环境监测的采样仪器及其适用范围

2023-11-23 理论教育版权反馈

【摘要】：薄膜泵是一种轻便的抽气泵，采气流量为0.5～3.0L/min，广泛用于空气采样器和空气自动分析仪器上。这种泵不用电机驱动，克服了电机电刷易磨损、线圈发热等缺点，提高了连续运行能力，广泛用于抽气阻力不大的采样器和自动分析仪器上。有多种型号的商品空气采样器出售，按其用途可分为空气采样器、颗粒物采样器和个体采样器。我国规定采样夹有效直径为80mm或100mm。

（一）组成部分

空气污染物监测多采用动力采样法，其采样器主要由收集器、流量计和采样动力三部分组成。

1.收集器

收集器是采集空气中欲测污染物的装置。前面介绍的气体吸收管（瓶）、填充柱、滤料、低温冷凝法的采样管等都是收集器，需根据被采集物质的存在状态、理化性质等选用。

2.流量计

流量计是测量气体流量的仪器，而流量是计算采气体积的参数。常用的流量计有皂膜流量计、孔口流量计、转子流量计、临界孔稳流器和湿式流量计。

皂膜流量计（图3-12）是一根标有体积刻度的玻璃管，管的下端有一支管和装满肥皂水的橡胶球，当挤压橡胶球时，肥皂水液面上升，由支管进入的气体便吹起皂膜，并在玻璃管内缓慢上升，准确记录通过一定体积气体所需的时间，即可得知流量。这种流量计常用于校正其他流量计，在很宽的流量范围内，误差皆小于1％。

图3-12 皂膜流量计

孔口流量计（图3-13）有隔板式和毛细管式两种。当气体通过隔板或毛细管的小孔时，因阻力而产生压差；气体流量越大，阻力越大，产生的压差也越大，由下部的U形管两侧的液柱液位差可直接读出气体的流量。

转子流量计（图3-14）由一个上粗下细的锥形玻璃管和一个金属制转子组成。当气体由玻璃管下端进入时，由于转子下端的环形孔隙横截面积大于转子上端的环形孔隙横截面积，所以转子下端气体的流速小于上端的流速，下端的压力大于上端的压力，使转子上升，直到上、下两端所受压力之差与转子所受重力相等时，转子停止不动。气体流量越大，转子升得越高，可直接从转子上沿位置读出流量。当空气湿度大时，需在进气口前连接一个干燥管，否则，转子吸附水分后质量增加，影响测量结果。

图3- 13 孔口流量计

1.隔板；2.液柱；3.支架

图3-14 转子流量计

1.锥形玻璃管；2.转子

临界孔稳流器是一根长度一定的毛细管，当空气流通过毛细孔时，如果两端维持足够的压差，则通过毛细孔的流量就能保持恒定，此时为临界状态流量，其大小取决于毛细管孔径的大小。这种流量计使用方便，广泛用于空气采样器和自动监测仪器上控制流量。临界孔可以用注射器针头代替，其前面应加除尘过滤器，防止小孔被堵塞。

3.采样动力

采样动力为抽气装置，要根据所需采样流量、收集器类型及采样点的条件进行选择，并要求其抽气流量稳定、连续运行能力强、噪声小和能满足抽气速率要求。

注射器、连续抽气筒、双连球等手动采样动力适用于采样量小、无市电供给的情况。对于采样时间较长和采样量要求较大的场合，需要使用电动抽气泵，如薄膜泵、电磁泵、刮板泵及真空泵等。

薄膜泵的工作原理是：用微电机通过偏心轮带动夹持在泵体上的橡胶膜进行抽气。当微电机转动时，橡胶膜就不断地上下移动；上移时，空气经过进气活门吸入，出气活门关闭；下移时，进气活门关闭，空气由出气活门排出。薄膜泵是一种轻便的抽气泵，采气流量为0.5～3.0L/min，广泛用于空气采样器和空气自动分析仪器上。

