空气和废气烟尘、粉尘检测

烟尘（通常源于燃烧过程）和粉尘（源于机械过程）是大气污染和工业排放的主要成分之一。它们不仅降低能见度，更对人体呼吸系统、心血管系统构成严重威胁，并可能携带吸附的有毒有害物质。因此，检测的核心任务是将空气中难以直接观察和计量的固体颗粒物，通过科学的采样和测量方法，转化为可量化、可比较、可监管的浓度数据。这不仅为环境空气质量评价、污染源达标排放管理提供依据，也为流行病学研究、除尘设备效率评估和工艺优化提供关键输入。

一、环境空气颗粒物检测（环境监测）

针对大气环境，主要关注可吸入颗粒物。

1. 手工标准方法（滤膜称重法 - 仲裁基准）

• 原理：通过采样系统，将一定体积的空气抽过已知质量的滤膜，颗粒物被截留在滤膜上。采样后，在恒温恒湿条件下称量滤膜的质量增加，计算颗粒物浓度。

• 关键设备：

  • PM₁₀/PM₂.₅切割器：利用惯性撞击原理，将空气动力学直径小于等于10μm或2.5μm的颗粒物分离并采集到滤膜上。

  • 大流量/中流量采样器。

  • 十万分之一分析天平（精度0.01mg）。

  • 恒温恒湿称重室（温度20±1°C，湿度50±5% RH），以消除温湿度对滤膜质量的影响。

• 标准：

  • PM₁₀：HJ 618《环境空气 PM₁₀和PM₂.₅的测定 重量法》

  • PM₂.₅：HJ 656《环境空气颗粒物（PM₂.₅）手工监测方法（重量法）技术规范》

• 结果：质量浓度，单位μg/m³或mg/m³。

2. 自动在线监测方法

• β射线吸收法：利用β射线穿过颗粒物负载滤带时的衰减程度来实时测定质量浓度。需定期用标准膜进行校准。

• 微量振荡天平法：让颗粒物沉积在一个振荡的锥形元件上，通过其振荡频率的变化直接测量质量。精度高，但需复杂的温湿度补偿。

• 光散射法：通过测量颗粒物对光的散射强度来估算浓度，响应快，常用于便携式仪器或环境监测网络，但需定期用重量法校准，易受粒径和组分影响。

二、固定污染源废气颗粒物检测（排放监测）

针对烟囱、排气筒等排放口，工况复杂，浓度高。

1. 手工标准方法（等速采样滤膜称重法 - 经典方法）

• 原理：核心是“等速采样”。即采样嘴入口的吸气速度必须与烟道内该点的气流速度相等，以保证采集到的颗粒物样品具有代表性。

• 关键设备与步骤：

  1. 皮托管法测量烟气流速：使用S型皮托管和微压计，计算各采样点的流速。

  2. 等速采样系统：根据测得的流速，实时调节采样泵的抽气流量，使采样嘴流速与烟道内流速一致。

  3. 采样：烟气被抽入采样管，经加热的采样枪（防止冷凝）、旋风分离器或冲击瓶（去除大颗粒）后，颗粒物终被截留在玻璃纤维滤筒中。

  4. 称重与计算：采样前后，将滤筒在105°C下烘干至恒重并称量，根据采样体积计算排放浓度。

• 标准：GB/T 16157-1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》及HJ 836-2017《固定污染源废气 低浓度颗粒物的测定 重量法》（针对低浓度排放）。

• 关键参数：颗粒物排放浓度、烟气含湿量、氧含量（用于折算基准氧浓度下的排放值）。

2. 自动在线监测

• 抽取式：抽取烟气，通过加热管线输送至分析仪，采用光散射、β射线或震荡天平原理测量。

• 对穿式：在烟道两侧安装发射和接收装置，通过测量激光或红外光透射率的衰减来反演颗粒物浓度。

• 后散射式：单侧安装，测量颗粒物对激光的后向散射光强。

三、粉尘特性进阶分析

除浓度外，颗粒物特性对健康影响和治理至关重要。

1. 粒径分布：使用激光粒径谱仪、低压撞击器等设备，分析颗粒物的数量/质量随粒径的分布。

2. 形貌与成分分析：

   • 扫描电子显微镜：观察单个颗粒的形貌（球形、不规则、聚合体）。

   • 能谱仪/质谱仪：分析颗粒物的元素组成（如Si, Al, Ca, Fe, S, Pb, As等）。

   • X射线衍射仪：分析颗粒物的矿物晶体组成。

3. 化学组分分析：

   • 水溶性离子：使用离子色谱分析F⁻, Cl⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻, Na⁺, NH₄⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺等。

   • 碳组分：使用热/光学法分析有机碳、元素碳。

   • 重金属：将滤膜消解后，用ICP-MS/AAS分析Pb, Cd, Hg, As, Cr等。