基于由虚拟撞击器浓缩的颗粒的光吸收来量化空气中的矿物粉尘的方法和执行该方法的设备

摘要

本发明属于用于测量颗粒浓度的设备和方法的领域，更确切地，属于基于颗粒的物理特性，特别是利用光学手段对颗粒进行量化的设备和方法的领域。本发明涉及一种基于由虚拟撞击器浓缩的颗粒的光吸收来确定环境中的矿物粉尘浓度的方法以及执行该方法的设备。该方法包括以下步骤：‑对颗粒大小小于1μm(PM1)的空气样本进行采样，并对颗粒大小达到10μm的空气样本进行采样；‑使用虚拟撞击器(VI)将颗粒大小达到10μm的样本进行浓缩；‑测量收集到的样本在从紫外到红外范围的至少一个波长的光吸收，优选为370nm至950nm，最优选为370nm；‑从由虚拟撞击器浓缩的样本的光吸收中减去颗粒大小小于1μm的样本的光吸收。

说明书

技术领域

本发明属于用于测量颗粒浓度的设备和方法的领域，更确切地涉及用于基于颗粒的物理特性，特别是使用光学手段来量化颗粒的设备和方法的领域。本发明涉及一种基于由虚拟撞击器浓缩的颗粒的光吸收来确定空气中的矿物粉尘浓度的方法以及执行该方法的设备。

背景技术

矿物粉尘是一种覆盖空气中颗粒的表述，该颗粒是由构成土壤的矿物的悬浮而产生的。它主要由各种氧化物和碳酸盐组成，而其准确的元素组成取决于粉尘的来源。撒哈拉沙漠被认为是矿物粉尘的主要来源，这些粉尘跨过地中海扩散到欧洲，也跨过加勒比海扩散到南美北部、中美洲和北美东部。空气中的矿物粉尘的另一个来源是影响东亚和北美西部的戈壁沙漠。

空气中发现的粉尘颗粒会影响多个不同方面，最重要的是会影响气候、各种生态系统的生物地球化学和人类健康。如Middleton等人报告的(2008，doi：10.1168/1476-069X-7-39)和Perez等人报告的(2012，doi：10.1016/j.envint2012.07.001)，撒哈拉粉尘事件显示为主要通过呼吸道和心血管疾病增加发病率。此外，一些研究表明，从沙漠扩散的矿物粉尘在向其他生态系统(诸如亚马逊雨林)输送养分方面起着重要作用(Koren等人的，2006，doi：10.1088/1748-9326/1/1/014005)。铁是包括海洋环境中的生物有机体的所有生物有机体的基本元素。众所周知，海洋是铁稀缺的环境，但是矿物粉尘气溶胶(主要是沙漠粉尘和火山喷发产生的粉尘)是铁的来源，因此可以在粉尘沉积普遍的地方增加生物上可用的铁的量。

更为重要的是，矿物粉尘的光学性质与大气的光学性质显著不同。粉尘颗粒可以吸收和散射太阳辐射，从而影响地球的辐射平衡，从而导致区域气候和降水变化。矿物粉尘可以充当云形核，从而与云相互作用。因此，云的大小分布、停留时间和光学性质会受到影响，可能会导致意外的气候变化。此外，沉积在雪和海洋冰川上的矿物粉尘可以减少雪的反照率，从而改变雪融化时间。

由于矿物粉尘的显著影响，人们每天都会对空气中的矿物粉尘进行跟踪，但是目前已知的方法不能令人满意地进行量化。需要一种可靠、实时的方法来确定大气中的粉尘浓度，这也有助于增进对矿物粉尘的性质、传输和清除的了解。

根据欧盟空气质量指令(2008/50/EC)，矿物粉尘是天然气溶胶，可用于修正如Viana等人的(2010；https://doi.org/10.1021/es1022625)中讨论的超过PM

