一種大氣顆粒物來源實時解析方法
【專利摘要】本發明涉及一種大氣顆粒物來源實時解析方法，其包括以下步驟：分別利用在線和離線測量方法測量目標大氣顆粒物，得到顆粒物在線和離線成分數據，將顆粒物在線和離線成分數據進行對比分析，形成定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，根據目標區域大氣環境顆粒物已知的源譜數據和定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，分別利用PMF模型和CMB模型對目標大氣顆粒物的受體源進行解析，得到基于PMF模型和基于CMB模型的顆粒物源解析結果；將基于PMF模型和基于CMB模型的顆粒物源解析結果進行優化組合，得到優化后的大氣顆粒物實時源解析結果。本發明可以廣泛應用于大氣顆粒物污染控制中。
【專利說明】一種大氣顆粒物來源實時解析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種顆粒物來源解析方法，特別是關于一種大氣顆粒物來源實時解析方法。
【背景技術】
[0002]當前，快速的經濟發展和能源消耗給我國大氣環境治理帶來了極大的壓力。我國的大氣污染問題十分嚴重，在傳統的三項污染物(S02，NO2, PM10)未有效降低的情況下，以PM2.5為代表的二次污染物濃度水平正快速上升。自2012年2月國家《環境空氣質量標準》修訂后，PM2.5已成為我國城市空氣質量超標的首要污染物。
[0003]進行顆粒物控制首先要確定顆粒物的來源，因此大氣顆粒物源解析已經成為制定城市大氣顆粒物污染控制對策的不可缺少的科學依據，源解析結果可以幫助環境決策者們更有針對性地、更科學、合理地防止顆粒物污染。從顆粒物溯源的時間分辨率上來說，傳統意義上的受體模型是基于長時間、低時間分辨率(一般為24小時)的顆粒物膜采樣樣品進行分析，但較低的時間分辨率不能滿足在較短時間內取得足夠的樣品來描述固定點源的瞬間影響、氣象過程的短期變化和光化學過程的迅速演變，因此傳統意義上的受體模型很難準確地解析空氣污染的主要來源因子。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明的目的是提供一種高時間分辨率、操作性強、總運行成本低的大氣顆粒物來源實時解析方法。
[0005]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:一種大氣顆粒物來源實時解析方法，其包括以下步驟:1)利用在線測量方法直接對目標大氣顆粒物進行在線測量，得到顆粒物在線成分數據；利用離線膜采樣方法對目標大氣顆粒物進行采樣后得到膜樣品，并利用離線測量方法對膜樣品的成分進行離線測量，得到顆粒物離線成分數據；2)將通過在線測量方法獲得的顆粒物在線成分數據和通過離線測量方法獲得的顆粒物離線成分數據進行對比分析，形成定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，根據目標區域大氣環境顆粒物已知的源譜數據和定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，分別利用PMF模型和CMB模型對目標大氣顆粒物的受體源進行解析，得到基于PMF模型和基于CMB模型的顆粒物源解析結果；3)將基于PMF模型的顆粒物源解析結果和基于CMB模型的顆粒物源解析結果進行優化組合，得到優化后的大氣顆粒物實時源解析結果，實現針對污染過程的顆粒物來源實時解析。
[0006]所述步驟I)中，分別使用顆粒物在線離子色譜分析儀、顆粒物在線有機碳元素碳分析儀和顆粒物在線重金屬元素分析儀對目標大氣顆粒物的離子成分、碳成分和重金屬元素成分直接進行在線測量，得到顆粒物在線成分數據；利用離線膜采樣方法對目標大氣顆粒物進行采樣后得到膜樣品，并利用離子體質譜法分別對膜樣品的離子成分、碳成分和重金屬元素成分進行離線測量，得到目標大氣顆粒物分粒徑的離子成分、碳成分和重金屬元素的離線成分數據。
[0007]所述步驟2)中，得到基于PMF模型和基于CMB模型的顆粒物源解析結果，其具體包括以下步驟:(I)將通過在線測量方法獲得的顆粒物在線成分數據和通過離線測量方法獲得的顆粒物離線成分數據進行對比分析，建立對應顆粒物化學成分濃度的量化關系系數庫，形成定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列；(2)根據定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，利用PMF模型對目標大氣顆粒物的來源進行解析，得到基于PMF模型的顆粒物源解析結果；根據目標區域大氣環境顆粒物已知的源譜數據和定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，利用CMB模型對目標大氣顆粒物的來源進行解析，得到基于CMB模型的顆粒物源解析結果。
