空气与废气检测

空气与废气检测技术综述

空气与废气检测是环境监测的核心组成部分，旨在准确评估环境空气质量、污染源排放状况及其对人体健康与生态环境的影响。它通过系统性的采样、分析和数据处理，为环境管理、污染防治和科学研究提供关键数据支撑。

一、 检测项目与方法原理

检测项目根据监测目的可分为环境空气检测和固定污染源废气检测两大类，其方法原理多样。

1. 环境空气检测项目与方法：

   • 颗粒物（PM2.5、PM10、TSP）：

     • 重量法：原理为使用符合切割特性的采样器抽取一定体积的空气，使颗粒物截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜质量差和采样体积计算浓度。该方法为基准方法。

     • β射线吸收法：利用β射线穿透颗粒物时强度衰减的原理，通过测量衰减量间接计算颗粒物质量浓度，适用于自动连续监测。

     • 微量振荡天平法：使颗粒物沉积在振荡的锥形元件上，通过测量其振荡频率变化来计算沉积质量，进而获得浓度，数据准确，常用于自动监测标准站。

   • 气态无机污染物（SO₂、NOx、CO、O₃、NH₃等）：

     • 紫外荧光法（SO₂）：SO₂分子吸收紫外光被激发，返回基态时发射荧光，其荧光强度与SO₂浓度成正比。

     • 化学发光法（NOx）：NO与O₃发生反应生成激发态的NO₂*，其退激时发射特定波长的光，光强与NO浓度成正比；总NOx需经转换器将NO₂还原为NO后测量。

     • 非分散红外吸收法（CO）：CO对特定波长的红外光有选择性吸收，吸收强度遵循朗伯-比尔定律，与浓度相关。

     • 紫外吸收法（O₃）：O₃对254nm紫外光有特征吸收，通过测量吸收量计算浓度。

     • 盐酸萘乙二胺分光光度法（NOx）：手动采样分析方法，NOx被吸收液吸收后生成亚硝酸盐，与显色剂反应生成玫瑰红色偶氮染料，用分光光度计测定吸光度。

     • 靛酚蓝分光光度法（NH₃）：手动采样分析方法，NH₃被稀硫酸吸收后，与次氯酸钠和苯酚反应生成靛酚蓝，进行分光光度测定。

   • 气态有机污染物（VOCs、苯系物、多环芳烃等）：

     • 气相色谱法（GC）：利用不同组分在流动相（载气）和固定相间的分配系数差异进行分离，再经检测器（如FID、PID、ECD）定量。适用于复杂有机混合物分析。

     • 气相色谱-质谱联用法（GC-MS）：GC分离后的组分进入质谱仪进行电离和碎片分析，通过特征离子和质谱图进行定性和定量，是痕量复杂有机物分析的权威方法。

     • 高效液相色谱法（HPLC）：适用于沸点高、热稳定性差的大分子有机污染物（如部分多环芳烃、醛酮类）。

     • 光离子化检测法（PID）：利用紫外灯电离有机物分子，测量产生的离子电流，响应快，常用于现场筛查与应急监测。

2. 固定污染源废气检测项目与方法：

   • 基本参数：烟温、流速、压力、含湿量、含氧量等，是计算污染物排放浓度和排放速率的基础。

   • 烟气颗粒物：

     • 等速采样重量法：使用烟尘采样器，通过调节采样流量，使采样嘴入口流速与烟道内该点流速相等，等速抽取烟气，颗粒物被截留在滤筒中，称重计算排放浓度。这是国内外标准方法。

   • 烟气气态污染物：

     • 定点采样-化学分析法：使用烟气采样器抽取样气，通过不同的吸收瓶或填充柱采集目标污染物，带回实验室用分光光度法、离子色谱法等进行分析（如SO₂采用碘量法或分光光度法）。

     • 在线萃取采样-仪器分析法：使用加热采样管和冷凝装置，全程保温防止水汽和污染物凝结，将样气抽取至预处理系统后，送入在线分析仪（如采用非分散红外、紫外差分吸收、傅里叶变换红外等技术）进行实时连续监测（CEMS）。

   • 重金属（汞、铅、镉等）：

     • 等速采样-原子光谱法：采样后，样品经酸消解等前处理，使用原子吸收光谱法（AAS）、原子荧光光谱法（AFS）或电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行测定。汞及其化合物常使用冷原子吸收/荧光法或塞曼调制原子吸收法在线监测。

   • 二噁英类：

     • 等速采样-高分辨气相色谱/高分辨质谱联用法（HRGC/HRMS）：采用特殊设计的采样装置进行长时间等速采样，采集的样品经过极其复杂的提取、净化和富集步骤，最后使用HRGC/HRMS进行分析，是国际公认的基准方法。

