前言

隨著(zhù)工業(yè)、能源以及交通等需求的不斷增長(cháng)，大氣污染的問(wèn)題日益突出。其中以不同形態(tài)進(jìn)入大氣中的重金屬成為空氣中重要的污染物之一。據估算，全國一年大氣中鉛、汞、鎘、鉻、砷五種重金屬或類(lèi)金屬污染物排放量9000多噸，有色金屬冶煉、鉛蓄電池、再生鉛、燃煤電廠(chǎng)、水泥、鋼鐵冶煉、化工品生產(chǎn)等行業(yè)是造成重金屬污染的主要源頭。其中有色金屬冶煉企業(yè)和燃煤電廠(chǎng)是排放含汞廢氣的主要污染源，此外燃燒尾氣、輪胎摩擦、制動(dòng)摩擦等也是重要污染源。大氣中的重金屬存在于懸浮顆粒物中，顆粒物的動(dòng)力學(xué)直徑從0.1 μm到100 μm。通常50 μm以上的懸浮顆粒物在大氣中經(jīng)過(guò)幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)即可沉降下來(lái)。而10 μm以下，尤其是2.5 μm以下的懸浮顆粒物不容易沉降，在大氣中可以漂浮幾天甚至數年，可以遷移數百甚至上千公里。

空氣中的重金屬污染物通過(guò)風(fēng)、雨、雪等途徑，損傷建筑物、形成土壤及地表水系交叉污染。進(jìn)入水體的重金屬會(huì )發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應，諸如氧化、溶解、解吸附、絡(luò )合作用以及生物甲基化等產(chǎn)生溶于水的金屬鹽，隨水體流動(dòng)擴散。當流域的物理化學(xué)條件發(fā)生了變化，這些金屬鹽又可能會(huì )發(fā)生還原、沉淀、吸附，進(jìn)而沉淀于土壤中。不同直徑顆粒物所沉積的人體呼吸器官部位為：10 ~ 100 μm，鼻腔；2.5 ~ 10 μm，鼻咽區；0.1 ~ 2.5 μm, 支氣管和肺部；0.1 μm 以下，重金屬元素具有較強的遷移、富集和隱藏性，經(jīng)空氣、水、食物鏈等途徑進(jìn)入人體，生物毒性顯著(zhù)，易引發(fā)慢性中毒，具有致癌、致畸及致突變作用，對免疫系統有一定影響，嚴重威脅人體健康。

目前，國家環(huán)保部已正式發(fā)布《環(huán)境空氣顆粒物中無(wú)機元素的測定-能量色散X射線(xiàn)熒光光譜法》相關(guān)標準，表明能量色散X射線(xiàn)熒光光譜儀能夠便捷、快速、準確地分析大氣顆粒物富集樣品中的重金屬含量。

能量色散X熒光光譜儀分析原理

X射線(xiàn)管產(chǎn)生的初級X射線(xiàn)照射到平整均勻的顆粒物表面時(shí)，樣品所含待測元素原子受到激發(fā)后發(fā)射出特征X射線(xiàn)，經(jīng)探測器接收后，將其光信號轉變?yōu)槟M電信號，經(jīng)過(guò)模數變換器將模擬電信號轉換為數字信號并送入計算機進(jìn)行處理，通過(guò)專(zhuān)用軟件獲取元素特征X射線(xiàn)強度，根據元素特征譜峰強度與含量的相應數學(xué)模型計算待測元素含量。

EDX4500H能量色散X熒光光譜儀介紹

EDX 4500H X能量色散熒光光譜儀是利用XRF檢測原理實(shí)現對各種元素成份進(jìn)行快速、準確、無(wú)損分析。該儀器的主要特征是利用智能真空系統，可對Si、P、S、Al、Mg等輕元素具有良好的激發(fā)效果，利用XRF技術(shù)可對大氣顆粒物富集物重元素進(jìn)行分析，在大氣濾膜富集物含量分析中具有無(wú)損、快速、準確等特點(diǎn)，有效提高檢測時(shí)間和工作效率。

圖1 EDX4500H 能量色散X熒光光譜儀

標準配置

超薄窗X光管
SDD硅漂移探測器
數字多道技術(shù)
光路增強系統
高信噪比電子線(xiàn)路單元
內置高清晰攝像頭
自動(dòng)切換型準直器和濾光片
自動(dòng)穩譜裝置
三重安全保護模式
可靠的整體鋼架結構
90mm×70mm的狀態(tài)顯示液晶屏
真空泵