[0008]本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明由于分別利用在線測量方法和離線測量方法分別對目標大氣顆粒物進行測量，得到顆粒物在線成分數據和離線成分數據，對顆粒物在線成分數據和離線成分數據進行對比分析后形成定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，并分別利用PMF模型和CMB模型對目標大氣顆粒物的受體源進行解析，因此本發明能夠對目標大氣顆粒物進行高時間分辨率的源解析。2、本發明由于對目標大氣顆粒物的化學成分進行在線測量時采用顆粒物在線離子色譜分析儀、顆粒物在線有機碳元素碳分析儀和顆粒物在線重金屬元素分析儀，對目標大氣顆粒物的粒徑和成分信息進行測量時采用在線單顆粒氣溶膠質譜儀，對目標大氣顆粒物的化學成分進行離線測量時采用高效液相離子色譜分析儀、有機碳/元素碳分析儀和元素分析儀，因此本發明操作性強、總體運行成本低。3、本發明由于利用PMF模型和CMB模型對目標大氣顆粒物的受體源進行解析，得到基于PMF模型和基于CMB模型的顆粒物源解析結果，并將基于兩種模型的顆粒物源解析結果進行優化組合，因此本發明得到更加綜合、更為合理的源解析結果，從而為重污染過程應對提供技術支持。基于以上優點，本發明可以廣泛應用于大氣顆粒物污染控制中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明大氣顆粒物來源實時解析方法的流程圖【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0011]如圖1所示，本發明的大氣顆粒物來源實時解析方法包括以下步驟:
[0012]I)利用在線測量方法直接對目標大氣顆粒物進行在線測量，得到顆粒物在線成分數據；利用離線膜采樣方法對目標大氣顆粒物進行采樣后得到膜樣品，并利用離線測量方法對膜樣品的成分進行離線測量，得到顆粒物離線成分數據。
[0013]利用在線測量方法對目標大氣顆粒物直接進行測量，分別使用顆粒物在線離子色譜分析儀、顆粒物在線有機碳元素碳分析儀和顆粒物在線重金屬元素分析儀對目標大氣顆粒物的離子成分、碳(有機碳和元素碳)成分和重金屬元素成分等化學成分進行在線測量，得到目標大氣顆粒物離子成分、碳成分和重金屬元素的在線成分數據，其具體包括以下步驟:
[0014](I)采用荷蘭生產的半連續測量氣體和氣溶膠(即顆粒物)中可溶離子成分的顆粒物在線離子色譜分析儀MARGA ADI2080對目標大氣顆粒物進行采樣測量，并對目標大氣顆粒物的離子成分進行在線測量，其包括以下步驟:
[0015]①MARGA ADI2080型在線離子色譜分析儀利用氣體擴散性質，通過SJAC (蒸汽噴射顆粒物收集器)直接對目標區域的大氣顆粒物進行采樣，得到目標大氣顆粒物樣品。
[0016]②MARGA ADI2080型在線離子色譜分析儀對目標大氣顆粒物樣品進行離子色譜分析，得到目標大氣顆粒物的可溶性SO廣、N03_、NH4\ Cl' K+、Na+、Ca2+和Mg2+等陰、陽離子組分的小時濃度數據。
[0017](2 )采用美國生產的sunset在線大氣氣溶膠有機碳/元素碳分析儀對目標大氣顆粒物進行采樣測量，并對目標大氣顆粒物的OC (Organic Carbon有機碳)和EC (ElementalCarbon元素碳)成分進行在線測量，其包括以下步驟:
[0018]①sunset在線大氣氣溶膠有機碳/元素碳分析儀直接對目標區域的大氣顆粒物進行采樣，將目標大氣顆粒物的樣品收集至石英膜上。
[0019]②基于顆粒物樣品在低溫度下受熱釋放0C、高溫度下受熱釋放EC的原理，用670nm激光全程照射目標大氣顆粒物樣品使之升溫，監測升溫過程中反射光強(或透射光強)的變化，用670nm激光的初始光強作為參照，確定OC和EC的分離點，將OC和EC進行分離。
[0020]③分離出的OC和EC分別通過轉化爐轉化生成CH4。
[0021]④生成的CH4進入FID (Flame 1nization Detector火焰離子檢測器)進行定量測定，得到目標大氣顆粒物樣品中OC和EC的濃度。
[0022]⑤根據對目標大氣顆粒物樣品的采樣時間和目標大氣顆粒物樣品的累計體積，計算得到目標大氣顆粒物樣品中OC和EC的小時濃度數據。
[0023](3)采用美國生產的Xact625重金屬在線分析儀對目標大氣顆粒物的重金屬元素進行采樣，并對目標大氣顆粒物進行在線測量，其包括以下步驟:
