| 论文标题 | Assessment of water and ion content in particulate matter: Comparison of two methods for determining particulate mass on a filter |
| 发布机构 | Elsevier Inc. |
| 发布期刊 | Desalination and Water Treatment |
| 发布时间 | 2025 年 1 月 24 日在线发表;Desalination and Water Treatment 321,2025 年,文章编号 101018 |
| 作者/机构 | Kamila Widziewicz-Rzońca、Dmytro Chyzhykov、Ewelina Cieślik,波兰科学院环境工程研究所;Dmytro Chyzhykov,西里西亚理工大学;Grzegorz Majewski,华沙生命科学大学 |
| 轻松连产品 | 轻松连 WS1 Pro 智能传感器,搭配 TH30S-B 外接温湿度探头 |
| 数据收集 | PM 滤膜调湿和称量所在称量室的温度与相对湿度 |
| 采样频率 | 每 5 分钟一次 |
| 研究周期 | PM1 和 PM2.5 样品于 2023 年 6 月在波兰 Zabrze 采集;滤膜暴露前后均在受控称量室中调湿 48 小时 |
| 应用场景 | PM 滤膜调湿、颗粒物重量法测定、滤膜切割分样质量控制、Karl Fischer 水含量分析、离子色谱分析、空气质量研究不确定性评估 |
| 原文链接 | https://doi.org/10.1016/j.dwt.2025.101018 |
颗粒物 PM 通常通过滤膜采样和重量法称量来确定质量浓度。常规监测中,滤膜暴露前后分别称量,再根据采样空气体积计算 PM10、PM2.5 或 PM1 浓度。但在科研分析中,一张滤膜往往需要同时用于多种化学分析,例如碳组分、离子、金属、多环芳烃和水含量分析,因此必须将滤膜切割为多个小片。
滤膜切割会引入测量不确定性。切割过程中,颗粒物可能从滤膜表面脱落;滤膜上 PM 分布可能并不均匀;人工切割角度、刀具状态和操作方式也会影响每个分样片的代表性。对于 PM 结合水和水溶性离子分析而言,这类不确定性尤其重要,因为水分和离子含量本身会影响颗粒物质量判断。
这项研究比较了两种 PM 质量和组分估算方法。第一种是计算法:根据滤膜部分区域测得的水和离子含量,再关联到整张滤膜的 PM 总质量。第二种是直接称量法:将滤膜切成 10 个相等扇区后逐片称量,用于评估每个扇区的 PM 质量、结合水和离子分布。
轻松连 WS1 Pro 被用于记录滤膜称量室的温度和相对湿度。这些环境数据帮助研究团队确认滤膜调湿和称量过程处于受控条件下,使后续质量差异更能归因于滤膜切割和分样过程,而不是实验室温湿度波动。
在这项研究中,轻松连 WS1 Pro 被用作称量室环境监测设备。论文并不是说 轻松连 测量了颗粒物质量、水含量或离子成分,而是说明研究团队使用 轻松连 记录滤膜调湿和称量期间的温度与相对湿度。
研究使用了 6 张直径 150 mm 的 Whatman 石英微纤维滤膜。这些滤膜于 2023 年 6 月在波兰 Zabrze 城市背景监测点采集 PM1 和 PM2.5 样品。每个样品采样持续 3 天,并使用高流量采样器完成采集。
滤膜在暴露前后均需放入称量室调湿 48 小时。目标条件参照 EN 12341 重量法测量要求:相对湿度 40 ± 5%,温度 20 ± 2 °C。该条件非常关键,因为滤膜材料和颗粒物样品都可能因湿度和温度变化吸收或失去水分,从而影响称量结果。
称量室湿度由 HB CCS0401S 加湿 / 除湿设备维持。在这一过程中,研究团队使用轻松连 WS1 Pro 测量设备,并搭配 TH30S-B 外接温湿度探头,每 5 分钟记录一次称量室温度和相对湿度。论文报告该探头精度为:温度 ±0.3 °C,湿度 ±2%。