综上所述，本发明解决的技术问题是设计一种实时量化空气中的矿物粉尘的方法。

现有技术

确定空气中的矿物粉尘的一种广泛使用的方法是24小时过滤法，其中在合适的过滤器上收集24小时的空气样本，然后使用过滤器来对其进行化学成分分析，尤其是钙。沙漠粉尘包括氧化物，诸如SiO

可以基于使用已知设备对散射和吸收的测量来确定几个不同的气溶胶参数，诸如单散射反照率(SSA)、吸收埃指数(AAE)和单散射反照率埃指数(SSAAE)，但是，这些参数仅是定性而不是量化。单散射反照率是散射效率与总消光效率(散射与吸收之和)之比。它是无单位的，单位为1的值表示所有粒子消光都是由于散射。相反，单散射反照率为零意味着所有的消光都是由于吸收。AAE是描述气溶胶的光学厚度通常取决于光的波长的参数。通过结合吸收和散射测量，可以将矿物粉尘事件识别为单散射反照率埃指数(SSAAE)变为负值的周期，负值表示存在矿物粉尘(Collaud Cohen等人，2004)。正值表示由燃烧产物主导的气溶胶光学性质的SSAAE。

(由Viana等人，2010)基于化学成分和正矩阵因子分解源解析描述了其他主要统计方法。Viana等人比较了称为SPR和TAU的两种方法。利用SPR方法在给定位置通过多种工具组合检测非洲沙尘暴事件，这些工具包括：

后向轨迹分析(NOAA-Hysplit http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT-.php)，

卫星图像(NASA-SeaWIFS http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/SeaWiFS/)，以及

气溶胶粉尘图(SKIRON http://forecast.uoa.gr/，BSC-DREAM http://www.bsc.es/projects/earthscience/DREAM/，NRL-NAAPS http://www.nrlmry.navy.mil/aerosol/)。

根据这种方法，在确定发作日之后，将非洲粉尘(AD)与由粉尘再悬浮过程产生的区域/局部粉尘、城市粉尘等区分开，并对非洲粉尘进行量化。在没有AD的情况下，连续几天的每日区域背景PM

另一方面，TAU方法旨在仅使用来自自动站的每小时PM

上述方法中描述的方法与本发明不同，因为它们是基于几个不同参数的计算，而本发明使用对两部分空气的测量以获得一组数据，即特定时间点的粉尘浓度。

发明内容

本发明的目的是开发一种用于确定环境气溶胶中的矿物粉尘的量化方法。根据本发明的方法是基于颗粒吸收的测量进行的，因为吸收比散射给出更具体的结果。然而，如果纯矿物粉尘与黑碳混合或当纯矿物粉尘与黑碳混合时，则很难确定纯矿物粉尘的光学吸收，因为黑碳具有更高的质量吸收横截面的特征，从而掩盖了粉尘对吸收的较小贡献。因此，该方法采用虚拟撞击器来丰富气溶胶的粗粒级，从而增加了弱吸收粉尘的贡献，这从未被使用或提出用于相对于黑碳增加粉尘的气溶胶吸收。

具体实施方式

虚拟撞击器是一种用于将颗粒按大小分成两个气流的设备。撞击表面是静止或缓慢移动的空气的虚拟空间。大颗粒被收集探针捕获。通常，气溶胶穿过加速喷嘴，并指向收集探针或连接的仪器。在这一点上，大部分流体从收集探针转移了90°，在此处进行了颗粒大小分离。具有较小惯性的小颗粒沿着流线运动，并随主流径向流走。具有较大惯性的大颗粒偏离流线，并以较小的流继续沿着收集探针的前向路径轴向移动。虚拟撞击器会浓缩粗颗粒，浓缩效率(CE)随颗粒大小朝向由流率F

