一、項(xiàng)目背景

隨著人們的環(huán)保認(rèn)識(shí)不斷加深，人們已經(jīng)不再滿(mǎn)足于僅僅知道pm2.5的濃度，而是希望對(duì)pm2.5中所含有各類(lèi)有毒物質(zhì)有深入的了解。重金屬污染物（也包括as等類(lèi)重金屬）作為人們耳熟能詳?shù)挠卸疚廴疚?，pm2.5重金屬的危害性有目共睹。因此，加強(qiáng)pm2.5中重金屬元素的監(jiān)測(cè)是必經(jīng)之路。

二、建設(shè)方案

1、系統(tǒng)概況

大氣重金屬在線(xiàn)分析儀將專(zhuān)利技術(shù)——x射線(xiàn)熒光（xrf）無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、β射線(xiàn)吸收檢測(cè)技術(shù)與空氣顆粒物自動(dòng)富集技術(shù)完美結(jié)合，不僅可以監(jiān)測(cè)空氣顆粒物質(zhì)量濃度，還可以同時(shí)對(duì)顆粒物中元素成分進(jìn)行定量分析。該儀器具有pg/m3量級(jí)的檢出限，處于世界先進(jìn)水平，廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、污染溯源及源解析、環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。

儀器以恒定的工況流量將空氣吸入顆粒物切割器中，以pm2.5為例，動(dòng)力學(xué)直徑在2.5um附近及以下的顆粒污染物進(jìn)入到儀器的富集系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的富集后，富集系統(tǒng)自動(dòng)切換成β射線(xiàn)分析系統(tǒng)，利用β射線(xiàn)的衰減與顆粒物的質(zhì)量濃度成指數(shù)的關(guān)系，對(duì)顆粒物的質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。然后卷膜系統(tǒng)地將富集有空氣顆粒物的濾紙移動(dòng)到x射線(xiàn)熒光分析系統(tǒng)，分別利用x射線(xiàn)熒光的能量和強(qiáng)度對(duì)顆粒物中的元素成分進(jìn)行定性和定量的分析。

大氣重金屬在線(xiàn)監(jiān)測(cè)——x射線(xiàn)熒光光譜技術(shù)（xrf）的原理見(jiàn)下圖所示，可以直接檢測(cè)固體或液體樣品中ppm量級(jí)的元素成分。采用富集后再檢測(cè)的辦法，使得xrf技術(shù)對(duì)空氣顆粒物中的重金屬成分的檢測(cè)限優(yōu)于0.001ug/m3。而常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)技術(shù)，由于預(yù)處理消解過(guò)程中需要將微克量級(jí)的樣品溶解到幾十克的液體中，而使得濃度被稀釋百萬(wàn)倍，從而多數(shù)儀器（譬如icp-aes、或原子吸收光譜儀）無(wú)法檢出元素含量低于10ug/m3量級(jí)的空氣顆粒物樣品。

2、功能特點(diǎn)

（1）空氣顆粒物濃度、大氣重金屬濃度一體式協(xié)同測(cè)量，為污染溯源及源解析提供更精準(zhǔn)數(shù)據(jù)；
（2）tsp、pm10、pm2.5三種切割器可供用戶(hù)選擇，應(yīng)用于不同的環(huán)境評(píng)價(jià)場(chǎng)合；
（3）鉛、鎘、砷等30多種重金屬含量測(cè)量，Zui低檢出限在pg/m3量級(jí)；
（4）從光管、探測(cè)器、數(shù)字多道分析器（dcma）到整機(jī)，數(shù)十項(xiàng)xrf核心技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利；
（5）具有技術(shù)證書(shū)和測(cè)試報(bào)告，儀器的可靠性、準(zhǔn)確性得到充分驗(yàn)證。

3、技術(shù)參數(shù)

以下列出了大氣重金屬在線(xiàn)分析儀的一些重要技術(shù)參數(shù)（表1）。

表1 大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀技術(shù)參數(shù)

名稱(chēng)

性能參數(shù)及要求

檢測(cè)技術(shù)

(1)重金屬的測(cè)量方法基于美國(guó)epa方法io-3.3的非破環(huán)性x射線(xiàn)熒光(xrf)原理；
(2)顆粒物質(zhì)量濃度的測(cè)量方法基于《環(huán)境空氣顆粒物（pm10和pm2.5）連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》（β射線(xiàn)吸收法）；

