大气颗粒物重金属检测XRF应用解决方案

发布时间2017-09-06        浏览次数：780

随着业、能源以及交通等需求的不断增长，大气污染的问题日益突出。其中以不同形态入大气中的重金属成为空气中重要的污染物之。据估算，年大气中铅、汞、镉、铬、砷五种重金属或类金属污染物排放量9000多吨，有色金属冶炼、铅蓄电池、再生铅、燃煤电厂、水泥、钢铁冶炼、化品生产等行业是成重金属污染的主要源头。其中有色金属冶炼企业和燃煤电厂是排放含汞废气的主要污染源，此外燃烧尾气、轮胎摩擦、制动摩擦等也是重要污染源。大气中的重金属存在于悬浮颗粒物中，颗粒物的动力学直径从0.1 μm到100 μm。通常50 μm以上的悬浮颗粒物在大气中经过几分钟或几个小时即可沉降下来。而10 μm以下，尤其是2.5 μm以下的悬浮颗粒物不容易沉降，在大气中可以漂浮几天甚至数年，可以迁移数百甚至上千公里。

空气中的重金属污染物通过风、雨、雪等途径，损伤建筑物、形成土壤及地表水系交叉污染。入水体的重金属会发生系列的物理化学反应，诸如氧化、溶解、解吸附、络合作用以及生物甲基化等产生溶于水的金属盐，随水体流动扩散。当流域的物理化学条件发生了变化，这些金属盐又可能会发生还原、沉淀、吸附，而沉淀于土壤中。不同直径颗粒物所沉积的人体呼吸器官位为：10 ~ 100 μm，鼻腔；2.5 ~ 10 μm，鼻咽区；0.1 ~ 2.5 μm, 支气管和肺；0.1 μm 以下，重金属元素具有较强的迁移、富集和隐藏性，经空气、水、食物链等途径入人体，生物毒性显著，易引发慢性中毒，具有致癌、致畸及致突变作用，对免疫系统有定影响，严重威胁人体健康。

目前，环保已正式发布《环境空气颗粒物中无机元素的测定-能量色散X射线荧光光谱法》相关标准，表明能量色散X射线荧光光谱仪能够便捷、快速、准确地分析大气颗粒物富集样品中的重金属含量。

能量色散X荧光光谱仪分析原理

X射线管产生的初X射线照射到平整均匀的颗粒物表面时，样品所含待测元素原子受到激发后发射出特征X射线，经探测器接收后，将其光信号转变为模拟电信号，经过模数变换器将模拟电信号转换为数字信号并送入计算机行处理，通过专用软件获取元素特征X射线强度，根据元素特征谱峰强度与含量的相应数学模型计算待测元素含量。

 

EDX4500H能量色散X荧光光谱仪介绍

EDX 4500H X能量色散荧光光谱仪是利用XRF检测原理实现对各种元素成份行快速、准确、无损分析。该仪器的主要特征是利用智能真空系统，可对Si、P、S、Al、Mg等轻元素具有良好的激发效果，利用XRF术可对大气颗粒物富集物重元素行分析，在大气滤膜富集物含量分析中具有无损、快速、准确等特点，有效提检测时间和作效率。

图1 EDX4500H 能量色散X荧光光谱仪

性能特点

超薄窗X光管，标达到水平
采用数字多道术,可以达到超计数率,提测试效率和度
SDD硅漂移探测器，良好的能量线性、能量分辨率、峰背比和能谱特性
低能X射线激发待测元素，对Si、P等轻元素激发效果好
智能抽真空系统，屏蔽空气的影响，大幅扩展测试的范围
自动稳谱装置保证仪器作的致性
信噪比的电子线路单元
针对不同样品自动切换准直器和滤光片，免去手操作带来的繁琐
解谱术使谱峰分解，使被测元素的测试结果具有相等的分析度
多参数线性回归方法，使元素间的吸收、增应得到明显的抑制
液晶屏显示让仪器的重要参数（管压、管流、真空度）目了然

