環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)課件

環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)課件第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第二章大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

2.1大氣痕量氣體的污染與監(jiān)測(cè)

第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2.1.1SO2的污染與監(jiān)測(cè)1）SO2能通過呼吸進(jìn)入氣管，對(duì)局部組織產(chǎn)生刺激和腐蝕作用，是誘發(fā)支氣管炎等疾病的原因之一，特別是當(dāng)它與煙塵等氣溶膠共存時(shí)，可加重對(duì)呼吸道粘膜的損害。2）SO2自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法：紫外熒光檢測(cè)儀利用脈沖化的紫外光（190-230nm）激發(fā)SO2分子，激發(fā)態(tài)SO2分子返回基態(tài)時(shí)發(fā)射出特有的熒光，由光電倍增管將熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電壓/頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2.1.2NOx的污染與監(jiān)測(cè)TextTextNOx的測(cè)定TextText鹽酸萘乙二胺分光光度法化學(xué)發(fā)光自動(dòng)監(jiān)測(cè)法原電池庫(kù)倫滴定法第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

鹽酸萘乙二胺分光光度法是利用冰醋酸、對(duì)氨基苯磺酸和鹽酸萘乙二胺配成吸收液，采樣時(shí)，大氣中的NOx經(jīng)氮化管后以NO2形式被吸收，生成亞硝酸和硝酸。亞硝酸與對(duì)氨基苯磺酸起重氮化反應(yīng)，然后再與鹽酸萘乙二胺耦合成玫瑰紅色的偶氮化合物，其顏色深淺與氣樣中NO2濃度成正比，然后，用分光光度法進(jìn)行測(cè)定。第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一化學(xué)發(fā)光法是基于NO被O3氧化成激發(fā)態(tài)NO2*,當(dāng)其返回基態(tài)時(shí)，放出與NO濃度成正比例的光，用紅敏光電倍增管接收可測(cè)出NO的濃度。對(duì)于總氮氧化物NOx的測(cè)定，需先將NO2通過鉬催化劑（315℃）還原成NO，再與O3反應(yīng)進(jìn)行測(cè)定。第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一NOx對(duì)人體的危害NO通過氣管和肺進(jìn)入血液中后，會(huì)與紅血球發(fā)生反應(yīng)對(duì)血液產(chǎn)生毒害，同時(shí)，它會(huì)作用于人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)而產(chǎn)生麻痹作用，引起痙攣、運(yùn)動(dòng)失調(diào)。NO2是劇毒的氧化劑，能侵入到肺臟伸出及肺毛細(xì)血管，數(shù)小時(shí)便能引起肺水腫，或持續(xù)性閉塞性支氣管炎而致死。TextText第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2.1.3CO的監(jiān)測(cè)CO的國(guó)標(biāo)測(cè)定方法為GB9801-88，為非分散紅外線吸收法。當(dāng)CO其他分子受到紅外光(1-25μm)照射時(shí)，將吸收自己特征特長(zhǎng)的紅外光，從而引起分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，產(chǎn)生振-轉(zhuǎn)吸收光譜。在一定濃度范圍內(nèi)，吸收光譜的峰值與氣態(tài)物質(zhì)濃度之間符合郎伯-比爾定律，因此，可通過測(cè)定吸光度確定氣態(tài)物質(zhì)的濃度。第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

2.1.4大氣中O3的監(jiān)測(cè)化學(xué)發(fā)光法硼酸碘化鉀法靛藍(lán)二磺酸鈉法紫外吸收法化學(xué)發(fā)光法大氣O3的測(cè)定方法O3濃度較高時(shí)，會(huì)刺激粘膜和損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起支氣管炎和頭痛等癥狀。在紫外線的作用下，O3參與烴類和NOx的光化學(xué)反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧。第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一硼酸碘化鉀分光光度法：是利用硼酸碘化鉀吸收液吸收O3等氧化劑，析出碘分子，根據(jù)測(cè)定碘的量，計(jì)算O3濃度。