[0024]①Xact625重金屬在線分析儀直接對將目標區域的大氣顆粒物進行采樣，將目標大氣顆粒物樣品收集至濾帶上，通過濾帶傳送至Xact625重金屬在線分析儀的分析部分。
[0025]②基于不同重金屬元素在X射線照射下會釋放不同波長的熒光射線的原理，用熒光X射線照射目標大氣顆粒物樣品，通過對不同射線強度的檢測實現對目標大氣顆粒物樣品中重金屬元素的定量分析。
[0026]③根據對目標大氣顆粒物樣品的采樣時間和目標大氣顆粒物樣品的累計體積，計算得到目標大氣顆粒物樣品中鉀、鈣、釩、鉻、錳、鐵、鈷和鎳等重金屬元素的小時濃度數據。
[0027]利用離線膜采樣方法對目標大氣顆粒物進行采樣，得到膜樣品；并利用離子色譜法、熱光法和 ICP_MS( Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,電感f禹合等離子體質譜)法分別對膜樣品的離子成分、碳成分和重金屬元素成分進行離線測量，得到目標大氣顆粒物的離子成分、碳成分和重金屬元素的離線成分數據，其具體測量過程為:
[0028](I)采用日本島津公司生產的LC-20AD型高效液相離子色譜分析儀，利用離子色譜法對膜樣品的離子成分進行離線測量，僅以陰離子為例(對陽離子的測量步驟與之相同)，其包括以下步驟:
[0029]①將膜樣品加水并進行超聲溶解，得到待測樣品溶液。
[0030]②用由中國計量科學研究院制備各個離子已知濃度的標準物質配置各個離子的標準溶液，根據已知濃度制作標準曲線，以作為處理數據的根據。
[0031]③LC-20AD型高效液相離子色譜分析儀由流動相傳送系統、色譜柱、電導檢測器和數據處理器組成，待測樣品溶液通過流動相傳送系統進入色譜柱進行分離，分離后的樣品溶液轉化為相應的高電導酸。
[0032]④高電導酸通過電導檢測器測定后轉變為相應酸型的陰離子，與標準溶液比較，通過保留時間、峰高或峰面積對樣品中的各個離子分別進行定性、定量分析。
[0033]⑤根據膜樣品的采樣體積得出目標區域的大氣顆粒物中陰離子的濃度。
[0034](2)采用美國沙漠研究所(DRI)生產的DRI2001A型有機碳/元素碳分析儀，利用熱光法對膜樣品的碳成分進行離線測量，其包括以下步驟:
[0035]①將目標大氣顆粒物采集至石英膜上形成顆粒物樣品。
[0036]②基于顆粒物樣品在低溫度下受熱釋放0C、高溫度下受熱釋放EC的原理，用633nm He-Ne激光全程照射膜樣品使之升溫，監測升溫過程中反射光強(或透射光強)的變化。
[0037]③在無氧的條件下對膜樣品進行升溫，使膜樣品中的有機碳揮發，得到OCp OC2,OC3、OC40
[0038]④通入氦氧混合氣，通過在有氧條件下繼續對膜樣品進行升溫，使膜樣品中元素碳燃燒，得到ECp EC2, EC30由于在無氧加熱時會使部分有機碳轉變為裂解碳，為檢測出裂解碳的生成量，用633nm He-Ne激光全程照射膜樣品，監測加熱升溫過程中反射光強(或透射光強)的變化，以初始光強作為參照，確定OC和EC的分離點，從而得到OCPyra的濃度。
[0039]⑤催化氧化爐將膜樣品釋放出的有機物質轉化生成CO2,再將生成的CO2還原成CH4(甲烷)，由火焰離子化檢測器(FID`)對還原生成的CH4進行定量檢測。
[0040]⑥根據IMPROVE協議將TOC (Total Organic Carbon,總有機碳)的濃度定義為 0(；+0(:2+0(:3+0(:4+(ΧΡκ。，TEC (Total Element Carbon，總元素碳)的濃度定義為EQ+EQ+ECfOCPf。，根據得到的 OC1、OC2、OC3、OC^ECpECyEC3 和 0CPyM 分別計算得到 TOC 和TEC的濃度。
[0041]⑦通過膜樣品的采樣體積計算得到膜樣品中OC和EC的濃度。
[0042](3)采用日本島津公司生產的ICPE-9000元素分析儀，利用ICP-MS法對膜樣品的重金屬元素進行離線測量，其包括以下步驟:
[0043]①將的膜樣品通過酸融法或熔融法進行消解，得到待測樣品溶液。
[0044]②ICPE-9000元素分析儀由霧化器、等離子體、分光器和CXD檢測器組成，將待測樣品溶液輸入ICPE-9000元素分析儀中經霧化器進行霧化。
[0045]③霧化后的待測樣品溶液噴入等離子體中進行蒸發與原子化。
[0046]④通過分光器將蒸發與原子化后的待測樣品溶液色散為單色光，并將單色光轉化為光電流。
[0047]⑤CCD檢測器將光電流形式的光學影像轉換為數字信號，得到相應譜線的強度信息；根據強度信息確定膜樣品中的重金屬元素組分，并計算得到各重金屬元素組分的濃度數據。
