一种大气颗粒物重金属元素的激光检测方法

摘要

本发明属于大气污染检测技术领域，具体涉及一种大气颗粒物重金属元素的激光检测方法，其步骤如下：步骤1，采用气体采集装置进行气体收集，得到待测样品气；步骤2，将待测样品气通过过滤板，将气体悬浮颗粒物附着在过滤板上，形成稳定的过滤积层；步骤3，将过滤板进行压制得到样品板；步骤4，将激光器输出的脉冲激光束通过聚焦透镜聚焦于样品板表面，形成高温等离子体；步骤5，通过光谱检测系统对等离子体光谱信号进行分析，得到大气悬浮污染颗粒物中重金属元素的种类和含量信息，以确定大气的重金属污染程度。本发明采用固体无机过滤板能够解决了目前大气激光检测过程中信号强度有限，难以准确收集分析的问题。

说明书

技术领域

本发明属于大气污染检测技术领域，具体涉及一种大气颗粒物重金属元素的激光检测方法。

背景技术

目前随着工业和经济的快速发展以及人口数量的剧增，大气中的重金属污染成为当今世界面临的主要污染之一，其主要来自于工业生产、机动车尾气、采矿、锅炉燃煤和汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等。重金属污染物主要附着在PM2.5和PM10颗粒上，PM2.5和PM10指的是空气动力学当量直径小于等于2.5微米和10微米的可吸入颗粒物，这些可吸入颗粒物具有较强的吸附能力，是包括重金属元素在内的多种污染物的“载体”和“催化剂”，可以在大气中长时间的停留和远距离传输。重金属污染物在自然的大气环境中难以降解，能在动植物体内长期积累，并通过食物链逐步富集，浓度能成几十上百甚至成万倍的增加，最终进入人体并沉积于肺部，直接参与血液循环，对人体的危害程度巨大。

目前检测大气气溶胶中重金属元素的通常做法是：先对大气实地采样，然后送到相关的实验室，用原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体光谱(ICP-AES)或原子荧光光谱法(AFS)等进行测量。这些分析方法都需要进行样品的采集、制备、化验等一系列过程，通常数小时甚至数天之后才能得到检测结果，而且这种间隔采样的方法只能反映较短时间段内的大气中的重金属含量，使检测结果偏离实际样本状况而产生一定的误差。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术利用高能量脉冲激光聚焦于样本表面，将样本气化为瞬态的高温、高密度激光等离子体，等离子体中的分子、原子将产生包含元素成分特征的发射谱线，通过对等离子体发射光谱的分布和强度分析，可以确定样本中重金属元素的种类和含量信息。激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有无需对样品进行预处理，可以实现多元素同时检测的特点，有效解决了大气悬浮污染颗粒物中多种重金属元素的在线、实时和连续监测的难题。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术与其它成熟的分析技术相比，由于等离子体光谱信号受到激光光源、信号采集延时、信号收集装置以及样本本身特性等多种因素的影响，在定量分析方面存在一定的局限性。大气作为一种以气态形式存在的样本，如果对大气直接进行采样，将脉冲激光光束作用于大气样本，经过激光诱导击穿所产生的等离子体光谱信号强度会十分有限，光谱信号采集装置很难进行有效的收集分析，而且光谱信号强度波动剧烈，即使在稳定条件下测量含量固定的气体，信号也会呈现较宽的强度分布，这个弱点使得激光诱导击穿光谱技术在气体样本的定量检测方面受到一定的限制。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种大气颗粒物重金属元素的激光检测方法，采用固体无机过滤板能够解决了目前大气激光检测过程中信号强度有限，难以准确收集分析的问题。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一种大气颗粒物重金属元素的激光检测方法，其步骤如下：

