βX射線大氣顆粒物重金屬檢測儀現場定量分析研究

本論文選題來源于作者導師葛良全教授承擔的國家“863計劃”資源環境技術領域課題“高精度能譜探測儀器研發”(課題編號為2012AA061803)和四川省重大科技成果轉化項目“大氣顆粒物濃度與重金屬元素在線分析系統產業化”(2013CC0045)。近年來,大氣環境污染越發嚴重,其中的大氣顆粒物污染已經成為制約我國經濟可持續發展、備受政府和公眾高度關注、亟待解決的重大環境污染問題。大氣顆粒物濃度及其所攜帶的各種重金屬元素含量便是大氣環境污染最典型的代表。論文對成都理工大學核技術與自動化工程技術學院研制的β-X射線大氣顆粒物重金屬檢測儀的設計原理及組成部分與功能實現進行了總體介紹,系統闡述了儀器聯用β射線和X射線測量大氣顆粒物濃度及其攜帶的各種重金屬元素含量的原理及理論公式。由于儀器對大氣顆粒物重金屬的檢測采用的是一種半定量的能量色散X射線熒光光譜(XRF)分析法,所以制作相關大氣顆粒物薄樣標準樣品對儀器進行標定就成為了其中的重點。通過調研國內外市場,發現我國關于制作大氣顆粒物標準樣品的國內市場尚屬空白,國外主要以美國國家標準局生產的NIST SRM 2783PM2.5標準樣品為主,在進口方面,也僅有少數幾家公司在代理,如廣州譜恩科學儀器有限公司。考慮到海外代購大氣顆粒物標準樣品周期較長,以及經濟因素等,論文在調研了各種相關薄膜標樣制備方法的基礎上,引入了螯合-萃取制作大氣顆粒物濾膜標樣的方法,并成功試制了一批大氣顆粒物標準樣品濾膜對儀器進行了標定、能量刻度,最后系統的測試了儀器的性能、功能以及進行了長期的監測應用。論文主要研究內容與成果如下:1.通過對大氣顆粒物研究的國內外研究現狀進行調研,系統闡述了β射線和X射線的測量原理并推導了大氣顆粒物濃度及其攜帶的各種重金屬元素含量測量分析的理論公式。介紹了β-X射線大氣顆粒物重金屬檢測儀的設計理念及各部分組成與功能,包括:氣體采樣系統、運動系統、分析系統(包括:β射線分析系統和能量色散X熒光光譜分析系統)和控制系統四部分。2.考慮到能量色散X射線熒光光譜法中的薄樣法具有檢測限較低、可忽略基體效應、能簡化測量公式等優勢特點,論文引入了螯合-萃取法并經過多次實驗探索,制作了一批以錳(Mn)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)五元素為標識物的大氣顆粒物薄樣濾膜標準樣品,并成功標定了β-X射線大氣顆粒物重金屬檢測儀。該方法操作步驟簡便、具有可控性強及含量穩定可靠等特點。3.對儀器樣機的性能及功能指標情況進行了長期測試,特別是對X熒光光譜分析系統的元素檢出限、準確度、精密度及長期穩定性等進行了較為詳細的測試。4.運用β-X射線大氣顆粒物重金屬檢測儀在成都理工大學校園附近從2015年6月10日到6月30日的長期監測,數據分析表明:1)監測區PM2.5濃度值范圍為22μg·m-3~123μg·m-3,均值為40.8μg·m-3,最低值為22μg·m-3,出現在4月14日;最大值為123μg·m-3,出現在6月16日。而成都市空氣PM2.5濃度值范圍為10μg·m-3~113μg·m-3,均值為40.9μg·m-3,最低值為10μg·m-3,出現在6月23日;最大值為113μg·m-3,出現在6月16日。儀器的實測數據與天氣網公布的監測數據有所差異,但走勢基本一致。2)一些金屬,如Pb元素,其含量在一天的不同時間會有所不同,天氣晴朗時,Pb元素含量的最大值經常出現在早上6、7點鐘或者8、9點鐘,且最大含量與最小含量差別較大,最大差別接近1μg/m3;Zn元素含量的變化規律與Pb元素含量變化規律極其相似,二者很可能具有同一來源;其次,一些重金屬元素在不同天氣情況下其含量也會有所變化,陰雨天由于空氣中的顆粒物被雨水攜帶至地面,同時地面汽車尾氣中的鉛也難以飄逸到大氣中,所以監測到陰雨天,空氣中鉛、鐵元素的含量明顯低于晴天的水平。監測發現,顆粒物中的主要元素為Fe和Ca元素,Fe和Ca元素的變化比較相似,且含量較高,說明Fe和Ca是大氣顆粒物中的主要成分,并且二者含量變化規律具有一定相關性。