O3+2I-+2H+I2+O2+H2O靛藍(lán)二磺酸鈉分光光度法：

O3在磷酸鹽緩沖劑存在下，與吸收液中黃色的靛藍(lán)二磺酸鈉等量反應(yīng)后，褪色生成靛紅二磺酸鈉，然后在610nm處測(cè)定吸光度。第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一紫外分光光度法臭氧對(duì)254nm波長(zhǎng)的紫外光有特征吸收，由光檢測(cè)器檢測(cè)進(jìn)入氣路系統(tǒng)的光強(qiáng)度變化值，從而計(jì)算出樣品氣體中臭氧的濃度?；瘜W(xué)發(fā)光法氣體被連續(xù)抽進(jìn)儀器的反應(yīng)室與乙烯反應(yīng)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的甲醛(HCHO*)，當(dāng)HCHO*回到基態(tài)時(shí)，放出的光子被光電倍增管接受，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳎?jīng)放大后測(cè)量，其大小與O3濃度成正比，即可計(jì)算出O3濃度。第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2.2大氣中顆粒物的污染與監(jiān)測(cè)

第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一大氣氣溶膠（Aerosol）、大氣顆粒物（Particulates）定義大氣顆粒物

顆粒物的外觀顆粒物的粒徑顆粒物的來源顆粒物對(duì)環(huán)境、氣候和人體的影響顆粒物的化學(xué)組成2.2.1大氣顆粒物定義和性質(zhì)第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一大氣顆粒物定義大氣氣溶膠人類賴以生存的環(huán)境大氣,實(shí)際上就是由各種固體或液體微粒均勻地分散在空氣中形成的一個(gè)龐大分散體系,即大氣氣溶膠體系。大氣顆粒物大氣氣溶膠體系中分散的各種粒子稱為大氣顆粒物。顆粒物的粒徑范圍為0.001~100μm。第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一顆粒物外觀顆粒物的形狀很復(fù)雜，液體顆粒物近似球形，固體顆粒物形狀不規(guī)則，有球狀、片狀、柱狀、結(jié)晶體、針狀等。第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一顆粒物的外觀燃煤及機(jī)動(dòng)車尾氣排放煙塵基本形：球形、橢球形，粒徑為50~100nm左右的超細(xì)粒子，煙塵集合體從較小的鏈狀到較大的“蓬松狀”。燃煤飛灰粒徑從幾百納米到幾微米，圓球形，表面光滑，表面可吸附超細(xì)顆粒物或二次顆粒物。礦物顆粒一次礦物揚(yáng)塵具有不規(guī)則形態(tài)，二次大氣化學(xué)反應(yīng)形成的礦物顆粒以長(zhǎng)條狀石膏礦物為代表。生物顆粒物（特殊形態(tài)）第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一圖1北京大氣中典型顆粒物顯微相貌（Shietal,2003）(a)煙塵集合體,(bar:5μm)；(b)濕態(tài)煙塵聚集體,(bar:1μm)；(c)燃煤飛灰，(bar:500nm)；(d)表面沾附有細(xì)顆粒物的燃煤飛灰，(bar:500nm)；(e)不規(guī)則狀礦物顆粒，(bar:2μm)；(f)長(zhǎng)條狀石膏顆粒，(bar:2μm)；(g)條狀石膏顆粒，(bar:2μm)；(h)生物質(zhì)顆粒,(bar:200nm)；(i)生物質(zhì)顆粒,(bar:3μm)。第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一顆粒物粒徑采用等效直徑的方法度量顆粒物的粒徑；

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)顆粒物和不規(guī)則顆粒物表現(xiàn)出相同的物理測(cè)定性能，如體積、光散射性能或空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)時(shí)，我們就認(rèn)為我們測(cè)定的不規(guī)則顆粒物的粒徑等同于那個(gè)規(guī)則的顆粒物，即采用規(guī)則顆粒物的粒徑來代替和表示不規(guī)則顆粒物的粒徑。顆粒物的粒徑是一個(gè)粒子群的統(tǒng)計(jì)概念，不是指單個(gè)粒子的粒徑。第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一顆粒物的粒徑幾何粒徑(Geometricalsize)

如果所研究的不規(guī)則形狀粒子的體積與直徑為Dp的球形粒子體積相同,則定義Dp為所研究粒子的體積等效粒徑或幾何粒徑。光學(xué)等效粒徑(Opticalsize)