[0048]2)通過在線測量方法獲得的顆粒物在線成分數據和通過離線測量方法獲得的顆粒物離線成分數據進行對比分析后，形成定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，根據目標區域大氣環境顆粒物已知的源譜數據和定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，分別利用PMF模型和CMB模型對目標大氣顆粒物的受體源進行解析，得到基于PMF模型和基于CMB模型的顆粒物源解析結果，其具體包括以下步驟:
[0049](I)將通過在線測量方法獲得的顆粒物在線成分數據和通過離線測量方法獲得的顆粒物離線成分數據進行對比分析，建立對應顆粒物化學成分濃度的量化關系系數庫，形成定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列。
[0050](2)根據定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列(時間分辨率可調，可為24小時至數日不等)，利用PMF (Positive Matrix Factorization,正交矩陣因子分析)模型對目標大氣顆粒物的來源進行解析，得到基于PMF模型的顆粒物源解析結果。根據目標區域大氣環境顆粒物已知的源譜數據和定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，利用CMB(chemical mass balance,化學質量平衡模型)模型對目標大氣顆粒物的來源進行解析,得到基于CMB模型的顆粒物源解析結果。
[0051 ] 3)將基于PMF模型的顆粒物源解析結果和基于CMB模型的顆粒物源解析結果進行優化組合，得到優化后的大氣顆粒物實時源解析結果，實現針對污染過程的顆粒物來源實時解析。
[0052]上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和方法步驟等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
【權利要求】
1.一種大氣顆粒物來源實時解析方法，其包括以下步驟: 1)利用在線測量方法直接對目標大氣顆粒物進行在線測量，得到顆粒物在線成分數據；利用離線膜采樣方法對目標大氣顆粒物進行采樣后得到膜樣品，并利用離線測量方法對膜樣品的成分進行離線測量，得到顆粒物離線成分數據； 2)將通過在線測量方法獲得的顆粒物在線成分數據和通過離線測量方法獲得的顆粒物離線成分數據進行對比分析，形成定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，根據目標區域大氣環境顆粒物已知的源譜數據和定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，分別利用PMF模型和CMB模型對目標大氣顆粒物的受體源進行解析，得到基于PMF模型和基于CMB模型的顆粒物源解析結果； 3)將基于PMF模型的顆粒物源解析結果和基于CMB模型的顆粒物源解析結果進行優化組合，得到優化后的大氣顆粒物實時源解析結果，實現針對污染過程的顆粒物來源實時解析。
2.如權利要求1所述的一種大氣顆粒物來源實時解析方法，其特征在于:所述步驟I)中，分別使用顆粒物在線離子色譜分析儀、顆粒物在線有機碳元素碳分析儀和顆粒物在線重金屬元素分析儀對目標大氣顆粒物的離子成分、碳成分和重金屬元素成分直接進行在線測量，得到顆粒物在線成分數據；利用離線膜采樣方法對目標大氣顆粒物進行采樣后得到膜樣品，并利用離子體質譜法分別對膜樣品的離子成分、碳成分和重金屬元素成分進行離線測量，得到目標大氣顆粒物分粒徑的離子成分、碳成分和重金屬元素的離線成分數據。
3.如權利要求1或2所述的一種大氣顆粒物來源實時解析方法，其特征在于:所述步驟2)中，得到基于PMF模型和基于CMB模型的顆粒物源解析結果，其具體包括以下步驟: (1)將通過在線測量方法獲得的顆粒物在線成分數據和通過離線測量方法獲得的顆粒物離線成分數據進行對比分析，建立對應顆粒物化學成分濃度的量化關系系數庫，形成定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列； (2)根據定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，利用PMF模型對目標大氣顆粒物的來源進行解析，得到基于PMF模型的顆粒物源解析結果；根據目標區域大氣環境顆粒物已知的源譜數據和定量校正后的在線顆粒物化學成分時間序列，利用CMB模型對目標大氣顆粒物的來源進行解析，得到基于CMB模型的顆粒物源解析結果。
【文檔編號】G01N15/00GK103698255SQ201310738963
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】高健, 王淑蘭, 張岳翀, 柴發合, 張敬巧, 羅達通, 任春 申請人:中國環境科學研究院