电磁泵是一种将电磁能量直接转换成被输送流体能量的小型抽气泵，其工作原理是：由于电磁力的作用，使振动杆带动橡胶泵室作往复振动，不断地开启或关闭泵室内的膜瓣，使泵室内产生一定的真空或压力，从而起到抽吸和压送气体的作用，其抽气流量为0.5～1.0L/min。这种泵不用电机驱动，克服了电机电刷易磨损、线圈发热等缺点，提高了连续运行能力，广泛用于抽气阻力不大的采样器和自动分析仪器上。

刮板泵和真空泵用功率较大的电机驱动，抽气速率快，常作为采集空气中颗粒物的采样动力。

（二）专用采样器

将收集器、流量计、采样动力及气样预处理、流量调节、自动定时控制等部件组装在一起，就构成了专用采样器。有多种型号的商品空气采样器出售，按其用途可分为空气采样器、颗粒物采样器和个体采样器。

图3-15 携带式空气采样器工作原理

1.吸收管；2.滤水阱；3.转子流量计；4.流量调节阀；5.抽气泵；6.稳流器；7.电机；8.电源；9.定时器

1.空气采样器

用于采集空气中气态和蒸气态物质，采样流量为0.5～2.0L/min，一般可用交流、直流两种电源供电，其工作原理如图3-15（携带式）和图3-16 （恒温恒流式）所示。(www.chuimin.cn)

图3-16 恒温恒流式空气采样器工作原理

1.进气口；2.温度计；3.二氧化硫吸收瓶；4.氮氧化物吸收瓶；5.三氧化铬-石英砂氧化管；6.恒温装置；7.滤水阱；8.干燥器；9.转子流量计；10.尘过滤膜及限流孔；11.三通阀；12.真空表；13.泵

2.颗粒物采样器

颗粒物采样器有总悬浮颗粒物（TSP）采样器和可吸入颗粒物（PM10）采样器。

（1）总悬浮颗粒物采样器：这种采样器按其采气流量大小分为大流量、中流量和小流量三种类型。

大流量采样器的结构如图3-17所示，由滤料采样夹、抽气风机、流量控制器、流量记录仪、工作计时器及其程序控制器、壳体等组成。滤料采样夹可安装20cm×25cm的玻璃纤维滤膜，以1.1～1.7m3/min流量采样8～24h。当采气量达1 500～2 000m3时，样品滤膜可用于测定颗粒物中的金属、无机盐及有机污染物等组分。

中流量采样器由采样夹、流量计、采样管及采样泵等组成（见图3-18）。这种采样器的工作原理与大流量采样器相似，只是采样夹面积和采样流量比大流量采样器小。我国规定采样夹有效直径为80mm或100mm。当用有效直径80mm滤膜采样时，采气流量控制在7.2～9.6m3/h；当用有效直径100mm滤膜采样时，采气流量控制在11.3～15m3/h。

图3-17 大流量采样器的结构

1.流量记录仪；2.流量控制器；3.抽气风机；4.滤料采样夹；5.壳体；6.工作计时器；7.工作计时器的程序控制器

图3- 18 中流量采样器

1.流量计；2.调节阀；3.采样泵；4.消声器；5.采样管；6.采样夹

（2）可吸入颗粒物采样器：采集可吸入颗粒物（PM10）广泛使用大流量采样器。在连续自动监测仪器中，可采用静电捕集法、β射线吸收法或光散射法直接测定PM10浓度。但不论哪种采样器都装有分离粒径大于10μm颗粒物的装置（称为分尘器或切割器）。分尘器有旋风式、向心式、撞击式等多种。它们又分为二级式和多级式。前者用于采集粒径10μm以下的颗粒物，后者可分级采集不同粒径的颗粒物，用于测定颗粒物的粒度分布。

二级旋风式分尘器的工作原理如图3-19所示。高速空气沿180°渐开线进入分尘器的圆筒体，形成旋转气流，在惯性离心力的作用下，将颗粒物甩到筒壁上并继续向下运动，粗颗粒物在不断与筒壁碰撞中失去前进的能量而落入大颗粒物收集器内，细颗粒物随气流沿气体排出管上升，被过滤器的滤膜捕集，从而将粗、细颗粒物分开。

