环境监测与仪器分析第三章空气和废气监测

第一节空气污染基本知识一、空气污染及危害二、空气污染源三、空气中污染物四、污染物浓度的表示方法第三章空气和废气监测大气：包围在地球周围的气体，其厚度达1000-1400km。空气：对人类及生物生存起重要作用，是近地面约10km内的气体层（对流层），占大气总质量的95%左右。对人类有影响的：距地面10km地球半径大气厚度氮78.06%氧20.95%氩0.93%其他气体0.1%有害物质：烟尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物等清洁空气的成分:一、空气污染的危害大气污染:有害物质浓度超过允许的极限并持续一段时间；改变空气的正常组成，破坏其平衡体系；危害人们，资源资源等。迄今为止，世界上发生的11次重大污染事件中，有7件属于强烈的大气污染造成的，因而大气污染尤为人们所关注！1、温室效应：CO2、CH4等2、酸雨：SO2、NOx等3、臭氧层的破坏4、急：高浓度，短时间，伦敦烟雾，洛杉矶光化学烟雾污染5、慢性危害：低浓度，长时间二、空气污染源1、自然源：2：人为源：1）、企业排放的废气2）、交通工具排放的废气3）、室内污染源(装修、灶具和取暖设施等)三、空气中污染物状态及特点已发现有危害而被人注意的就有一百多种，其中大部分是有机物，环境科学中用下列两种方法进行分类。1、一次污染物：直接从污染源排放到大气中的有害物质.常见的有：SO2,CO,NOX(NO,NO2)颗粒物，其中包括毒重金属，3,4-苯并芘(BaP)。（一）、一次污染物和二次污染物2、二次污染物：一次污染物之间与大气组分反应产生的新的污染物。一般多为气溶胶。1、分子状态污染物：常温常压下以气体或蒸汽形式（苯、苯酚）分散在大气中的污染物质。根据化学形态，可将其分为五类：（1）、含硫化合物：SO2、H2S；SO3、硫酸、硫酸盐；（2）、含氮化合物：NO、NO2、NH3；硝酸、硝酸盐；（二）、分子状态污染物和粒子状态污染物（3）、碳氢化合物：C1-C5化合物；醛、酮、PAN；（4）、碳氧化合物：CO、CO2；（5）、卤素化合物：HF、HCl。2、粒子状态污染物（即颗粒物）：分散在大气中的微小固体和液体颗粒，粒径多在0.01-100μm之间，是一个复杂的非均匀体系。沉降特性将其分为降尘和飘尘。（1）、降尘：粒径大于10μm的颗粒；在重力作用下，易沉降，危害范围较小。如水泥粉尘、金属粉尘、飞尘等一般颗粒大，比重大。（2）、飘尘：粒径小于10μm的粒子，粒径小，比重也小，可长期漂浮在大气中，具有胶体性质，又称气溶胶(aerosol)。危害：易随呼吸进入肺，在肺泡积累并进入血液，危害健康，因此也称可吸入颗粒物（IP或PM10）。通常所说的烟(Smoke)、雾(Fog)、灰尘(Dust)均是用来描述飘尘存在形式的。四、大气污染物的时空分布1、污染物排放源2、地形、地貌3、气象1、时间性：一次污染物因受逆温层、气温、气压等的限制，在清晨和黄昏时浓度较高；二次污染物如光化学烟雾等由于是靠太阳光能形成的，故在中午时浓度增加。2、空间性：污染源种类、分布情况和气象条件等因素有关。五、空气中污染物浓度表示方法和气体体积换算1、污染物浓度表示方法①、单位体积内所包含污染物的质量数mg/m3或μg/m3，对任何状态的污染物都适用。②、污染物体积与气样总体积的比值单位：mL/m3或μL/m3，仅适于气态或蒸汽态物质。③、两种单位换算关系：Cv=22.4×Cm/M2、气体体积换算把现场状态下的体积换算成标准状态下的体积:Vo=Vt×273×P/(273+t)×101.325第二节空气污染监测方案的制定一、确定监测目的1、判断大气质量是否符合国家制订的大气质量标准，并为编写质量状况评价报告提供数据。2、为研究大气质量的变化规律和发展趋势，预测预报工作提供依据。3、为政府部门执行有关环境保护法规，开展环境质量管理，修订大气环境质量标准提供基础资料和依据。