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利用法国oxxius激光器的光散射法监测PM2.5浓度

发布时间:2020-05-15 11:18:35 浏览量:40


作为煤炭资源大国,中国的发展离不开煤炭产业,即使清洁能源也无法替代它。然而燃烧煤炭排放的颗粒污染物尤其是PM2.5造成的大

气污染令所有人头疼,虽然现在提倡超净煤炭的使用,也还是无法完全避免PM2.5污染。而PM2.5浓度监测作为大气治理的重要一环

越来越受到人们关注,下面我来介绍一下利用到法国Oxxius激光器的光散射法在PM2.5浓度监测中的作用。


首先什么是颗粒污染物?PM2.5又指的是什么?

大气污染分两类,一类是气体污染物,比如一氧化硫、二氧化硫、一氧化碳和一氧化氮这种以气态形式存在的有害气体。另一种气溶胶

污染物就是我们提到的颗粒污染物,它指的是那些可以悬浮在空气中的固体物质,比如我们常见的烟灰、雾霾和粉尘。而PM2.5专指那

些空气动力学直径小于2.5um的可入肺颗粒污染物,比如前几年广泛引起关注的雾霾就是PM2.5的一种。下图为2016年我国能源使用

占比以及PM2.5排放全球分布。

PM2.5有什么危害?

如下图所示。首先由于其很小的直径,PM2.5可以直接被肺泡细胞吸收而进入血液循环,进而引起呼吸系统病变和心血管疾病。比如引

发咳嗽、损伤肺功能导致慢性支气管炎、心脏病、肺部纤维化等;同时PM2.5携带的多环芳香烃等致癌物会导致癌症发病率提高。而且

有调查表明,空气污染将影响新生儿童神经发育并损害肺部功能(PS:对,就是柴静拍的那个穹顶之下,虽然拍的不真实,但是有些问

题是真实存在的)。世界卫生组织(WHO)还指出,2012年全球约有650万人直接或间接死于空气污染,占全球死亡人数的11.6%。

PM2.5除了影响人体健康外,还会直接导致能见度降低,建筑物腐蚀,改变区域气候最终影响人类正常生活。

 

PM2.5监测国家标准是什么?

我国对PM2.5浓度监测主要围绕燃煤火电站展开,2012年,中国环保部发布了最新《环境空气质量标准》(GB3059-2012),重点纳

入了PM2.5的排放指标,进一步严格环境空气标准,要求重点地区环境空气中PM2.5质量浓度年平均低于15μg/m3。2014年,国家发

改委、环保部和能源局联合发布2093号文件《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》,要求东部地区新建燃煤发电机

组颗粒物排放浓度限值不高于10mg/m3,即燃煤机组的颗粒物浓度“超低排放”标准。


PM2.5浓度监测手段有哪些?哪些领域可以使用?

目前常用的手法有手工测重和在线测重两种,手工测重直接抽取烟尘颗粒累积称重来表达颗粒物质量浓度,但是人工误差较大。而在线

测重则通过声光电磁感应机制与颗粒物的浓度响应关系来测量,比如光散射法,超声波以及静电感应等。PM2.5浓度监测除了可以应用

于煤炭发电厂外还可以在工厂、实验室无尘认证、城市空气质量等方面起到应用,PM2.5浓度监测应用还是很广的。


什么是光散射法?

1908年德国科学家古斯塔夫·米建立了球形颗粒物的米氏散射模型,这兴起了利用光对颗粒物的检测研究发展。而光散射法是根据一定

波长的光照射到烟尘中时,烟尘颗粒对光的散射强度与烟尘颗粒浓度成正相关的关系,通过测定某一立体角内的散射光强度计算出颗粒

物浓度。由于PM2.5的颗粒形状和环境折射率以及温度湿度等也对监测有影响,在测量计算中无可避免要用到模型矫正和数据修正,所

以光散射法实际上是理想情况下利用了散射光强和PM2.5浓度的关系。不过呢科学界对光散射法抱有很高期待,毕竟它的实用性和重复

性以及测量的速度是十分优秀的,而且作为实时在线测量技术,光散射法避免了人为误差并且不影响测量对象,因此被应用于PM2.5测

量完全没有问题。光散射法模型如下图。


光散射法测PM2.5一般利用何种光源?

光散射法测PM2.5常用单色性好的可见波段激光。因为对于常见的可见光,微米以及亚微米颗粒物粒径几乎等于波长,因此依靠米氏散

射的光散射法能运用到颗粒光学测量中。换句话说,可见光是光散射法测量PM2.5的最佳光源。如下图。

米氏散射


法国oxxius激光器作为可见光源有何优势?

可见光光源光学性能和稳定性越好则监测效果越准确。比如下图所示法国oxxius公司LaserBoxx可见光系列中有一款连续输出638nm

激光器,功率稳定性±0.5%,光学噪声<0.5%,光束质量小于1.25,调制频率可达20MHz。并且该系列激光器内置智能CUP芯片,具

备强大软件控制功能、工作状态记录功能,远程诊断及自我修复功能,因此非常适合作为照射光源在长时间实时监测的光散射法中大显

身手。

下面我们来看看华中科技大学研究小组利用法国oxxius激光器在光散射法测PM2.5的应用

华中科技大学研究小组在光散射法模拟监测大气PM2.5污染特性的研究中利用昊量光电独家代理的法国oxxius公司634nm半导体激光

器搭建了散射光双探测器探测光路,光路如下图。双角度散射光探测系统固定于光学平台上。光源为634nm波长的半导体激光

(oxxius LBX-634S),激光器出射激光通过光纤与准直镜连接。入射光强为水平偏振且强度约为20mW。光束直径为6mm,通过光

阑后仅保留中心直径2 mm的部分,以减少高斯光束对散射的影响。固定角度探测器位于45°散射角处,通过光纤连接光谱仪探测散射

光强。旋转探测器安装在散射平面激光束的另一侧,可以在散射角为15°-165°范围内旋转。


 

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