图3-19 二级旋风式分尘器的工作原理

1.空气出口；2.滤膜；3.气体排出管；4.空气入口；5.气体导管；6.圆筒体；7.旋转气流轨迹；8.大颗粒物收集器

向心式分尘器原理如图3-20所示。当气流从气流喷孔高速喷出时，因所携带的颗粒物质量大小不同，惯性也不同，颗粒物质量越大，惯性越大。不同粒径的颗粒物各有一定的运动轨迹，其中，质量较大的颗粒物运动轨迹接近中心轴线，最后进入锥形收集器被底部的滤膜收集；质量较小的颗粒物惯性小，离中心轴线较远，偏离锥形收集器入口，随气流进入下一级。第二级的气流喷孔直径和锥形收集器的入口孔径变小，二者之间距离缩短，使小一些的颗粒物被收集。第三级的气流喷孔直径和锥形收集器的入口孔径又比第二级小，其间距离更短，所收集的颗粒物更细。如此经过多级分离，剩下的极细颗粒物到达最底部，被夹持的滤膜收集。图3-21为三级向心式分尘器的示意图。

图3-20 向心式分尘器原理

1.气流喷孔；2.锥形收集器；3.7滤膜

图3-21 三级向心式分尘器

1、3、5.气流喷孔；2、4、6.锥形收集器；7～10.滤膜

撞击式分尘器的工作原理如图3-22所示。当含颗粒物的气体以一定速度由喷孔喷出后，颗粒物获得一定的动能并且有一定的惯性。在同一喷射速度下，粒径（质量）越大，惯性越大，因此，气流从第一级喷孔喷出后，惯性大的大颗粒物难以改变运动方向，与第一级捕集板碰撞被沉积下来，而惯性较小的小颗粒物则随气流绕过第一级捕集板进入第二级喷孔。因第二级喷孔较第一级小，故喷出颗粒物动能增加，速度增大，其中惯性较大的颗粒物与第二级捕集板碰撞而沉积，而惯性较小的颗粒物继续向下一级运动。如此一级一级地进行下去，则气流中的颗粒物由大到小地被分开，沉积在各级捕集板上，最末一级捕集板用玻璃纤维滤膜代替，捕集更小的颗粒物。以此制成的采样器可以设计为三级到六级，也有八级的，称为多级撞击式采样器。单喷孔多级撞击式采样器采样面积有限，不宜长时间连续采样，否则会因捕集板上堆积颗粒物过多而造成损失。多喷孔多级撞击式采样器捕集面积大，其中应用较普遍的一种称为安德森采样器，由八级组成，每级有200～400个喷孔，最后一级也是用玻璃纤维滤膜代替捕集板捕集小颗粒物。安德森采样器捕集颗粒物的粒径范围为0.34～11μm。

图3-22 撞击式分尘器的工作原理

（a）撞击捕集原理；（b）六级撞击式采样器

可吸入颗粒物采样器必须用标准粒子发生器制备的标准粒子进行校准，要求在一定采样流量时，采样器的捕集效率在50％以上，截留点的粒径（d50）为（10±1）μm。

3.个体采样器

个体采样器主要用于研究空气污染物对人体健康的危害。其特点是体积小、质量小，佩戴在人体上可以随人的活动连续地采样，反映入体实际吸入的污染物量。扩散法采样剂量器由外壳、扩散层和收集剂三部分组成，其工作原理是空气通过剂量器外壳通气孔进入扩散层，则被收集组分分子也随之通过扩散层到达收集剂表面被吸附或吸收。收集剂为吸附剂、化学试剂浸渍的惰性颗粒物质或滤膜，如用吗啡啉浸渍的滤膜可采集大气中的SO2等。渗透法采样剂量器由外壳、渗透膜和收集剂组成。渗透膜为有机合成薄膜，如硅酮膜等；收集剂一般用吸收液或固体吸附剂，装在具有渗透膜的盒内，气体分子通过渗透膜到达收集剂被收集，如空气中的H2S通过二甲基硅酮膜渗透到含有乙二胺四乙酸二钠的0.2mol/L氢氧化钠溶液而被吸收。

环境监测的采样仪器及其适用范围

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