二、收集有关资料1、污染源分布及排放：(种类，数量，位置，排放量等);2、气象资料（风速、风向、气温、气压、降水量、日照时间、相对湿度、垂直梯度和逆温层底部高度等）；3、地形资料（山区山谷风、河谷逆温、丘陵浓度梯度大、海边海陆风），地形越复杂，监测点布设越多；4、土地利用和功能分区（功能不同：工业区、商业区、居民区、混合区）或建筑物密度等）；5、人口分布及人群健康情况；6、以往监测资料。三、确定监测项目优先监测原则：危害大，涉及范围广，已有成熟监测方法，有标准可比项目。1、必测项目：二氧化硫、氮氧化物、总悬浮颗粒物等2、选测项目：一氧化碳、飘尘、光化学氧化剂、氟化物、铅、汞、苯(a)并芘、总烃及非甲烷烃。1、布设采样点的原则和要求（1）覆盖全部监测区：采样点应设在整个监测区域的高、中、低三种不同污染物浓度的地方；（2）在污染源比较集中，主导风向比较明显的情况下，应将污染源的下风向，布设较多采样点；（3）工业集中地区多取点，农村可少些；（4）人口密度大的地区多取点，少的地区可少些；（5）超标地区多取点，未超标地区少些。四、布设网点要求：1、采样点周围应开阔，无局地污染源；2、交通密集区，距离人行道边缘至少1.5米处；3、各采样点条件尽量一致，具有可比性；4、若研究对人体危害：1.5~2米处对植物：3~15米。2、采样点的数目应根据监测范围大小、污染物的空间分布特征、人口分布及密度、气象、地形及经济条件等因素综合考虑。（1）、功能区布点法:污染较集中的工业区和人口较密集的居住区。适用区域性常规检测（2）、网格布点法:多个污染源且污染源分布较均匀地区。均匀网状方格，交点和方格中心。（3）、同心圆布点法:多个污染源构成污染群且大污染源较集中的地区。以污染群中心为圆心画同心圆，作放射线与圆周交点为采样点。（4）、扇形布点法:孤立的高架点源，且主导风向明显的地区。点源位置为定点，下风向为轴线画扇形区。扇形夹角45-90间。3、采样点布设方法图1网格布点法图2同心圆布点法上风口下风口图3扇形布点法五、采样时间和频率1、采样时间：指每次采样所需时间的长短，又叫采样时段。分为短期采样、长期采样、间歇性采样。2、采样频率:指一定时间范围内的采样次数（1）依浓度分布的时间特性依气象条件变化的特征，高中低浓度都包括（2）依对监测数据要求的精确程度复习1、空气污染源?2、空气污染物分类?3、空气检测采样点布点方法？第三节大气采集方法和仪器一、直接采样法适用：被测组分浓度较高或监测方法灵敏度高此法测得的结果为瞬时浓度或短时间内的平均浓度。采集大气的方法可归纳为直接采样法和富集（浓缩）采样法两类。常用采样容器：注射器、塑料袋、采气管、真空瓶等。1、注射器采样注：常用100mL注射器采集有机蒸汽样品。采样时，先用现场气体抽洗2-3次，然后抽满后密封。样品存放时间不宜长，一般当天分析完。气相色谱分析法常采用此法取样。2、塑料袋采样注：1、应选不吸附、不渗漏，也不与样气中污染组分发生化学反应的塑料袋。2、采样时，先用二联球打进现场气体冲洗2-3次，再充满样气，夹封进气口，带回实验室尽快分析。3、采气管采样注：采样时，打开两端旋塞，用二联球或抽气泵接在管的一端，迅速抽进比采气管容积大6-10倍的欲采气体，使采气管中原有气体被完全置换出，关上旋塞，采气管体积即为采气体积。采气管容积一般为100-1000mL。真空采气瓶示意图4、真空瓶采样二、富集采样法适用：污染物质浓度较低（ppm-ppb）。采样时间一般较长，测得结果可代表采样时段的平均浓度，更能反映大气污染的真实情况。采样方法：吸收管式溶液吸收法填充柱法滤料阻留法低温冷凝法自然积集法1、溶液吸收法（1）吸收速度（V）（2）采样气体与吸收液的接触面积（S）采集气态、蒸气态及某些气溶胶污染物的常用方法。其吸收效率主要取决于以下两个方面：①、对被采集物质溶解度要大或与被采集物质的化学反应速度要快；②、稳定时间长；③、有利于下一步分析；④、吸收试剂毒性小，价格低且易于购买。