环境空气PM2.5切割器性能测试方法研究与系统研制

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在我国经济迅猛发展的同时,区域性复合大气污染频发,细颗粒物(PM2.5)已成为首要大气污染物,严重影响到经济的发展、生态环境和人体健康。我国已建立覆盖全国的国家区域空气质量监测网,正全面开展PM2.5监测,其数据的准确性与可靠性至关重要。环境PM2.5监测仪器中,PM2.5切割器和采样滤膜直接影响采样颗粒物的粒径,其性能的准确检测是提高PM2.5监测数据准确性的前提与保障。为此,本文针对国家环境监测网PM2.5自动监测数据质量保证与质量控制的需求,研究PM2.5切割器和采样滤膜的性能测试方法,并建立测试系统,实现PM2.5切割器和采样滤膜的性能评估,为逐步系统提高国家环境监测网PM2.5自动监测数据的准确性与可比性,进一步提升国家环境监测网PM2.5自动监测的数据质量提供技术支撑。  1)系统性分析了多分散静态箱与单分散分流两种PM2.5切割器性能测试方法,研究了影响系统关键指标的重要因素。结果表明,多分散静态箱测试法在测试周期、颗粒物粒径分布、浓度稳定性、粒径分辨率等方面具有明显优势。测试中颗粒物粒径范围应覆盖1.5~4μm,最小浓度应大于12p/cm3;颗粒物采样时间设置60s以上为宜;需利用静电中和器使颗粒物电荷分布达到玻尔兹曼平衡;系统流量偏差控制在5%以内;均匀混合箱内颗粒物应均匀分布,测试区浓度偏差在5%以内且粒径分布一致。  2)设计搭建了一套基于多分散静态箱法的切割器性能测试评估系统。实验结果表明,多分散标准颗粒物粒径覆盖0.5~10μm,符合对数正态分布(R2=0.97),浓度高且稳定(4432±44cm-3),1.5~4μm粒子浓度均大于50p/cm3,稳定时间大于30min;环境温度介于-40℃~50℃之间时,系统流量偏差均在±1%以内;均匀混合箱中测试区域同一水平高度处浓度相对偏差小于0.57%,且服从对数正态分布,系统各项性能指标均满足切割器性能评估测试需求。  3)利用自行设计的系统,对PM2.5采样监测仪器中常用的旋风切割器VSCC-A、SCC-A和扬尘监测中常用的SCC112切割器的切割效率、流量特性和加载特性等进行了系统性测试。结果表明,VSCC-A、SCC-A切割器满足环境空气PM2.5采样要求,而SCC112切割器捕集效率几何标准差偏大到1.33;VSCC-A和SCC112切割器的流量偏差应分别限定在5.24%和8.33%以内;同时,根据加载特性测试结果,给出了不同大气污染状况下PM2.5切割器的建议维护周期。  4)设计了基于粒子计数法的滤膜颗粒物截留效率测试系统方案,并分析了滤膜材质、孔径和流量对采样滤膜的颗粒物截留效率的影响。结果表明,Tisch公司的PTFE滤膜效果最佳,其对0.3μm气溶胶的截留效率达到99.99%,而有些国产滤膜截留效率低于99.7%。采样流量越大,滤膜孔径越小,则其阻力越大,截留效率越高。
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