大气化学实验报告.docx

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大气化学实验报告

中山大学东校区微环境

空气特征污染物暴露程度研究实验

中山大学环境科学与工程学院XXXX专业XXX10XXXXX

指导老师：

陈尊裕

2018年10月27日

目录

【实验背景】......................................................................................................1

【实验目的】......................................................................................................1

【实验内容】

1、中山大学东校区室内外颗粒物污染情况调查..........................................2

二、中山大学东校区实验中心环境空气质量调查..........................................3

三、中山大学东校区生活区环境空气质量调查..............................................14

【总体评价】......................................................................................................19

【后记】..............................................................................................................19

【参考资料】......................................................................................................19

【实验背景】

人们日常生活的环境空气质量对人体健康有着极大的影响。

校园是学生日常生活,包括吃、穿、住、行和学的集中地点，故研究校园空气微环境特征污染物暴露程度有着很强的意义。

因此，笔者通过研究中山大学东校区内不同场所的环境空气质量，对包括学校实验中心、操场、生活区等紧密联系学生生活的微环境进行了调查与测评，分析其空气质量，以保证在校学生的健康学习生活。

校园的空间和时间的差异会导致所处微环境的空气状况不同，结合各污染物对人体的危害，笔者对中山大学东校区环境空气质量进行了综合评价。

【实验目的】

此次实验的实验目的，可以分为四部分，分别为了解、发现、分析和解决。

1、初步了解环境空气质量调查的基本原理和操作方法。

1、了解颗粒物（TSP、PM10、PM2.5）的采样方法及原理，熟悉采样器结构与操作，调查室内外PM10的污染情况；

2、学习O3、CO、NOx、SO2等自动在线分析仪器使用，调查中山大学东校区实验中心环境空气质量状况；

3、学习便携式在线分析仪原理及使用方法，调查中山大学生活区微环境空气质量状况，分析环境质量与人类行为的关系。

2、初步发现中山大学东校区学生日常所处环境的空气质量情况。

通过数据初步了解学生日常所处环境（包括实验室、操场、宿舍及食堂等）的空气质量情况，获得各类污染物浓度及污染严重程度，整理多次实验活动所得的严谨数据，供本次实验探索和讨论部分、后续深度科研项目及有关部门参考和使用。