轻松连数据在研究中的作用是提供环境质量控制记录。它帮助确认滤膜调湿、切割、称量和 Karl Fischer 分析前处理过程都在稳定温湿度条件下进行。
轻松连数据并不是最终的分析结果,而是支撑分析可靠性的环境背景数据。主要测量仪器包括 Radwag MYA 5.5 Y.F1 微量天平、Karl Fischer 库仑滴定系统和离子色谱仪。但这些测量都依赖于稳定的滤膜含水状态。轻松连每 5 分钟记录一次温湿度,使研究团队能够追溯称量室环境是否符合实验要求。
因此,轻松连在这项研究中的具体作用是 PM 滤膜预处理和称量过程中的环境记录。它提供温度和相对湿度背景,帮助判断质量差异是否主要来自滤膜切割和分样,而非称量室环境失控。
研究使用 6 张暴露后的 Whatman 石英纤维滤膜,直径均为 150 mm。其中 3 张用于 PM1,3 张用于 PM2.5。滤膜于 2023 年 6 月在波兰 Zabrze 城市背景点采集,每个样品对应 3 天采样。
滤膜暴露前后均在称量室中调湿 48 小时,环境控制目标为 40 ± 5% 相对湿度和 20 ± 2 °C。轻松连 WS1 Pro 搭配 TH30S-B 探头,每 5 分钟记录称量室温度和相对湿度。滤膜使用 Radwag 微量天平称量两次,两次间隔 24 小时,天平读数精度为 1 µg。称量过程中使用抗静电离子风机减少静电影响。
整张滤膜称量完成后,研究团队使用 Teflon 刀和专门设计的 3D 打印切割板,将每张滤膜分成 10 个相等扇区。论文图 1 展示了该 3D 打印切割板和 Teflon 刀。每个扇区被称量两次,取平均质量,用于评估切割导致的物质损失。
研究比较了两种 PM 质量计算方式。
第一种是计算法。该方法将滤膜小片中测得的水含量和离子含量,与整张滤膜采集的 PM 总质量关联。该方法减少直接切割和反复处理,可能降低颗粒物损失风险。
第二种是直接称量法。该方法在滤膜被切成十分之一扇区后逐片称量,能够观察滤膜表面颗粒物分布和切割导致的质量损失。
水含量分析采用 Karl Fischer 库仑滴定。滤膜扇区被密封在玻璃小瓶中,并通过 Metrohm Karl Fischer 库仑仪和烘箱进样器分析。烘箱温度设为 250 °C,用于从石英滤膜样品中释放水分。
离子分析采用离子色谱。选定扇区经去离子水萃取后,测定 Na+、NH4+、NO2+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl−、NO3−、SO42−、PO43− 和 F− 等离子。统计分析包括 Shapiro–Wilk 正态性检验和用于比较扇区质量分布的 t 检验。
研究发现,将滤膜切成 10个相等扇区会造成可测量的物质损失。6 张测试滤膜的平均切割损失约为 2.42 ± 0.72 mg / 张。
不同滤膜的切割不确定性不同。例如,2023 年 6 月 20 日至 23 日采集的一张 PM1 滤膜,在称量法和计算法之间的质量差异达到 3.09 mg。其他滤膜差异较小,但仍然不可忽略。这说明人工切割会给 PM 质量估算带来明显不确定性。
研究还发现,滤膜分样会影响 PM 结合水估算。根据 Karl Fischer 滴定结果,滤膜切割导致 PM1 结合水估算损失约 11%,PM2.5 结合水估算损失约 19%。论文图 2 比较了计算法和直接称量法下的水含量分布,可以看到直接称量法对应的水含量普遍更低。
离子浓度估算同样受到 PM 质量计算方法影响。主要离子 NH4+ 和 SO42− 的差异较明显。对于 PM1,计算法得到的平均 NH4+ 浓度为 577.08 ng/m³,而直接称量法为 510.08 ng/m³。对于 PM2.5,计算法得到的 NH4+ 为 675.72 ng/m³,而直接称量法为 553.30 ng/m³。
SO42− 也表现出类似差异。对于 PM2.5,计算法估算 SO42− 为 1334.92 ng/m³,而直接称量法为 1095.94 ng/m³。
研究认为,PM2.5 中较大的颗粒可能比 PM1 小颗粒更容易在切割过程中损失。这与颗粒空气动力学特征和颗粒与滤膜纤维之间的附着力有关。较大颗粒惯性更大,附着相对较弱,更容易在机械操作中脱落。