溶解化学反应（1）吸收速度—体现在吸收液的选择上吸收液的选择原则：气体吸收管（瓶）示意图（2）采样气体与吸收液的接触面积—体现在选择合适的吸收管2、填充柱阻留法（固体阻留法）填充柱是用一根6-10cm长,内径3-5mm的玻璃管或塑料管,内装颗粒状填充剂制成。采样时，让气样以一定流速通过填充柱，则欲测组分因吸附、溶解或化学反应而被阻留在填充剂上，达到浓缩采样的目的。（吸附型填充柱、分配型填充柱、反应型填充柱）采样后，通过加热解吸，吹气或溶剂洗脱，使被测组分从填充剂上释放出来测定。填充柱阻留法示意图。。。。。。。抽气泵﹡﹡﹡﹡﹡﹡组分空气颗粒状填充剂。。。。。。根据填充剂阻留作用的原理，可分为：1）吸附型填充柱：颗粒状固体吸附剂，如活性炭、硅胶、分子筛、氧化铝等多孔性物质，对气体和蒸气吸附力强。2）分配型填充剂：表面涂有高沸点有机溶剂（如甘油异十三烷）的惰性多孔颗粒物，适于对蒸气和气溶胶态物质的采集。3）反应型填充柱：其填充柱是由惰性多孔颗粒物或纤维状物表面涂渍能与被测组分发生化学反应的试剂制成。采样后，将反应产物用适宜溶剂洗脱或加热吹气解吸下来进行分析。固体阻留法优点：①用固体采样管可以长时间采样，测日平均或一段时间内的平均浓度值；②只要选择合适的固体填充剂，对气态、蒸气态和气溶胶态物质都有较高的富集效率；③浓缩在固体填充柱上的待测物质比在吸收液中稳定时间要长，有时可放置几天或几周也不发生变化。具有广阔发展前景的富集方法！将过滤材料（滤纸、滤膜等）放在采样夹上，用抽气装置抽气，则空气中的颗粒物被阻留在过滤材料上，称量过滤材料上富集的颗粒物质量，根据采样体积，即可计算出空气中颗粒物的浓度。常用滤料：1、纤维状滤料：如定量滤纸、玻璃纤维滤膜（纸）、氯乙烯滤膜等；2、筛孔状滤料：如微孔滤膜、核孔滤膜、银薄膜等。3、滤料阻留法颗粒物采样夹和滤料采样装置示意图注：根据测定目的不同可选择不同材质的滤料。TSP和PM10等气溶胶指标的分析多用玻璃纤维滤膜。见教材第161页。低温冷凝采样装置示意图4、低温冷凝法5、自然积集法利用物质的自然重力、空气动力和浓差扩散作用采集大气中的被测物质，如自然降尘量、硫酸盐化速率、氟化物等大气样品的采集。6、静电沉降法7、扩散(或渗透)法：不需动力设备。（1）降尘试样的采集优点：不需动力设备，简单易行，且采样时间长，测定结果能较好反映大气污染情况。干法湿法三、采样仪器除富集采样法中的扩散法和自然积集法不需动力外，空气污染物监测多采用动力采样法，即需使用带动力的采样仪器，这些采样仪器主要由收集器、流量计和采样动力三部分组成。1、组成部分空气流动方向样品收集器流量测量装置动力装置（泵等）空气排空（1）、收集器：如大气吸收管（瓶）、填充柱、滤料、低温冷凝采样管等。（2）、流量计：是测量气体流量的仪器，流量是计算采集气样体积必知的参数。当用抽气泵作抽气动力时，通过流量计的读数和采样时间可以计算所采空气的体积。常用的流量计有：皂膜流量计、孔口流量计、转子流量计。均需定期校正。（3）、采样动力①、非电源抽气动力：如注射器、连续式手抽气筒、双连球、水抽气瓶等，适用于采样时间不长，采气量小，无市电供给的情况，用于采集气体或蒸汽态样品。②、电力抽气动力：在有电源的采样现场，可采用各种电抽气机和电抽气泵为采样动力，如吸尘器、真空泵、刮板泵、薄膜泵、电磁泵等。还可采用大气采样器、飘尘采样器等专用采样装置采集大气中气态或蒸汽态物质及颗粒物质。2、专用采样器空气采样器示意图1空气采样器示意图2TSP采样头示意图PM10采样头示意图颗粒物采样器示意图大流量采样器结构示意图四、采样效率指在规定的采样条件下所采集到的污染物量占其总量的百分数。由于污染物在空气中存在的状态不同，所以评价方法也不同。1、采集气态和蒸汽态污染物质效率的评价方法（1）、绝对比较法用标准气测定采样效率，采样效率K为：C1—实测浓度C0—配制浓度C1C2C3进气接泵（2）、相对比较法配制一个恒定的但不要求知道污染物确切浓度的气体样品，串联2－3个采样管采集所配制的样品。采样效率K为：