量化环境矿物粉尘浓度的方法的实质在于包括以下步骤：

对颗粒大小小于1μm(PM

使用虚拟撞击器(VI)将颗粒大小达到10μm的样本进行浓缩；

测量收集到的样本在从紫外到红外范围的至少一个波长的光吸收，优选为370nm至950nm，最优选为370nm；

从由虚拟撞击器浓缩的样本的吸收中减去颗粒大小小于1μm的样本在至少一个选定波长的光吸收，优选在370nm的光吸收，并将所获得的光吸收除以校准常数，其优选为矿物粉尘颗粒的化学分析在吸收(y轴)和质量浓度(x轴)之间线性回归的回归斜率。

可以通过比较吸收测量和使用替代方法(对过滤器样本进行化学分析或其他方法)所确定的矿物粉尘浓度得出校准常数。这可以使用吸收和矿物粉尘浓度之间的回归斜率或通过计算这些量之间的平均比率来确定。校准常数也可以通过其他方式获得，例如，通过确定大小在1μm至10μm之间的颗粒的平均浓度效率和质量吸收截面(MAC)。然而，将校准常数分为几个参数会导致方法复杂化。因此，回归斜率是优先选择。该回归斜率可以基于对沙漠粉尘中钙浓度的测量经验地确定(使用质量封闭(mass closure)、PCA或PMF或任何其他合适的方法确定)。

因此，在任何时间点的矿物粉尘浓度的一种可能的计算方式是：

其中PP表示矿物粉尘的浓度，b

通过气溶胶分析领域中已知的任何合适的设备采样和测量大小不同的部分的颗粒吸收，优选使用并行运行地检测黑碳的至少两个

由于PM

对于连接到虚拟撞击器的黑碳仪，该算法受到粗颗粒的阻碍。主要问题在于以下事实：单个颗粒(沉积在两个斑点中的一个斑点上)仅在两个测量斑点中的一个测量斑点中潜在地引起显著吸收。这就要求使用补偿参数的固定值进行离线补偿，其中负载效应最好使用BC vs.ATN方法来表征(Park等人，2010；Drinovec等人，2015)，相关等式为：

cBC＝BC/(1-k*ATN)，

其中，cBC表示已补偿过滤器负载效应的黑碳浓度，BC表示未补偿的黑碳浓度，k表示补偿参数，ATN表示颗粒负载过滤器的光学衰减。补偿类型取决于所用光度计的类型。上面的等式最适用于黑碳仪AE33。其他过滤光度计需要不同类型的补偿。

矿物粉尘浓度数据可以在任何时间、任何时间点或时间点序列上进行计算，优选以1分钟或1小时的时间分辨率进行计算，以跟踪空气中粉尘浓度的快速变化，而不仅仅是24小时过滤法的每日变化。

可以通过用于采样和测量吸光度的设备执行所描述的方法，但是，基于测得的吸光度执行计算的优选方法是：通过安装在服务器或云中的计算机程序，连接到运行特殊软件的测量设备的计算机，或任何其他合适的设备。用于执行该方法的设备可以是适于执行所描述的步骤的任何设备，该设备优选地包括用于采样空气中的颗粒并测量在从UV到IR范围内的任何波长的光吸收的至少两个设备，优选地从370nm到950nm，最优选在370nm，以及用于计算任何时间点或时间点序列中矿物粉尘浓度的计算机，优选以一分钟的时间分辨率。该计算机软件执行以下计算：

AE33数据的过滤器负载补偿；

通过从VI增强吸收中减去PM1吸收来计算粗颗粒吸收；以及

通过将粗颗粒吸收除以校准常数来计算矿物粉尘浓度。

实施例1

该方法优选地由并行运行且具有不同入口(BGI Inc.SCC 1.197PM

C(dust)＝b_abs(VI-PM1)/RS，

其中，回归斜率RS是来自沙漠粉尘中钙浓度的吸收(y轴)和质量浓度(x轴)之间线性回归的回归斜率，并且如上所述补偿了过滤器负载效应。

根据本发明的方法和设备，使得能够实时追踪矿物粉尘的产生以及可靠地量化空气中的矿物粉尘，以允许修正PM值被超过的天数，同时通过单参数计算确保测量和结果解释的简单性。