測(cè)試內(nèi)容

（1）可監(jiān)測(cè)tsp/pm10/pm2.5空氣顆粒物（pm）質(zhì)量總濃度；

（2）可同時(shí)監(jiān)測(cè)pb(鉛)、cu（銅）、cd（鎘）、hg（汞）、as（砷）、cr（鉻）、zn（鋅）、ni（鎳）、ba（鋇）、fe（鐵）、ag（銀）、se（硒）、br（溴）、te(碲)、sb（銻）、sn（錫）、ti（鈦）、co（鈷）、mn（錳）、pd（鈀）、tl（鉈）、sc（鈧）、mo（鉬）、v（釩）、cs（銫）、ga（鎵）、ca（鈣）、k（鉀）、sr（鍶）、cl（氯）30種元素，并可按用戶(hù)要求擴(kuò)展測(cè)量其它元素；

測(cè)量結(jié)果

用戶(hù)可以自由選擇如下三種測(cè)量結(jié)果：
（1）單位體積內(nèi)的重金屬（或顆粒物）質(zhì)量濃度，μg/m3；
（2）單位質(zhì)量顆粒物中的重金屬質(zhì)量濃度，mg/kg；
（3）重金屬在顆粒物中的百分比，%。

檢測(cè)范圍

重金屬，0～100μg/m3；顆粒物質(zhì)量濃度，0～10 mg/m3

Zui低檢出限

pg/m3量級(jí) (采樣時(shí)間4小時(shí)、流速16.7l/min)；

pm：<0.5μg/m3（24小時(shí)平均值）

重現(xiàn)性

重金屬，rsd < 1% （pb的標(biāo)準(zhǔn)樣片）；

pm質(zhì)量濃度 < ±2%（標(biāo)稱(chēng)值，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量膜）

采樣分析時(shí)間

30～1440分鐘連續(xù)采樣，可自定義；

采樣流量(0～20)l/min 可調(diào)節(jié)，dhs 動(dòng)態(tài)加熱。采樣與分析同時(shí)進(jìn)行，無(wú)采樣間隔。支持整點(diǎn)模式（每小時(shí)整點(diǎn)出數(shù)據(jù)，且每小時(shí)采樣富集時(shí)間不低于55分鐘）

采樣濾膜

采樣濾膜為ptfe濾紙材質(zhì)，對(duì)0.3μm顆粒物的截留效率≥99.7%，不含重金屬元素成分；

安全防護(hù)

輻射劑量符合《x射線(xiàn)衍射儀和熒光分析儀衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，具有相關(guān)部門(mén)x射線(xiàn)表面輻射劑量檢測(cè)報(bào)告,距離機(jī)箱5cm處，輻射劑量小于2.5μgy/h；

質(zhì)控要求

（1）儀器具備流量自動(dòng)校準(zhǔn)功能；

（2）具備光管強(qiáng)度自校準(zhǔn)功能和能量刻度自動(dòng)校準(zhǔn)功能；

分析軟件

（1）提供設(shè)備配套數(shù)據(jù)分析管理軟件，開(kāi)放通訊協(xié)議，可接入已有數(shù)采平臺(tái)；中文操作界面，觸摸屏操作，顯示實(shí)時(shí)采樣流量，采樣時(shí)間，測(cè)量狀態(tài)，重金屬濃度值、含量曲線(xiàn)等信息。
（2）數(shù)據(jù)符合《污染源在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》（hj/t 212-2005）。
（3）數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)放，便于用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的二次開(kāi)發(fā)和利用

4、系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

4.1及時(shí)獲知大氣顆粒物有害金屬濃度，確保公眾知情權(quán)

正如十年前我們認(rèn)識(shí)中的大氣顆粒物只有pm10和tsp而完全沒(méi)有pm2.5的概念一樣，現(xiàn)如今我們也僅僅是簡(jiǎn)單地關(guān)注pm2.5的濃度值，而忽視pm2.5中具體的有毒有害物質(zhì)是什么，有多少?！恫耢o霧霾調(diào)查：穹頂之下》中多次強(qiáng)調(diào)控制pm2.5中重金屬元素濃度的必要性，“pm2.5顆粒物進(jìn)入人體后，巨噬細(xì)胞難以消化大氣顆粒物中的重金屬，使得巨噬細(xì)胞破裂而死，從而降低了人們的免疫力”。通過(guò)大氣重金屬在線(xiàn)分析，能夠快速有效的了解當(dāng)?shù)氐膒m2.5中所含有的重金屬和非重金屬物質(zhì)的種類(lèi)和濃度，就像如今實(shí)時(shí)獲取pm2.5的濃度一樣，公眾可以及時(shí)知道居住地的大氣重金屬濃度值，合理安排自己的工作生活，及時(shí)采取措施保護(hù)自身受到污染傷害。