三、对各组所获取的测量数据进行综合评价和分析，对比各环境污染程度并且探讨原因。

1、纵向比较不同时间同一环境空气各污染物浓度，分析各污染物在时间上的分布状况；

2、横向比较不同种类的污染物在空间上分布的差异，以便提出在不同地点的改善方法；

3、分析各污染物的产生原因，并综合分析其在时间上、空间上分布的规律。

【实验内容】

本实验的实验内容主要分为三部分：

1）中山大学东校区室内外颗粒物污染情况调查

2）中山大学东校区实验中心环境空气质量调查

3）中山大学东校区生活区环境空气质量调查

一、中山大学东校区室内外颗粒物污染情况调查（由工作人员演示）

1、实验仪器

仪器照片

仪器名称

用途

详细系数

Mini-vol颗粒物采样器

大气气溶胶采样

额定流量：

5LPM

额定电源：

12VDC

可采集粒径：

TSP，PM10，PM2.5，PM1。

持续采样时间：

≥24h

2、实验原理

2.1Mini-vol颗粒物采样器

根据国家标准《大气飘尘浓度测定方法》（GB6921-86），使一定体积的空气进入切割器，将10μm以上粒径的微粒分离。

小于这一粒径的微粒随着气流经分离器的出口被阻留在已恒重的滤膜上。

根据采样前后滤膜的重量差及采样体积，计算出飘尘（PM10）浓度，以mg/Nm3表示。

浓度按下式计算：

（毫克/标准立方米）

式中：

C——PM10浓度，mg/Nm3；

G2——采样后滤膜的重量，g；

G1——采样前滤膜的重量，g；

Vr——换算成标准状态下的采样体积，m3。

3、实验方案

3.1采样地点选择

●实验中心顶楼

●实验中心A308

3.2采样方式

3.2.1实验前一天下午5点在以上两个采样地点同时开始采样，实验当天下午5点结束采样。

3.2.2称量：

采样前采样后进行滤纸称量，计算气溶胶质量浓度，比较室内外之差。

4、实验设备与测试内容

使用Mini-vol颗粒物采样器（广州昂昇环境分析仪器有限公司）采集PM10。

5、采样步骤

5.1采用合格的超细玻璃纤维滤膜。

采样前在干燥器内放置24小时，用感量优于0.1mg的分析天平称重，放回干燥器一小时后再称重，两次重量之差不大于0.4mg即为恒重。

5.2清洗仪器。

用无尘纸蘸异丙醇擦拭镊子、滤网等仪器

5.3将已恒重好的滤膜，用镊子放入洁净采样夹内的滤网上，牢固压紧至不漏气。

如果测定任何一次浓度，每次需更换滤膜；如测日平均浓度，样品采集在一张滤膜上。

采样结束后，用镊子取出滤膜，将有尘面朝上，放入滤膜盒，并做好采样记录。

5.4采样后滤膜处理按5.1的方法迸行。

6、实验小结

本实验主要由工作人员讲解和演示，无法进行数据处理和分析。

在实验过程中，主要观察工作人员的操作步骤以及操作方法，并做好相关记录。

本实验的层次是了解，即实验目的、实验原理和实验仪器的基本操作。

二、中山大学东校区实验中心环境空气质量调查

1、实验仪器

仪器照片

仪器名称

用途

详细系数

MODEL701零气发生器

分析采样气体成分、测定SO2、NOx、NO2、NO、CO、O3浓度。

范围：

0-50ppb到0-20ppm，用户可选。

MeasurementUnits-ppb,ppm,μg/m3（userselectable）测量单位：

ppb时，ppm时（用户可选）

APIModel400EO3分析仪

APIModel200ENO/NO2/NOx分析仪

APIModel300ECO分析仪

APIModel100ESO2分析仪

其他

采样泵及采样袋

气体样本采集

/

2、实验原理

2.1MODEL701零气发生器

外界空气经过过滤器进入空气压缩机，在压缩机的影响下变为温度高、湿度高的空气；随后该空气流进入降温降湿工段，空气温度降至正常，水汽被过滤并且通过机器后部的排水管排出。