二、 检测范围与应用领域

1. 环境空气质量监测：在城市、区域、背景点开展常规监测，评价达标情况，服务于空气质量预报预警和城市排名。

2. 工业污染源监测：针对电厂、钢铁、水泥、化工、石化、垃圾焚烧等行业的固定排放口，监控其是否符合排放标准，为排污许可、环保税征收和监管执法提供依据。

3. 室内空气质量评价：检测住宅、办公室、学校等室内环境中的甲醛、苯、TVOC、氨、氡及颗粒物等，保障公众健康。

4. 工作场所职业卫生监测：评估劳动者在工作环境中接触的粉尘、化学毒物等职业病危害因素浓度，确保符合职业接触限值。

5. 机动车尾气检测：在用车年检、路检及新车型式核准中，测量CO、HC、NOx、颗粒物等排放水平。

6. 应急与投诉监测：针对突发性环境污染事故或公众投诉，快速定性、定量分析污染物，确定污染范围和程度。

7. 科学研究与背景调查：为大气化学研究、源解析、全球气候变化研究及背景值调查提供基础数据。

三、 检测标准与规范

检测活动必须遵循严格的标准规范，以保证数据的准确性、可比性和法律效力。

1. 国际标准：

   • ISO标准：如ISO 12141《固定源排放-低浓度颗粒物质量浓度的测定-手动重量法》，ISO 23210《固定源排放-烟气中PM10/PM2.5质量浓度的测定》等。

   • 美国EPA方法：系列方法权威，如Method 5（颗粒物）、Method 6C（SO₂）、Method 7E（NOx）、Method 18（VOCs）、Method 29（重金属）、Method 23（二噁英）等。

   • 欧盟EN标准：如EN 15259《空气质量-固定源排放测量-测量断面和点位的要求》等。

2. 国内标准：

   • 环境空气质量标准（GB 3095）：规定了各项基本污染物的浓度限值和监测方法。

   • 固定污染源排放标准：各行业排放标准（如GB 13223火电厂、GB 16297大气综合排放标准）中规定了限值及对应的监测方法。

   • 监测方法标准：

     • 环境空气：HJ 618 (PM10/PM2.5重量法)、HJ 482 (SO₂甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法)、HJ 654 (NOx化学发光法自动测定)等系列标准。

     • 固定源：GB/T 16157《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》、HJ 57 (SO₂碘量法)、HJ 693 (NOx定电位电解法)、HJ 836 (低浓度颗粒物重量法)、HJ 77.2 (二噁英类)等。

     • 在线监测：HJ 75-2017《固定污染源烟气（SO₂、NOx、颗粒物）排放连续监测技术规范》、HJ 1013《固定污染源废气非甲烷总烃连续监测系统技术要求及检测方法》。

四、 主要检测仪器设备

1. 环境空气自动监测系统：由多参数分析仪（SO₂、NOx、O₃、CO、PM2.5、PM10分析仪）、动态校准仪、数据采集与传输系统、气象参数仪等组成，构成城市空气质量自动监测子站。

2. 烟气排放连续监测系统：由采样探头、伴热管线、气体预处理单元、颗粒物监测仪（如激光后散射）、气态污染物分析仪（多采用非分散红外、紫外差分吸收、化学发光等技术）、数据采集与处理系统等组成，用于污染源实时在线监控。

3. 便携式检测仪器：

   • 便携式烟气分析仪：通常集成O₂、CO、NOx、SO₂等传感器，用于现场快速检测。

   • 便携式气体检测仪：针对特定有毒有害气体（如H₂S、CO、VOCs等），采用电化学、PID或红外传感器。

   • 便携式颗粒物检测仪：基于光散射原理，用于快速测量环境中或烟道内的颗粒物相对浓度。

4. 实验室分析仪器：

   • 原子吸收光谱仪：用于重金属分析。

   • 原子荧光光谱仪：特别适用于汞、砷、硒等元素分析。

   • 电感耦合等离子体质谱仪：可同时测定多种痕量、超痕量金属元素。

   • 气相色谱仪与气相色谱-质谱联用仪：有机污染物分析的主力设备。

   • 高效液相色谱仪：用于分析难挥发有机物。

   • 分光光度计：用于多种基于化学发光或显色反应的手动标准方法分析。

5. 采样设备：

   • 环境空气采样器：包括大流量、中流量、小流量采样器，用于颗粒物和气体样品的定时采集。

   • 烟尘烟气测试仪：具备等速跟踪采样功能，用于固定源颗粒物和气态污染物的手工采样。

   • 挥发性有机物采样器：使用吸附管、苏玛罐或气袋等进行采样。

随着传感技术、光谱技术和信息技术的发展，空气与废气检测正朝着更高灵敏度、更高时间分辨率、更广组分覆盖、更智能化的方向演进，为精准治污和科学决策提供更为强大的技术保障。