4.2有利于研究部門(mén)分析大氣重金屬日變化趨勢(shì)

常規(guī)大氣重金屬監(jiān)測(cè)手段只監(jiān)測(cè)重金屬元素的日平均濃度的測(cè)量，但是大氣重金屬隨著氣象參數(shù)與溫度在每天的不同時(shí)間段有著較大的變化，日平均濃度無(wú)法反應(yīng)這些變化。大氣重金屬實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)每天重金屬濃度的小時(shí)值測(cè)定，有利于分析總結(jié)大氣重金屬和非重金屬元素的日變化規(guī)律。

4.3為監(jiān)管部門(mén)提供污染源解析數(shù)據(jù)，助力決策制定

通過(guò)主成分分析與相關(guān)性分析等模型處理，可以告訴政策制訂者污染來(lái)自哪里、貢獻(xiàn)比率，為源解析工作提供輔助成果。大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀對(duì)北方某城市長(zhǎng)時(shí)間段大氣重金屬在線(xiàn)分析儀測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析后，得到表1。

表2  大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組成分分析

重金屬

成份

1

2

3

mn

0.986

-0.012

0.124

k

0.978

-0.163

-0.029

as

0.971

0.023

-0.197

pb

0.933

0.095

-0.128

br

0.913

0.083

-0.317

fe

0.756

-0.346

0.484

v

0.074

0.875

0.191

ni

-0.434

0.772

0.341

cr

0.515

0.731

0.196

co

0.357

0.709

0.118

ca

0.181

-0.624

0.722

污染源

工業(yè)、生活燃料燃燒

冶金工業(yè)廢氣

揚(yáng)塵

為了進(jìn)一步研究pm2.5與大氣重金屬之間的關(guān)聯(lián)，并為pm2.5的控制提供方向，我們通過(guò)已經(jīng)劃分的三個(gè)組分與大氣pm2.5濃度進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果如下圖所示，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)主要影響pm2.5的污染源為組分2（冶金工業(yè)廢氣）。

圖例中顏色的深淺表示相關(guān)性數(shù)值的大小。組分2與pm2.5的相關(guān)性Zui強(qiáng)，這說(shuō)明影響該地區(qū)pm2.5濃度的主要污染源為冶金工業(yè)廢氣。

通過(guò)風(fēng)向與pm2.5中三組分的關(guān)系圖可以確定各組分污染物的來(lái)源方向，如下圖顯示：

圖a是組分1（工業(yè)、生活燃料燃燒）的濃度與風(fēng)向關(guān)系圖，從圖中可以看出組分1主要來(lái)源于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的西南方向（深色區(qū)域）；圖b是組分2（冶金工業(yè)廢氣）的濃度與風(fēng)向關(guān)系圖，從圖中可以看出組分2來(lái)源于監(jiān)測(cè)點(diǎn)自身范圍內(nèi)（深色區(qū)域）；圖c是組分3（揚(yáng)塵）的濃度與風(fēng)向關(guān)系圖，從圖中可以看出組分3主要來(lái)源于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的東方及北方（深色區(qū)域）。圖中顏色深淺由淺到深代表污染的程度由小到大。

4.4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣重金屬濃度，提高監(jiān)測(cè)人員工作效率

現(xiàn)有的常規(guī)大氣重金屬監(jiān)測(cè)手段還是原始的手工采樣+實(shí)驗(yàn)室分析方法，工作量大且效率低。由于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)重金屬濃度檢測(cè)需要樣品預(yù)處理消解，從樣品稱(chēng)量到樣品消解完成大約需要花費(fèi)2個(gè)小時(shí)。而xrf技術(shù)無(wú)需樣品預(yù)處理，每個(gè)樣品重金屬濃度檢測(cè)可以在10分鐘以?xún)?nèi)完成，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣中的30種重金屬元素，節(jié)省了大量的人力成本，且相對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法而言，耗材少價(jià)格低，維護(hù)量低，無(wú)二次污染。

，通過(guò)大氣重金屬監(jiān)測(cè)儀不僅可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)大氣顆粒物濃度，還可以實(shí)現(xiàn)大氣顆粒物中重金屬元素濃度的監(jiān)測(cè)，為大氣顆粒物重金屬元素的污染監(jiān)測(cè)和控制提供科學(xué)依據(jù)。