德国如何分析飘尘中的PM10

随着对空气污染有害影响的了解,在国家和国际层面上改善空气质量变得越来越重要了。根据欧盟2008/50/EG指令的规定:欧盟成员国有责任和义务对飘尘(PM10)中的砷、镉、镍、铅进行监控。研究表明:颗粒物污染对健康有直接的影响。在过去几年里已经确定的、与颗粒物污染有关的疾病有:呼吸系统疾病、心脑血管疾病、肺癌、过敏反应等。对健康的损害程度不仅仅取决于飘尘颗粒的大小,而且也取决于颗粒物的毒性(例如:砷、汞、铅)。
飘尘一方面可以在自然过程中形成(例如:火山爆发、沙尘暴和水沫),但也可以是人为原因造成的(例如,工业和交通中矿物燃料的使用)。飘尘指的是总悬浮颗粒物中空气动力学直径小于或等于10 µm的可吸入颗粒物(PM10)。鼻腔中的鼻毛和呼吸道中的粘膜只能部分的截取空气中的颗粒物,而可吸入的颗粒物是问题的核心。根据颗粒物的大小,飘尘可通过肺泡进入血液循环系统,从而分布到各部分。其中危害最大的是细颗粒物、又称为可入肺颗粒物(PM2.5)以及超微粒子。


图1.由于矿物燃料的燃烧、工业和交通会在大气中产生可吸入颗粒物。

  可入肺颗粒物的影响
研究表明:颗粒物污染对健康有直接的影响。在过去几年里已经确定的、与颗粒物污染有关的疾病有:呼吸系统疾病、心脑血管疾病、肺癌、过敏反应等。粉尘颗粒通过鼻腔、口腔进入。由于粘膜和鼻毛有限的过滤作用,飘尘PM10可吸入颗粒物能够到达肺泡。此时,对健康的损害程度不仅仅取决于飘尘颗粒的大小,而且也取决于颗粒物的毒性(例如:砷、汞、铅)。


图2.SpeedwaveEntry,日常工作中高效的消解分析设备。

  符合标准的监控
在空气质量的评估中,按照DINEN14902标准的规定和要求对室外空气PM10中的铅、镉、砷和镍的含量进行检测。标准规定:过滤材料要在220℃的温度下,接受25 min硝酸和过氧化氢的微波消解,然后进行光谱测定。为了能够同时有多个过滤器捕捉空气中的可吸入颗粒物,需要将酸混合物做适当的调整,除了HNO3:H2O2体积比进行8:2混合外,还要再加入10 ml的水。这就确保了所有的过滤材料能够浸泡到液体中、把检出率降低的风险减小到最低程度。正确的检测方法是微波加热消解后按照欧洲参考标准ERMCZ-120(飘尘PM10)确定检出率(n=3)和ICP-MS电感耦合等离子体质谱分析。


表1.利用REMCZ-120检测到的浓度数据

  常规样品的消解
空气样本的消解是利用Berghof公司最新研发成功的微波消解系统SpeedwaveEntry来完成的。由于SpeedwaveEntry微波消解系统重量很轻、结构非常紧凑,而且占用空间体积很小,因此,非常适合在日常实验、研究和培训等需要高性价比仪器设备的场合中来使用。和所有Berghof公司消解系统一样,这种微波消解设备的使用操作非常简单。除了性能可靠的TFM-PTFE材料消解罐之外,快速启动也提供了非常好的操作使用舒适性。在多种选择的预装应用软件帮助下,只需按两次按钮就能完成消解程序的选择和确认了。为了保证检测的可靠性,这一系统采用了申请专利保护的SpeedwaveDIRC温度计,从而彻底省略了对照参考的消解罐。利用单独的吸取器使得冷却速率提高了20%,从而直接提高了实验效率。


图3.简简单单的处理被测样本

  过滤样本的夹持系统
为了能够同时处理多个样本就需要有一套夹持、支架系统:根据消解罐的类型至少能够放置五个装有折叠的或者切碎的空气滤纸的消解罐。支架、夹持工具使用的材料是TFM-PTFE;因此是耐化学品腐蚀影响的。由于这种材料的孔隙度很小,因此大大的减少了交叉污染的风险、减少了记忆效应。也保证了过滤样本均匀的、完全的浸入到样本溶液中。完成消解之后,可以把夹持器从消解罐中取出,清理干净,这样一来,也就方便了把样本溶液转移到容量瓶中,操作也变得方便了。没有完全被消解的滤纸可以从消解罐中取出、冲洗干净。这样,样本的损失和交叉污染的风险就降到了最低。


图4.检测到的镉浓度(直线:标准值;点化线:DINEN14902标准规定的上下限。)

  参考分析结果
通过现有标准的相互匹配、适应,使得多个空气样本同时消解成为可能。这是利用欧洲检测物质的参考标准ERMCZ-120来实现的。被分析样本与参考标准有着很好的一致性,因此可以有着足够的检测精度。检测元素的检出率在90%~113%之间。按照DINEN14902标准的规定,镍和砷检测检出率应在85%~115%之间、铅在90%~100%之间、镉在90%~110%之间。总之,上述检测方法满足了标准的规定和要求。也就是说:在加入水之后酸混合液仍然有着足够好的消解效果,能够正确检测出有害颗粒元素。
 可吸入颗粒物的检测分析
在PM10中铅,镉,砷,镍的消解分析时需要的是非常稳健的、有着足够检测分析精度的、能够提高重复再现检测结果的检测分析技术方法。利用欧洲标准的材料检测物质REMCZ-120的消解分析技术告诉我们:除了铅、镉和镍之外,易挥发的重金属物质砷也可以利用微波消解技术方法可靠的检测出来。除此以外,它还对DIN14902标准规定的分析过程进行了优化,能够同时对多个样本进行检测。