处理后的干燥洁净空气被输出送至储存罐中，在一定的压力控制条件下，干洁空气于排气管中输出。

干洁空气随后进入CO与NOx处理单元。

在CO处理单元中，CO被氧化成CO2，同时烃类物质也被氧化为CO2和H2O；在NOx处理单元中，NO被氧化为NO2，随后NO2被吸附去除。

最后，空气通过一层独立的过滤后以零气的状态输出。

调零方式：

先由零气发生器输入干洁空气，为各仪器标定浓度为零。

再调节仪器，产生一定标准浓度的气体，通向各仪器，继续标定。

根据两点确定一条直线的简单原理，我们可以认为仪器已经标定完成。

2.2APIModel200ENO/NO2/NOx分析仪

通过测定NO和O3气相发光原理的光强度进行的。

NO+O3→NO2*+O2

NO2*→NO2+hv

则NO和O3反应生成激发态的NO2，激发态的NO2通过发射光子释放多余的能量回到低能态。

分析仪从气流中取样，通过数字化光电倍增管（PMT）信号测定NO浓度

NOx测定原理：

分析仪进行NO浓度的测定后，通过转换器用阀门切换样品流进行分析。

转化器里面含有加热的Mo，将样品流中存在的NO2还原为NO，方程式为：

3NO2+Mo→3NO+MoO3

此时分析仪测定的NO浓度即为NOx的浓度。

NO2测定原理：

计算机内部将NOx与NO浓度相减可得到NO2浓度。

测定的结果，经过计算机处理存盘，可以得到这三种组分的即时浓度与长期浓度的平均值。

2.3APIModel400EO3分析仪

臭氧吸收紫外光示意图

研究表明O3仅对波长253.7nm的紫外线具有最大吸收系数，在此波长下紫外线通过O3会产生衰减，符合Beer–Lambertlaw。

该分析仪就是采用紫外线吸收法的原理，用稳定的紫外灯光源产生紫外线，用光波过滤器过滤掉其它波长紫外光，只允许波长253.7nm通过。

经过样品光电传感器，再经过臭氧吸收池后，到达采样光电传感器。

通过样品光电传感器和采样光电传感器电信号比较，再经过数学模型的计算，得出臭氧浓度大小。

（Beer–Lambertlaw）

其中：

A：

吸光度；

I0：

入射光的强度；

It：

透射光的强度；

T：

透射比，或称透光度；

K：

系数，可以是吸收系数或摩尔吸收系数

l：

吸收介质的厚度，一般以cm为单位；

c：

吸光物质的浓度，单位可以是g/L或mol/L。

2.4APIModel300ECO分析仪

该仪器同样是基于Beer-Lambert定律，只是CO吸收的是红外光线。

仪器内部有一个气体过滤轮，该装置可以允许高能量的光交替通过充满CO的气体室和不含CO的参考气体室。

光路经过样品室，光在样品室内多次往返,光程达到14米。

将通过样品室的红外光能损失量与气体过滤器产生的标准参考信号作比较，产生的信号与样品气浓度成比例。

CO吸收红外光示意图

2.5APIModel100ESO2分析仪

仪器采用紫外荧光法测定原理。

采集得的气体进入荧光室，部分二氧化硫受波长为190nm到230nm的紫外光照后转化为激发态的二氧化硫（SO2*），随着SO2*逐步衰减为SO2，会产生荧光，仪器测量所产生的荧光，从而计算通入的SO2的浓度。

3、实验方案

3.1不同区域空气样本采集

采集中山大学东校区实验中心不同区域公共微环境空气样本，采样路线：

电梯内——二楼A206（大气污染控制工程实验室）——A308——五楼顶楼。

3.2空气样本分析。

使用对应API自动分析仪器对采集样本进行浓度分析。

4、实验方法与步骤

●实验方法

实验采用同套仪器反复参与多项实验的方法，以消除器材带来的系统误差。

在实验测量中，为减少偶然误差对结果的影响并且更好的得出结论，我们采取了控制变量法，即为方便横向比较各采样地点所处微环境情况，仅仅改变采样地点这一变量。

为此，实验人员尽量控制每组数据测量时间都选择在周末的同一时间段，并且都选择晴朗无雨的天气同时记录温度湿度。

在室内测量时，我们采取选取有代表性的采样点并且多次测量的方法，妥善实验得到数据，以保证其真实性和准确性。

实验在测量过程中皆采取机器自动化记录和人工记录相结合的手段，同步记录各仪器示数，保持各项数据的连贯性和同步性。

获得数据后我们可纵向比较各采样点污染物浓度变化，寻找污染空间发布特征，综合考虑减缓其对横向比较的干扰；横向比较各采样点的污染情况；横向分析三个室内微环境污染状况，针对各污染物对人体的伤害程度，对校园环境做成评价；分析各污染物产生原因，探讨其与采样点的选择等因素是否存在影响关系。

通过数据的处理和分析，我们可以就各微环境的特点，结合实际，提出有针对性的改善措施，并深入对比和分析各措施的可行性，以提高校园环境的空气质量。

以上便是本次实验的基本方法。

●实验步骤

4.1从实验室取得各仪器，清空采样袋（如条件允许最好先用零气发生机气体充满采集袋后放出，消除采样袋重复使用对样本影响）。

4.2抵达电梯选取具有代表性的采集点。

第一采集点拟为实验中心A栋电梯内，观察电梯内环境并记录。

4.3打开采样袋阀，通过软管将采样袋和抽气泵连接。

根据《室内空气质量标准GBT18883-2002》中室内空气监测技术导则说明，采样点应避开通风口，离墙壁距离应大于0.5米，采样点的高度原则上与人的呼吸带高度相一致。