如果所研究的不規(guī)則形狀粒子的體積與直徑為Dp的球形粒子具有相同的光散射能力,則定義Dp為所研究粒子的光學(xué)等效粒徑?？諝鈩?dòng)力學(xué)粒徑(Aerodynamicsize)第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一空氣動(dòng)力學(xué)粒徑在氣流中，如果所研究的不規(guī)則形狀粒子與直徑為Dp球形粒子（具有單位密度）的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)相同，則定義所研究粒子的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑為Dp。

de=5.0μm ds=4.3μm da=8.6μm=4g/cm3 =4g/cm3 =1g/cm3Vs=0.22cm/s Vs=0.22cm/s

Vs=0.22cm/s第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一空氣動(dòng)力學(xué)粒徑反映粒子大小與沉降速率的關(guān)系，直接表達(dá)出粒子的性質(zhì)和行為，如粒子在空氣中的停留時(shí)間，以及不同大小的粒子在人體呼吸道中的沉積部位。根據(jù)慣性原理設(shè)計(jì)的撞擊式測(cè)量?jī)x器所測(cè)量的粒子直徑就是空氣動(dòng)力學(xué)粒徑。圖2大氣采樣設(shè)備采集顆粒物的基本原理第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一不同粒徑顆粒物的分類

按粒徑的大小，氣溶膠顆粒物可分為以下幾類：總懸浮顆粒物（Totalsuspendedparticulates,TSP,0.003~100μm)飄塵（＜10μm)降塵（＞30μm)可吸入顆粒物（PM10）細(xì)粒子（PM2.5)

第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一顆粒物來源第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一顆粒物的來源天然來源植物碎片、植物花粉、巖石風(fēng)化、地表揚(yáng)塵、火山運(yùn)動(dòng)、海洋飛沫等；人為來源交通排放、工業(yè)生產(chǎn)、燃煤、農(nóng)業(yè)燃燒等；一次來源由排放源直接排放到大氣中的顆粒物；二次來源在大氣中氣體組分通過化學(xué)反應(yīng)生成的顆粒物。

第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一顆粒物對(duì)環(huán)境、氣候、

人類健康的影響第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一對(duì)大氣能見度的影響03/11/20032:15pm@TC:RSP100mg/m3FSP57mg/m302/11/20032:15pm@TC:RSP342mg/m3FSP295mg/m301/11/20032:15pm@TC:RSP190mg/m3FSP148mg/m3第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一顆粒物降低大氣可見度的原理物體的能見度和顆粒物的反射光與背景散射光的對(duì)比有關(guān)（2vs3）。顆粒物降低大氣可見度的原因在于顆粒物的存在增加了背景散射光（1），同時(shí)物體的反射光因顆粒物散射而降低（4）。圖3：顆粒物散射降低大氣可見度原理第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一對(duì)氣候的影響氣溶膠顆粒物對(duì)日光的散射降低了地表對(duì)日光的吸收；氣溶膠顆粒物可作為云凝結(jié)核(CloudConcentrationNuclei,CCN)，CCN的存在使得云和霧更容易生成,影響全球的降水分布和提高了對(duì)日光的返照率；第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一對(duì)氣候的影響氣溶膠中黑碳（EC，ElementalCarbon）和礦物質(zhì)的存在可吸收陽光輻射，提高大氣溫度，改變大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一Inrecentdecades,therehasbeenatendencytowardincreasedsummerfloodsinsouthChina,increaseddroughtinnorthChina,andmoderatecoolinginChinaandIndiawhilemostoftheworldhasbeenwarming.Weusedaglobalclimatemodeltoinvestigatepossibleaerosolcontributionstothesetrends.Wefoundprecipitationandtemperaturechangesinthemodelthatwerecomparabletothoseobservediftheaerosolsincludedalargeproportionofabsorbingblackcarbon(“soot”),similartoobservedamounts.Absorbingaerosolsheattheair,alterregionalatmosphericstabilityandverticalmotions,andaffectthelargescalecirculationandhydrologiccyclewithsignificantregionalclimateeffects.

--Menonetal.,2002.Science297,2250-2253第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一細(xì)顆粒物可以深入到人體呼吸系統(tǒng)!EntervianoseormouthPenetrationpastlarynxPenetrationpastTerminalbronchioles第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一正常的巨噬細(xì)胞和線粒體細(xì)顆粒物侵入的巨噬細(xì)胞和線粒體Nel,2005.Science308,804-806第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一顆粒物的化學(xué)組成第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一大氣氣溶膠的化學(xué)組成無機(jī)二次離子(SO42-,NO3-,NH4+)有機(jī)碳(OrganicCarbon,OC)無機(jī)碳(ElementalCarbon,EC)地殼類物質(zhì)(CrustalMatters,Al,Si,Ca,Fe,Mg)海鹽(Na+,Cl-)其它痕量元素(Mn,Cr,Pb,Se,Ni,V,Zn,Cu等)第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一CombustionProcessEmissionsprimaryOC-ECH2OSO2EmissionsGas-PhasePhotochemistryPrimaryH2SO4H2SO4S(IV)H+,SO42-,HSO4-,H2SO4NH4+,OH-NH3NH3EmissionsprimaryOC–ECDust,flyashmetalsNO3-,H+Gas-PhasePhotochemistryNOxEmissionsHNO3Dust,FlyAshEmissionsCa2+,Mg2+,Fe3+,etc.SecondaryOCNa+Cl-HClHClemissionsCondensibleOrganicsGas-PhasePhotochemistryGaseousOrganicsEmissionsSea-SaltEmission第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一一個(gè)實(shí)例:圖4北京市清華大學(xué)采樣點(diǎn)PM2.5顆粒物組成分析(Heetal,2001)TotalPM2.5=129μg·m-3第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一Sources:a)HongKong,Louieetal.,2005;b)California,Christoforouetal.,2000.a)b)Introduction

