被认为偏低，从而出现失真。