步骤1，采用气体采集装置进行气体收集，得到待测样品气；

步骤2，将待测样品气通过过滤板，将气体悬浮颗粒物附着在过滤板上，形成稳定的过滤积层；

步骤3，将过滤板进行压制得到样品板；

步骤4，将激光器输出的脉冲激光束通过聚焦透镜聚焦于样品板表面，形成高温等离子体；

步骤5，通过光谱检测系统对等离子体光谱信号进行分析，得到大气悬浮污染颗粒物中重金属元素的种类和含量信息，以确定大气的重金属污染程度。

作为优选，所述步骤2中的过滤板采用硅质无机过滤材料，孔隙为1微米，直径为30mm，厚度为3mm。

作为优选，所述步骤4中的激光参数如下：光源：Nd：YAG激光器，单脉冲能量为50mJ，脉冲宽度为6ns。

作为优选，所述硅质无机过滤材料的配方如下：

二氧化硅10-24份、发泡剂2-4份、渗透剂1-3份、溶剂35-45份、粘合剂10-15份、分散剂2-4份。

作为改进，所述发泡剂采用十二烷基硫酸钠。

作为改进，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮或者聚乙二醇。

作为改进，所述溶剂采用乙醇或者乙醇浓度为50-80％的乙醇水溶液。

作为改进，所述粘合剂采用环氧改性有机硅树脂或者甲基硅树脂。

作为改进，所述渗透剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚或烷基酚聚氧乙烯醚。

作为改进，所述硅质无机过滤材料的制备方法如下：

步骤1，将二氧化硅加入至溶剂中，然后加入分散剂，超声搅拌至完全溶解；

步骤2，将粘合剂与发泡剂、渗透剂混合，机械搅拌得到混合液；

步骤3，将混合液加入至步骤1的搅拌液中，继续超声搅拌至完全分散；

步骤4，将分散后的溶液进行减压蒸馏反应2-4h，然后加压制模反应2-4h，得到粗坯；

步骤5，将粗坯放入马弗炉中烧结4-8h，得到硅质过滤材料。

作为进一步改进，所述步骤1中的超声频率为1.4-5.5kHz，所述步骤2中的机械搅拌速度为2000-4000r/min，所述步骤3中的超声搅拌采用恒温搅拌，所述步骤4中减压蒸馏的压力为大气压的50-80％，温度为80-110℃，所述加压制模的压力为10-20MPa，加压温度为90-110℃，所述步骤5中的烧结温度为300-400℃，所述烧结升温方式如下：

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.本发明采用固体无机过滤板能够解决了目前大气激光检测过程中信号强度有限，难以准确收集分析的问题。

2.本发明采用硅质无机过滤板能够有效准确的收集气体中的颗粒物，且稳定和单一结构，测量结果准确性高，重复性好。

3.本发明采用微米级的硅质无机过滤板能够吸附大部分PM2.5和PM10的悬浮颗粒物。

4.本发明提供了硅质无机过滤板的配方和制备方法，通过减压蒸馏的方式将材料完全混合，采用加压制模的方式进行压制形成尺寸的密集型结构，通过梯度烧结的方式能够形成致密性结构，保证微米级孔隙的形成。

具体实施方式

以下是本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。

实施例1

一种大气颗粒物重金属元素的激光检测方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤1，采用气体采集装置进行气体收集，得到待测样品气；

步骤2，将待测样品气通过过滤板，将气体悬浮颗粒物附着在过滤板上，形成稳定的过滤积层；

步骤3，将过滤板进行压制得到样品板；

步骤4，将激光器输出的脉冲激光束通过聚焦透镜聚焦于样品板表面，形成高温等离子体；

步骤5，通过光谱检测系统对等离子体光谱信号进行分析，得到大气悬浮污染颗粒物中重金属元素的种类和含量信息，以确定大气的重金属污染程度。

所述步骤2中的过滤板采用硅质无机过滤材料，孔隙为1微米，直径为30mm，厚度为3mm。

所述步骤4中的激光参数如下：光源：Nd：YAG激光器，单脉冲能量为50mJ，脉冲宽度为6ns。

所述硅质无机过滤材料的配方如下：

二氧化硅10份、发泡剂2份、渗透剂1份、溶剂35份、粘合剂10份、分散剂2份。

所述发泡剂采用十二烷基硫酸钠。

所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮。

所述溶剂采用乙醇。

所述粘合剂采用环氧改性有机硅树脂。

所述渗透剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚。

所述硅质无机过滤材料的制备方法如下：

步骤1，将二氧化硅加入至溶剂中，然后加入分散剂，超声搅拌至完全溶解；

步骤2，将粘合剂与发泡剂、渗透剂混合，机械搅拌得到混合液；

步骤3，将混合液加入至步骤1的搅拌液中，继续超声搅拌至完全分散；

步骤4，将分散后的溶液进行减压蒸馏反应2h，然后加压制模反应2-4h，得到粗坯；

步骤5，将粗坯放入马弗炉中烧结4h，得到硅质过滤材料。

所述步骤1中的超声频率为1.4kHz，所述步骤2中的机械搅拌速度为2000r/min，所述步骤3中的超声搅拌采用恒温搅拌，所述步骤4中减压蒸馏的压力为大气压的50％，温度为80℃，所述加压制模的压力为10MPa，加压温度为90℃，所述步骤5中的烧结温度为300℃，所述烧结升温方式如下：

温度时间室温℃20min150℃60min250℃10min300℃2.5h

实施例2

一种大气颗粒物重金属元素的激光检测方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤1，采用气体采集装置进行气体收集，得到待测样品气；