总体而言,论文强调需要标准化、严格控制的滤膜分样流程。否则,滤膜切割可能影响 PM 质量、PM 结合水和离子组成分析结果。
这项研究说明,滤膜切割并不是一个中性的样品前处理步骤。它可能改变颗粒物质量估算,也可能影响水含量和离子浓度解释。
对于空气质量研究而言,这一点非常重要。研究中常常需要从同一张滤膜上获得多项化学指标。如果滤膜表面颗粒物分布不均,或者切割过程中发生物质损失,那么某一小片滤膜的结果可能无法代表整张滤膜。
对于 PM 结合水分析,稳定温湿度条件尤其关键。样品中的水分可能在调湿、称量、切割和转移过程中发生变化。因此,受控称量室条件和 轻松连 每 5 分钟温湿度记录,是整个实验流程中重要的质量控制环节。
对于离子分析,研究显示浓度结果会受到 PM 质量计算方式影响。使用整张滤膜总质量和使用切割扇区质量,可能得到不同浓度值。这会进一步影响 PM 化学组成解释、来源解析、健康暴露评估和环境政策研究。
对于实验室操作,研究支持更严格的切割质量控制。论文提出,改进切割工具、制定标准流程、清洁切割板和天平盘,并开发类似冲压式分样设备,都可能降低物质损失和测量不确定性。
在这项 PM 滤膜研究中,轻松连 WS1 Pro 的应用价值主要体现在实验室环境监测和质量控制。
首先,轻松连在滤膜调湿和称量室操作期间提供连续温度和相对湿度记录。由于滤膜暴露前后都需要调湿 48 小时,这些记录有助于形成完整的环境追溯链。
第二,轻松连支持重量法测量条件确认。本研究要求滤膜调湿环境保持在 40 ± 5% RH 和 20 ± 2 °C,轻松连 每 5 分钟记录一次数据,有助于确认测量环境是否符合要求。
第三,WS1 Pro 数据帮助解释 PM 质量和水含量不确定性。由于水分会影响滤膜质量,连续记录湿度和温度可以降低误将环境波动当作切割损失或样品差异的风险。
第四,TH30S-B 外接探头具有明确精度参数,温度精度 ±0.3 °C、湿度精度 ±2%,适合用于实验室称量环境记录。
第五,轻松连设备与主要分析仪器形成互补。它不替代微量天平、Karl Fischer 滴定仪或离子色谱仪,而是提供支持这些测量可靠性的环境数据层。
总体来看,轻松连 在这篇论文中的价值,是为 PM 滤膜调湿和质量测量提供环境条件记录,帮助研究团队将受控实验室温湿度与滤膜切割、颗粒物质量损失、水含量和离子组成不确定性分析连接起来。
基于该研究中的应用方式,轻松连 WS1 Pro 可延伸到以下场景:
研究使用了轻松连 WS1 Pro 测量设备,并搭配 TH30S-B 外接温湿度探头。
轻松连记录了 PM 滤膜调湿和称量室内的温度与相对湿度。
设备部署在称量室中,该称量室用于石英纤维滤膜的调湿、称量和后续分析前处理。
温度和相对湿度每 5 分钟记录一次。
滤膜在暴露前后均调湿 48 小时,环境条件为 40 ± 5% 相对湿度和 20 ± 2 °C。
WS1 Pro 采集的数据用于记录滤膜调湿和称量期间的温湿度条件,为重量法测定、滤膜切割、Karl Fischer 水含量分析和离子色谱分析提供环境质量控制依据。
不是。PM 质量由 Radwag 微量天平测量。轻松连 负责监测称量室环境。
不是。PM 结合水通过 Karl Fischer 库仑滴定测定,离子成分通过离子色谱测定。轻松连 提供温湿度环境记录。
将 150 mm 石英滤膜切成 10 个扇区会导致平均约 2.42 mg / 张的物质损失,并影响 PM 质量、水含量和离子浓度估算。
它说明滤膜分样会显著影响 PM 化学分析可靠性。受控温湿度监测和标准化切割流程,有助于提高空气质量研究数据的准确性和可比性。
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学术研究与实践验证
