重金屬污染在線監測系統

一、項目背景
 
  隨著人們的環保認識不斷加深，人們已經不再滿足于僅僅知道PM2.5的濃度，而是希望對PM2.5中所含有各類有毒物質有深入的了解。重金屬污染物（也包括As等類重金屬）作為人們耳熟能詳的有毒污染物，PM2.5重金屬的危害性有目共睹。因此，加強PM2.5中重金屬元素的監測是必經之路。
 
二、建設方案
 
1、重金屬污染在線監測系統概況

  大氣重金屬在線分析儀將技術——X射線熒光（XRF）無損檢測技術、β射線吸收檢測技術與空氣顆粒物自動富集技術*結合，不僅可以監測空氣顆粒物質量濃度，還可以同時對顆粒物中元素成分進行定量分析。該儀器具有pg/m3量級的檢出限，處于*水平，廣泛應用于空氣質量監測、污染溯源及源解析、環境評價等領域。
     

     
                                大氣重金屬在線分析儀圖片
                    （從左到右分別為儀器主機、站房機柜上的儀器和車載儀器）
  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，動力學直徑在2.5um附近及以下的顆粒污染物進入到儀器的富集系統中。經過一段時間的富集后，富集系統自動切換成β射線分析系統，利用β射線的衰減與顆粒物的質量濃度成指數的關系，對顆粒物的質量濃度進行分析。然后卷膜系統精確地將富集有空氣顆粒物的濾紙移動到X射線熒光分析系統，分別利用X射線熒光的能量和強度對顆粒物中的元素成分進行定性和定量的分析。
                      

                              大氣重金屬監測示意圖

  大氣重金屬在線監測——X射線熒光光譜技術（XRF）的原理見下圖所示，可以直接檢測固體或液體樣品中ppm量級的元素成分。采用富集后再檢測的辦法，使得XRF技術對空氣顆粒物中的重金屬成分的檢測限優于0.001ug/m3。而常規實驗室的檢測技術，由于預處理消解過程中需要將微克量級的樣品溶解到幾十克的液體中，而使得濃度被稀釋百萬倍，從而多數儀器（譬如ICP-AES、或原子吸收光譜儀）無法檢出元素含量低于10ug/m3量級的空氣顆粒物樣品。
                  

                               X射線熒光光譜技術原理圖

2、重金屬污染在線監測系統功能特點

（1）空氣顆粒物濃度、大氣重金屬濃度一體式協同測量，為污染溯源及源解析提供更精準數據；
（2）TSP、PM10、PM2.5三種切割器可供用戶選擇，應用于不同的環境評價場合；
（3）鉛、鎘、砷等30多種重金屬含量精確測量，zui低檢出限在pg/m3量級；
（4）從光管、探測器、數字多道分析器（DCMA）到整機，數十項XRF核心技術發明；
（5）具有國家類別技術證書和測試報告，儀器的可靠性、準確性得到充分驗證。

3、系統優勢

3.1及時獲知大氣顆粒物有害金屬濃度，確保公眾知情權
  正如十年前我們認識中的大氣顆粒物只有PM10和TSP而*沒有PM2.5的概念一樣，現如今我們也僅僅是簡單地關注PM2.5的濃度值，而忽視PM2.5中具體的有毒有害物質是什么，有多少。《柴靜霧霾調查：穹頂之下》中多次強調控制PM2.5中重金屬元素濃度的必要性，“PM2.5顆粒物進入人體后，巨噬細胞難以消化大氣顆粒物中的重金屬，使得巨噬細胞破裂而死，從而降低了人們的免疫力”。通過大氣重金屬在線分析，能夠快速有效的了解當地的PM2.5中所含有的重金屬和非重金屬物質的種類和濃度，就像如今實時獲取PM2.5的濃度一樣，公眾可以及時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，及時采取措施保護自身受到污染傷害。

3.2有利于研究部門分析大氣重金屬日變化趨勢
  常規大氣重金屬監測手段只監測重金屬元素的日平均濃度的測量，但是大氣重金屬隨著氣象參數與溫度在每天的不同時間段有著較大的變化，日平均濃度無法反應這些變化。大氣重金屬實時在線監測可以實現每天重金屬濃度的小時值測定，有利于分析總結大氣重金屬和非重金屬元素的日變化規律。
             

                   大氣重金屬監測儀監測重金屬污染物的小時變化圖

3.3為監管部門提供污染源解析數據，助力決策制定
  通過主成分分析與相關性分析等模型處理，可以告訴政策制訂者污染來自哪里、貢獻比率，為源解析工作提供輔助成果。
  為了進一步研究PM2.5與大氣重金屬之間的關聯，并為PM2.5的控制提供方向，我們通過已經劃分的三個組分與大氣PM2.5濃度進行相關性分析。結果如下圖所示，發現該地區主要影響PM2.5的污染源為組分2（冶金工業廢氣）。
                  

                     大氣重金屬監測儀監測數據各組分與PM2.5的相關性。

  圖例中顏色的深淺表示相關性數值的大小。組分2與PM2.5的相關性zui強，這說明影響該地區PM2.5濃度的主要污染源為冶金工業廢氣。
  通過風向與PM2.5中三組分的關系圖可以確定各組分污染物的來源方向，如下圖顯示：

         大氣重金屬監測儀監測數據PM2.5中元素主成分分析得到的各組分與風向關系圖

  圖A是組分1（工業、生活燃料燃燒）的濃度與風向關系圖，從圖中可以看出組分1主要來源于監測點位的西南方向（深色區域）；圖B是組分2（冶金工業廢氣）的濃度與風向關系圖，從圖中可以看出組分2來源于監測點自身范圍內（深色區域）；圖C是組分3（揚塵）的濃度與風向關系圖，從圖中可以看出組分3主要來源于監測點位的東方及北方（深色區域）。圖中顏色深淺由淺到深代表污染的程度由小到大。

3.4實時監測大氣重金屬濃度，提高監測人員工作效率
  現有的常規大氣重金屬監測手段還是原始的手工采樣+實驗室分析方法，工作量大且效率低。由于常規實驗室分析技術重金屬濃度檢測需要樣品預處理消解，從樣品稱量到樣品消解完成大約需要花費2個小時。而XRF技術無需樣品預處理，每個樣品重金屬濃度檢測可以在10分鐘以內完成，同時還可以實現無人值守、24小時實時監測大氣中的30種重金屬元素，節省了大量的人力成本，且相對實驗室測量方法而言，耗材少價格低，維護量低，無二次污染。
  綜上所述，通過大氣重金屬監測儀不僅可以準確監測大氣顆粒物濃度，還可以實現大氣顆粒物中重金屬元素濃度的監測，為大氣顆粒物重金屬元素的污染監測和控制提供科學依據。