同时，控制泵的流速使空气被缓慢采集以增加数据的可靠性。

待气袋充分鼓起，约至最大容积的80%时，停止采样，关闭阀，贴上标签，注明采样时间、地点、环境温度等相关信息。

4.4选取选取实验中心A206、A308、和A栋五楼楼顶第二、三、四采集点，重复上述采样步骤4.2，4.3。

4.5回到实验室，先利用零气发生器校准各气体充分测定仪，将采气袋与各仪器连接后开始测量各成分浓度，待到数据稳定后记录各项数据。

4.6将采气袋放空，整理各仪器和数据。

5、实验数据与分析

5.1实验数据记录（注：

括号内为稳定度）

A采样

地点/气体

CO/ppm

NO/ppb

NO2/ppb

NOX/ppb

实验楼顶

0.308（0.011）

2.0（0.1）

6.6（0.1）

4.6（0.1）

电梯

0.314（0.024）

1.5（0.9）

10.7（0.9）

9.0（0.9）

实验楼A206

0.354（0.047）

1.1（0.1）

6.3（0.1）

5.2（0.1）

实验楼A308

0.346（0.029）

2.4（0.2）

7.1（0.2）

4.6（0.2）

B采样

地点/气体

SO2/ppb

O3/ppb

实验楼顶

45.7（0.3）

52.5（0.2）

电梯

38.9（0.4）

26.8（0.2）

实验楼A206

47.7（0.6）

47.3（0.4）

实验楼A308

31.4（0.4）

36.3（0.2）

5.2数据处理与分析

5.2.1CO

5.2.1.1数据处理

目前国内一氧化碳的衡量标准及等级主要是根据国家环保局2012年颁布的《环境空气质量标准》GB3095-2012，具体标准如下表：

COmg/m3

等级

一级标准

二级标准

24小时平均

4

4

1小时平均

10

10

浓度单位ppm与mg/m3换算公式

（1）：

质量浓度mg/m3=M气体分子质量/22.4*ppm数值*[273/（273+T气体温度）]*（Ba压力/101325）

（1）

通过以上换算公式，可以得到标准状态（即0摄氏度，1标准大气压）下四采样点的CO浓度值：

CO/ppm

等级

一级标准

二级标准

24小时平均

3.2

3.2

1小时平均

8

8

5.2.1.2数据评估与综合分析

由上述两表的对比易知，在四个采样地点的CO浓度均远低于国家一级标准，即CO浓度含量在四个采样点微环境的暴露量是完全达标的。

但相比之下，在四个采样地点中，实验楼顶的CO浓度是最低的，实验室A206的含量是最高的。

从CO产生的机理来看，　CO是由含碳物质不完全燃烧产生的产物之一。

一氧化碳是大气中分布最广和数量最多的污染物，也是燃烧过程中生成的重要污染物之一。

大气中的CO主要来源是内燃机排气，其次是锅炉中化石燃料的燃烧。

实验楼顶整体很空旷，空气对流相对其他三个采样点而言更加强烈，因此CO的聚集相对不易，所以浓度较低。

而实验室由于

（1）酒精灯的酒精不充分燃烧和其他化学反应产生相对较高浓度的CO；

（2）实验室虽然也有换气系统，但相对于室外还是有所不及的，这为CO的积累聚集产生了有利条件。

因此，CO浓度相对较高。

5.2.2NO

5.2.2.1数据处理

5.2.2.2数据评估与综合分析

从上表可以看出，在四个采样地点中，实验室A308的NO浓度最高，而实验室A206的浓度最低，最高浓度是最低浓度的两倍多。

实验室A206的NO浓度控制在比较合理的范围，空气质量相对较好。

我们知道，NO除了自然产生外，就是人工合成。

而实验室A308是大气化学实验室，其中有些化学试剂通过化学反应或者自身分解可以产生NO。

事实上，我们在进行气体采样时，正好有人在做相关化学实验。

而A206虽然同样是化学实验室，但是由于没有人正在做相关实验且相对而言通风效果较好，因此，NO浓度较低。

另外，有些化学试剂能够消耗NO，有些会产生NO，这也会影响其浓度。

因此，笔者推测实验室NO的浓度受其中储存的试剂种类影响。

5.2.3NO2

5.2.3.1数据处理

目前国内二氧化氮的衡量标准及等级主要是根据国家环保局2012年颁布的《环境空气质量标准》GB3095-2012，具体标准如下表：

NO2mg/m3

等级

一级标准

二级标准

年平均

0.04

0.04

24小时平均

0.08

0.08

1小时平均

0.20

0.20

浓度单位ppb与mg/m3换算公式：

质量浓度mg/m3=M气体分子质量/22.4*ppb数值*0.001*[273/（273+T气体温度）]*（Ba压力/101325）

（2）

通过以上换算公式，可以得到标准状态（即0摄氏度，1标准大气压）下国家标准的NO2浓度值：

NO2ppb

等级

一级标准

二级标准

年平均

19.5

19.5

24小时平均

39.0

39.0

1小时平均

97.4

97.4

5.2.3.2数据评估及与综合分析

观察上面两表中的数据，进行纵向对比，可以发现NO2的含量在四个采样点都是合格的。

但横向比较，电梯中NO2浓度是最高的，且远高于其他三处。