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| 论文标题 | Assessment of water and ion content in particulate matter: Comparison of two methods for determining particulate mass on a filter |
| 发布机构 | Elsevier Inc. |
| 发布期刊 | Desalination and Water Treatment |
| 发布时间 | 2025 年 1 月 24 日在线发表;Desalination and Water Treatment 321,2025 年,文章编号 101018 |
| 作者/机构 | Kamila Widziewicz-Rzońca、Dmytro Chyzhykov、Ewelina Cieślik,波兰科学院环境工程研究所;Dmytro Chyzhykov,西里西亚理工大学;Grzegorz Majewski,华沙生命科学大学 |
| 轻松连产品 | 轻松连 WS1 Pro 智能传感器,搭配 TH30S-B 外接温湿度探头 |
| 数据收集 | PM 滤膜调湿和称量所在称量室的温度与相对湿度 |
| 采样频率 | 每 5 分钟一次 |
| 研究周期 | PM1 和 PM2.5 样品于 2023 年 6 月在波兰 Zabrze 采集;滤膜暴露前后均在受控称量室中调湿 48 小时 |
| 应用场景 | PM 滤膜调湿、颗粒物重量法测定、滤膜切割分样质量控制、Karl Fischer 水含量分析、离子色谱分析、空气质量研究不确定性评估 |
| 原文链接 | https://doi.org/10.1016/j.dwt.2025.101018 |
颗粒物 PM 通常通过滤膜采样和重量法称量来确定质量浓度。常规监测中,滤膜暴露前后分别称量,再根据采样空气体积计算 PM10、PM2.5 或 PM1 浓度。但在科研分析中,一张滤膜往往需要同时用于多种化学分析,例如碳组分、离子、金属、多环芳烃和水含量分析,因此必须将滤膜切割为多个小片。
滤膜切割会引入测量不确定性。切割过程中,颗粒物可能从滤膜表面脱落;滤膜上 PM 分布可能并不均匀;人工切割角度、刀具状态和操作方式也会影响每个分样片的代表性。对于 PM 结合水和水溶性离子分析而言,这类不确定性尤其重要,因为水分和离子含量本身会影响颗粒物质量判断。
这项研究比较了两种 PM 质量和组分估算方法。第一种是计算法:根据滤膜部分区域测得的水和离子含量,再关联到整张滤膜的 PM 总质量。第二种是直接称量法:将滤膜切成 10 个相等扇区后逐片称量,用于评估每个扇区的 PM 质量、结合水和离子分布。
轻松连 WS1 Pro 被用于记录滤膜称量室的温度和相对湿度。这些环境数据帮助研究团队确认滤膜调湿和称量过程处于受控条件下,使后续质量差异更能归因于滤膜切割和分样过程,而不是实验室温湿度波动。
在这项研究中,轻松连 WS1 Pro 被用作称量室环境监测设备。论文并不是说 轻松连 测量了颗粒物质量、水含量或离子成分,而是说明研究团队使用 轻松连 记录滤膜调湿和称量期间的温度与相对湿度。
研究使用了 6 张直径 150 mm 的 Whatman 石英微纤维滤膜。这些滤膜于 2023 年 6 月在波兰 Zabrze 城市背景监测点采集 PM1 和 PM2.5 样品。每个样品采样持续 3 天,并使用高流量采样器完成采集。
滤膜在暴露前后均需放入称量室调湿 48 小时。目标条件参照 EN 12341 重量法测量要求:相对湿度 40 ± 5%,温度 20 ± 2 °C。该条件非常关键,因为滤膜材料和颗粒物样品都可能因湿度和温度变化吸收或失去水分,从而影响称量结果。
称量室湿度由 HB CCS0401S 加湿 / 除湿设备维持。在这一过程中,研究团队使用轻松连 WS1 Pro 测量设备,并搭配 TH30S-B 外接温湿度探头,每 5 分钟记录一次称量室温度和相对湿度。论文报告该探头精度为:温度 ±0.3 °C,湿度 ±2%。
轻松连数据在研究中的作用是提供环境质量控制记录。它帮助确认滤膜调湿、切割、称量和 Karl Fischer 分析前处理过程都在稳定温湿度条件下进行。