–ChemicalComposition第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一ImpactsoffineparticlesRecognizingtheadverseimpactsoffineparticles.USEPAestablishednewairqualitystandardsoffineparticles(PM2.5):Dailystandard:65μgm-3Annualstandard:15μgm-3第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一a)b)HydrophobicWater-solublen-alkanesdicarboxylicacidsn-alkanoicacidsglyoxalditerpenoicacidsketoacidsaromaticpolycarboxylicacidspolyolsn-alkanolshydroxyaminespolycyclicaromatichydrocarbonsaminoacidspentacyclictriterpanesnitrophenols……Organicmatterinfineparticlesareaverycomplexmixtureofhundredstothousandsofcompoundsincluding:Introduction

–ChemicalComposition第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一Toxicpollutantsfoundinfineparticles

Heavymetals

PAHs

Phthalateesters

Pesticides

Dioxins

……Impactsofparticles–Healthimpact第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2.2.2

大氣顆粒物采集、分析與測(cè)定第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一Samplingsysteminclude:SamplingSystemIntakeandTransferSystemCollectionSystemFlowMeasuringSystemAirMovingSystem第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一SamplingSystem–Collection

Filtrationmechanisms第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一PM10sampler–ImpactorSamplingSystem–Sizeselectivesampler第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一Penetration(%)PoorslopeperformanceatthesameD50Slope=(D84/D16)0.5D84D16SamplingSystem–SizeselectivesamplerEfficiencyofanimpactor第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一CascadeImpactorSamplingSystem–Sizeselectivesampler第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一MOUDI(Micro-OrificeUniformDepositImpactor)Theseimpactorshavesharpcut-pointcharacteristics,withthecut-pointdiameterdividedintofourequalgeometricalincrementsperdecadeofparticlesize.Model100(8-stage)MOUDI:18,10,5.6,3.2,1.8,1.0,0.56,0.32,0.18μmModel110(10-stage)impactor:18,10,5.6,3.2,1.8,1.0,0.56,0.32,0.18,0.10,0.056μmSamplingSystem–Sizeselectivesampler第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一CyclonesamplerFIGURE

FlowpatternsinacyclonecollectorParticleladenairisforcedtoundertakemanycircularmotionsinsidethecyclone.Heavyparticlescannotfollowthetrajectoryandthereforehittheinternalsurfaceofthecyclone.Smallerparticlesleavethecyclone.TangentialinletSamplingSystem–Sizeselectivesampler第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一DichotomousvirtueimpactorMajorflowconcentratedinsmallparticlesMinorflowconcentratedinlargeparticlesSamplingSystem–SizeselectivesamplerAnorifice,providingabarriertotheflow,actasan“impactor”.Dichotomoussampler,showingthefineparticle(2.5μmoutpoint)virtualimpactionstage第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一Virtual–becausethereisanabsenceofaphysicalimpactionsurface.Majorflowcarryingsmallerparticlesandminorflowcarryinglargerparticleswithasmallfractionofthesmallerparticleswhichtravelalongtheaxisoftheorifice.Thevirtualimpactoralsoactsasaconcentratorforlargeparticlessincesmallerparticlespredominantlyareinthemajorflow(90%oforiginalflowrate).Mostofthelargerparticlesareintheminorflow(10%)now.DichotomousvirtueimpactorSamplingSystem–Sizeselectivesampler第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一大氣顆粒物質(zhì)量濃度的確定大氣顆粒物的質(zhì)量濃度一般通過稱重法得到。采樣前和采樣后，濾膜均需在相對(duì)濕度為50±5%和溫度為25±1℃的恒溫恒濕箱內(nèi)