步骤2，将待测样品气通过过滤板，将气体悬浮颗粒物附着在过滤板上，形成稳定的过滤积层；

步骤3，将过滤板进行压制得到样品板；

步骤4，将激光器输出的脉冲激光束通过聚焦透镜聚焦于样品板表面，形成高温等离子体；

步骤5，通过光谱检测系统对等离子体光谱信号进行分析，得到大气悬浮污染颗粒物中重金属元素的种类和含量信息，以确定大气的重金属污染程度。

所述步骤2中的过滤板采用硅质无机过滤材料，孔隙为1微米，直径为30mm，厚度为3mm。

所述步骤4中的激光参数如下：光源：Nd：YAG激光器，单脉冲能量为50mJ，脉冲宽度为6ns。

所述硅质无机过滤材料的配方如下：

二氧化硅24份、发泡剂4份、渗透剂3份、溶剂45份、粘合剂15份、分散剂4份。

所述发泡剂采用十二烷基硫酸钠。

所述分散剂采用聚乙二醇。

所述溶剂采用乙醇浓度为50％的乙醇水溶液。

所述粘合剂采用甲基硅树脂。

所述渗透剂采用烷基酚聚氧乙烯醚。

所述硅质无机过滤材料的制备方法如下：

步骤1，将二氧化硅加入至溶剂中，然后加入分散剂，超声搅拌至完全溶解；

步骤2，将粘合剂与发泡剂、渗透剂混合，机械搅拌得到混合液；

步骤3，将混合液加入至步骤1的搅拌液中，继续超声搅拌至完全分散；

步骤4，将分散后的溶液进行减压蒸馏反应4h，然后加压制模反应4h，得到粗坯；

步骤5，将粗坯放入马弗炉中烧结8h，得到硅质过滤材料。

所述步骤1中的超声频率为5.5kHz，所述步骤2中的机械搅拌速度为4000r/min，所述步骤3中的超声搅拌采用恒温搅拌，所述步骤4中减压蒸馏的压力为大气压的80％，温度为110℃，所述加压制模的压力为20MPa，加压温度为110℃，所述步骤5中的烧结温度为400℃，所述烧结升温方式如下：

温度时间150℃30min250℃120min400℃5.5h

实施例3

一种大气颗粒物重金属元素的激光检测方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤1，采用气体采集装置进行气体收集，得到待测样品气；

步骤2，将待测样品气通过过滤板，将气体悬浮颗粒物附着在过滤板上，形成稳定的过滤积层；

步骤3，将过滤板进行压制得到样品板；

步骤4，将激光器输出的脉冲激光束通过聚焦透镜聚焦于样品板表面，形成高温等离子体；

步骤5，通过光谱检测系统对等离子体光谱信号进行分析，得到大气悬浮污染颗粒物中重金属元素的种类和含量信息，以确定大气的重金属污染程度。

所述步骤2中的过滤板采用硅质无机过滤材料，孔隙为1微米，直径为30mm，厚度为3mm。

所述步骤4中的激光参数如下：光源：Nd：YAG激光器，单脉冲能量为50mJ，脉冲宽度为6ns。

所述硅质无机过滤材料的配方如下：

二氧化硅20份、发泡剂3份、渗透剂2份、溶剂40份、粘合剂12份、分散剂3份。

所述发泡剂采用十二烷基硫酸钠。

所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮。

所述溶剂采用乙醇浓度为80％的乙醇水溶液。

所述粘合剂采用环氧改性有机硅树脂。

所述渗透剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚。

所述硅质无机过滤材料的制备方法如下：

步骤1，将二氧化硅加入至溶剂中，然后加入分散剂，超声搅拌至完全溶解；

步骤2，将粘合剂与发泡剂、渗透剂混合，机械搅拌得到混合液；

步骤3，将混合液加入至步骤1的搅拌液中，继续超声搅拌至完全分散；

步骤4，将分散后的溶液进行减压蒸馏反应3h，然后加压制模反应3h，得到粗坯；

步骤5，将粗坯放入马弗炉中烧结6h，得到硅质过滤材料。

所述步骤1中的超声频率为3.5kHz，所述步骤2中的机械搅拌速度为3000r/min，所述步骤3中的超声搅拌采用恒温搅拌，所述步骤4中减压蒸馏的压力为大气压的70％，温度为100℃，所述加压制模的压力为15MPa，加压温度为105℃，所述步骤5中的烧结温度为350℃，所述烧结升温方式如下：

温度时间80℃30min200℃60min250℃30min350℃4h

综上所述，本发明具有以下优点：

1.本发明采用固体无机过滤板能够解决了目前大气激光检测过程中信号强度有限，难以准确收集分析的问题。

2.本发明采用硅质无机过滤板能够有效准确的收集气体中的颗粒物，且稳定和单一结构，测量结果准确性高，重复性好。

3.本发明采用微米级的硅质无机过滤板能够吸附大部分PM2.5和PM10的悬浮颗粒物。

4.本发明提供了硅质无机过滤板的配方和制备方法，通过减压蒸馏的方式将材料完全混合，采用加压制模的方式进行压制形成尺寸的密集型结构，通过梯度烧结的方式能够形成致密性结构，保证微米级孔隙的形成。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。