这需要从从NO2的产生机理出发进行分析。

室内环境中氮氧化物主要是由于烹饪和取暖过程中燃料的燃烧，此外吸烟时也可产生氮氧化物。

而一氧化氮在空气中极易转化为NO2。

因此，笔者推测，可能有人在电梯内吸烟，因此产生了NO2，是电梯内NO2浓度偏高。

5.2.4NOX

5.2.4.1数据处理

通过换算公式

（2），可以得到标准状态（即0摄氏度，1标准大气压）下四采样点的NOx浓度值：

实验地点

实验楼顶

电梯

A206

A308

NOx质量浓度（mg/m3）

0.0025~0.01355

0.00188~0.0220

0.00138~0.0129

0.003~0.01458

目前国内氮氧化物的衡量标准及等级主要是根据国家环保局2012年最新颁布的《环境空气质量标准》GB3095-2012，具体标准如下表：

NOxmg/m3

等级

一级标准

二级标准

年平均

0.05

0.05

日平均

0.10

0.10

1小时平均

0.25

0.25

5.2.3.2数据评估及与综合分析

观察上面两表中的数据，进行纵向对比，可以发现NOx的含量在四个采样点都是合格的。

但横向比较，电梯中NOx浓度最大值是最高的，且远高于其他三处。

实验室A206的最小值是最低的。

这需要从从NOx的产生机理出发进行分析。

室内环境中氮氧化物主要是由于烹饪和取暖过程中燃料的燃烧，此外吸烟时也可产生氮氧化物。

因此，笔者推测，可能有人在电梯内吸烟，产生了氮氧化物。

而实验室氮氧化物的主要来源是有化学试剂的反应（包括分解）。

5.2.4SO2

5.2.4.1数据处理

目前国内二氧化硫的衡量标准及等级主要是根据国家环保局2012年颁布的《环境空气质量标准》GB3095-2012，具体标准如下表：

SO2mg/m3

等级

一级标准

二级标准

年平均

0.02

0.06

24小时平均

0.05

0.15

1小时平均

0.15

0.50

通过换算公式

（2），可以得到标准状态（即0摄氏度，1标准大气压）下SO2浓度值：

SO2ppb

等级

一级标准

二级标准

年平均

7.0

21.0

24小时平均

17.5

52.5

1小时平均

52.5

175

5.2.4.2数据评估及与综合分析

分析以上两表可以发现，通过比较，纵向比较，四个采样点SO2微环境下暴露量均低于国家1小时平均一级标准，即均合格。

横向比较，四个采样地点之间存在一定的差异。

其中，A206的含量是最高的，实验室A308的含量是最低的。

通过观察和分析，实验室A206由于是化学实验室，其中有浓硫酸等试剂，通过化学反应极易产生SO2，因此会导致SO2浓度相对其他采样点会更高一些。

而实验室A308进行的主要是一些物质分析，进行的主要是物质定量分析，涉及SO2产生的物质较少，且门窗敞开，通风较好，故浓度较低。

5.2.5O3

5.2.5.1数据处理

目前国内臭氧的衡量标准及等级主要是根据国家环保局2012年颁布的《环境空气质量标准》GB3095-2012，具体标准如下表：

O3mg/m3

等级

一级标准

二级标准

日最大8小时平均

0.10

0.16

1小时平均

0.16

0.20

通过换算公式

（2），可以得到标准状态（即0摄氏度，1标准大气压）下四采样点的O3浓度值：

O3ppb

等级

一级标准

二级标准

日最大8小时平均

46.7

74.7

1小时平均

74.7

93.3

5.2.5.2数据评估及与综合分析

对比两表数据，可以看出，四个采样点中，只有电梯和实验室A308达到了日最大8小时平均，而实验楼顶和A206均超标，在一级标准和二级标准之间。

四个采样点臭氧浓度均在1小时平均一级标准以下。

相对于其他三个采样地点，电梯的臭氧浓度最低，为0.0574mg/m3。

大气中的臭氧主要是由光化学反应生成的。

适合的气象条件也是城市产生臭氧污染的重要因素，足够的阳光促进臭氧生成的光化学反应。

在光照和较高温度条件下，臭氧由前体污染物氮氧化物和挥发性有机物快速反应生成，因此臭氧浓度随着季节和时间变化，高值往往存在于夏季和每日中午时分。

而静稳的大气可以使生成的臭氧不断积累起来。

因此，在少云、无风的天气条件下容易出现臭氧污染。

气体的采样是在午后进行的，天气晴朗，阳光比较强烈，这种气象条件极大地促进了光化学反应的进行，因此，实验楼顶的臭氧浓度会最高。

而电梯相对而言空气流动比较小，与外界气体交换较小，因此，外界的臭氧浓度变化对其影响较小，故其浓度保持在较低值。

6、综合评价

6.1测量的六种污染物在微环境中暴露含量分布图

6.2综合小结

所测量的六种空气污染物CO、NO、NO2、NOX、SO2和O3，在四个采样点的微环境下的暴露量都是低于国家一级标准的。

总体而言，四个采样点所代表的环境空气质量优良。

因此，将该实验结果进行推广，以四个采样点为代表的中山大学东校区的微环境主要空气污染物的浓度都是合格的。

三、中山大学东校区生活区环境空气环境质量调查

1、实验仪器

仪器照片

仪器名称

用途

详细系数

MicroDUST在线测试