术参数
产品型号：EDX 4500H
产品名称：能量色散X荧光光谱仪
测量元素范围：从钠（Na）到铀（U）
元素含量分析范围： ppm—99.99%（不同元素，分析范围不同）
同时分析元素：次性可测几十种元素
测量时间：30秒-200秒
探测器能量分辨率为：145±5eV
管压：5KV-50KV
管流：50μA-1000μA
测量对象状态：粉末、固体、液体
输入电压：AC 110V/220V
环境温度：15℃-30℃
环境湿度：35%-70%
样品腔体积：320mm×100mm
外形尺寸：660mm×510mm×350mm
重量：65Kg

 

标准配置
超薄窗X光管
SDD硅漂移探测器
数字多道术
光路增强系统
信噪比电子线路单元
内置清晰摄像头
自动切换型准直器和滤光片
自动稳谱装置
三重安保护模式
可靠的整体钢架结构
90mm×70mm的状态显示液晶屏
真空泵

 

大气颗粒物采集与制备

 环境空气颗粒物采样点设置应符合HJ664相关要求，采样过程按照HJ/T194中颗粒物采样要求执行，当目标元素含量较低或采集PM10(PM2.5)样品时，可适当增加采样体积。无组织排放颗粒物样品采集按照HJ/T55中相关要求设置监测点位，其他与环境空气样品采集要求致，两类颗粒物样品采集应符合环保发布的相关标准要求。

大气颗粒物中重金属检测过程如图2所示，空气及所携带颗粒物被流量控制的抽气泵抽入切割器，颗粒物采集主要依靠采样器的切割头，PM10采样器切割点是10 μm，并保证10 μm颗粒物的捕集效率在50 %以上，然后颗粒物被某规格的采样滤膜捕获，常用的采样膜有石英滤膜、聚四氟乙烯滤膜（PTFE）、聚碳酸酯滤膜（PC）等，经过段时间富集收集，待采样结束后，用镊子将滤膜取出，放入干燥、洁净、已编号的样品盒中保存。

图2  大气重金属收集与检测流程

本实验采用石英滤膜，滤膜（0.4 ～ 0.8 μm）直径47 mm，颗粒物切割器（PM10)，气流量控制1立方米/小时，每次采样24小时。编号为依次1#、2#、……7#。收集的样品予以干燥保存以备测。

 

大气颗粒物重金属曲线制定与样品分析

 

    设定适当的测量条件，使用EDX4500H能量色散X荧光光谱仪扫描标准滤膜物质，建立待测元素含量与强度的校准作曲线，然后对采集的大气颗粒物滤膜未知样品行测量。

图3 EDX4500H大气颗粒物Pb元素作曲线

 

图4 EDX4500H某大气颗粒物富集滤膜X荧光分析谱图

 

表1  某区域大气富集滤膜重金属EDX4500H分析结果   单位：μg/m³

目前《环境空气质量标准》GB3095-2012中规定，Pb元素的年平均浓度限值为0.5 μg/m³，由于Pb属于毒性较大金属，其浓度限值为多种重金属中较低的。仪器检测到4#样品的Pb元素含量超标，达2.955 μg/m³，并且Fe元素含量也较，达到1.062 μg/m³。除此之外，大气中常见的重金属污染物的Fe，Zn两种元素在各个样品中均被检测出。

结果表明，经石英滤膜采集大气中颗粒物，通过标准滤膜标定作曲线，可以直接分析未知样品中大气重金属的含量，此方法不需消解，每个样品测量时间仅需数分钟。仪器满足环保自2017年7月1日起实施的《环境空气颗粒物中无机元素的测定-能量色散X射线荧光光谱法》相关标准要求。

 

附件：仪器的安装和运营环境

、实验室总体设计：

按照样品测试、样品前处理的特点设立各个分室，应建立样品测试室与样品前处理室，科学布置和安放仪器设备，布置电力线路，合理的采光、自然通风和照明。

布置示意图：样品测试室如下，具体要求见下方仪器安装仪器条件。

二、作环境要求

2.1 环境温度：10℃-35℃

2.2 相对湿度：小于70%

2.3 电源：AC 220V（如电网波动 ≥ 10%，则需配专用交流稳压器(1kw以上）。

2.4 房间：无腐蚀性气体，无机械振动，无电磁场干扰。