大氣顆粒物采集與制備

 環(huán)境空氣顆粒物采樣點(diǎn)設置應符合HJ664相關(guān)要求，采樣過(guò)程按照HJ/T194中顆粒物采樣要求執行，當目標元素含量較低或采集PM10(PM2.5)樣品時(shí)，可適當增加采樣體積。無(wú)組織排放顆粒物樣品采集按照HJ/T55中相關(guān)要求設置監測點(diǎn)位，其他與環(huán)境空氣樣品采集要求一致，兩類(lèi)顆粒物樣品采集應符合環(huán)保部發(fā)布的相關(guān)標準要求。

大氣顆粒物中重金屬檢測過(guò)程如圖2所示，首先空氣及所攜帶顆粒物被流量控制的抽氣泵抽入切割器，顆粒物采集主要依靠采樣器的切割頭，PM10采樣器切割點(diǎn)是10 μm，并保證10 μm顆粒物的捕集效率在50 %以上，然后顆粒物被某一規格的采樣濾膜捕獲，常用的采樣膜有石英濾膜、聚四氟乙烯濾膜（PTFE）、聚碳酸酯濾膜（PC）等，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間富集收集，待采樣結束后，用鑷子將濾膜取出，放入干燥、潔凈、已編號的樣品盒中保存。

圖2  大氣重金屬收集與檢測流程

本實(shí)驗采用石英濾膜，濾膜（0.4 ～ 0.8 μm）直徑47 mm，顆粒物切割器（PM10)，氣流量控制1立方米/小時(shí)，每次采樣24小時(shí)。編號為依次1#、2#、……7#。收集的樣品予以干燥保存以備測。

大氣顆粒物重金屬曲線(xiàn)制定與樣品分析

    設定適當的測量條件，使用EDX4500H能量色散X熒光光譜儀掃描標準濾膜物質(zhì)，建立待測元素含量與強度的校準工作曲線(xiàn)，然后對采集的大氣顆粒物濾膜未知樣品進(jìn)行測量。

圖3 EDX4500H大氣顆粒物Pb元素工作曲線(xiàn)

圖4 EDX4500H某大氣顆粒物富集濾膜X熒光分析譜圖

表1  某區域大氣富集濾膜重金屬EDX4500H分析結果   單位：μg/m³

目前《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》GB3095-2012中規定，Pb元素的年平均濃度限值為0.5 μg/m³，由于Pb屬于毒性較大金屬，其濃度限值為多種重金屬中較低的。儀器檢測到4#樣品的Pb元素含量超標，高達2.955 μg/m³，并且Fe元素含量也較高，達到1.062 μg/m³。除此之外，大氣中常見(jiàn)的重金屬污染物的Fe，Zn兩種元素在各個(gè)樣品中均被檢測出。

結果表明，經(jīng)石英濾膜采集大氣中顆粒物，通過(guò)標準濾膜標定工作曲線(xiàn)，可以直接分析未知樣品中大氣重金屬的含量，此方法不需消解，每個(gè)樣品測量時(shí)間僅需數分鐘。儀器滿(mǎn)足環(huán)保部自2017年7月1日起實(shí)施的《環(huán)境空氣顆粒物中無(wú)機元素的測定-能量色散X射線(xiàn)熒光光譜法》相關(guān)標準要求。

附件：儀器的安裝和運營(yíng)環(huán)境

一、實(shí)驗室總體設計：

按照樣品測試、樣品前處理的特點(diǎn)設立各個(gè)分室，應建立樣品測試室與樣品前處理室，科學(xué)布置和安放儀器設備，布置電力線(xiàn)路，合理的采光、自然通風(fēng)和照明。

布置示意圖：樣品測試室如下，具體要求見(jiàn)下方儀器安裝儀器條件。

二、工作環(huán)境要求

2.1 環(huán)境溫度：10℃-35℃

2.2 相對濕度：小于70%

2.3 電源：AC 220V（如電網(wǎng)波動(dòng) ≥ 10%，則需配專(zhuān)用交流穩壓器(1kw以上）。

2.4 房間：無(wú)腐蝕性氣體，無(wú)機械振動(dòng)，無(wú)電磁場(chǎng)干擾。