轻松连数据并不是最终的分析结果,而是支撑分析可靠性的环境背景数据。主要测量仪器包括 Radwag MYA 5.5 Y.F1 微量天平、Karl Fischer 库仑滴定系统和离子色谱仪。但这些测量都依赖于稳定的滤膜含水状态。轻松连每 5 分钟记录一次温湿度,使研究团队能够追溯称量室环境是否符合实验要求。
因此,轻松连在这项研究中的具体作用是 PM 滤膜预处理和称量过程中的环境记录。它提供温度和相对湿度背景,帮助判断质量差异是否主要来自滤膜切割和分样,而非称量室环境失控。
研究使用 6 张暴露后的 Whatman 石英纤维滤膜,直径均为 150 mm。其中 3 张用于 PM1,3 张用于 PM2.5。滤膜于 2023 年 6 月在波兰 Zabrze 城市背景点采集,每个样品对应 3 天采样。
滤膜暴露前后均在称量室中调湿 48 小时,环境控制目标为 40 ± 5% 相对湿度和 20 ± 2 °C。轻松连 WS1 Pro 搭配 TH30S-B 探头,每 5 分钟记录称量室温度和相对湿度。滤膜使用 Radwag 微量天平称量两次,两次间隔 24 小时,天平读数精度为 1 µg。称量过程中使用抗静电离子风机减少静电影响。
整张滤膜称量完成后,研究团队使用 Teflon 刀和专门设计的 3D 打印切割板,将每张滤膜分成 10 个相等扇区。论文图 1 展示了该 3D 打印切割板和 Teflon 刀。每个扇区被称量两次,取平均质量,用于评估切割导致的物质损失。
研究比较了两种 PM 质量计算方式。
第一种是计算法。该方法将滤膜小片中测得的水含量和离子含量,与整张滤膜采集的 PM 总质量关联。该方法减少直接切割和反复处理,可能降低颗粒物损失风险。
第二种是直接称量法。该方法在滤膜被切成十分之一扇区后逐片称量,能够观察滤膜表面颗粒物分布和切割导致的质量损失。
水含量分析采用 Karl Fischer 库仑滴定。滤膜扇区被密封在玻璃小瓶中,并通过 Metrohm Karl Fischer 库仑仪和烘箱进样器分析。烘箱温度设为 250 °C,用于从石英滤膜样品中释放水分。
离子分析采用离子色谱。选定扇区经去离子水萃取后,测定 Na+、NH4+、NO2+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl−、NO3−、SO42−、PO43− 和 F− 等离子。统计分析包括 Shapiro–Wilk 正态性检验和用于比较扇区质量分布的 t 检验。
研究发现,将滤膜切成 10个相等扇区会造成可测量的物质损失。6 张测试滤膜的平均切割损失约为 2.42 ± 0.72 mg / 张。
不同滤膜的切割不确定性不同。例如,2023 年 6 月 20 日至 23 日采集的一张 PM1 滤膜,在称量法和计算法之间的质量差异达到 3.09 mg。其他滤膜差异较小,但仍然不可忽略。这说明人工切割会给 PM 质量估算带来明显不确定性。
研究还发现,滤膜分样会影响 PM 结合水估算。根据 Karl Fischer 滴定结果,滤膜切割导致 PM1 结合水估算损失约 11%,PM2.5 结合水估算损失约 19%。论文图 2 比较了计算法和直接称量法下的水含量分布,可以看到直接称量法对应的水含量普遍更低。
离子浓度估算同样受到 PM 质量计算方法影响。主要离子 NH4+ 和 SO42− 的差异较明显。对于 PM1,计算法得到的平均 NH4+ 浓度为 577.08 ng/m³,而直接称量法为 510.08 ng/m³。对于 PM2.5,计算法得到的 NH4+ 为 675.72 ng/m³,而直接称量法为 553.30 ng/m³。
SO42− 也表现出类似差异。对于 PM2.5,计算法估算 SO42− 为 1334.92 ng/m³,而直接称量法为 1095.94 ng/m³。
研究认为,PM2.5 中较大的颗粒可能比 PM1 小颗粒更容易在切割过程中损失。这与颗粒空气动力学特征和颗粒与滤膜纤维之间的附着力有关。较大颗粒惯性更大,附着相对较弱,更容易在机械操作中脱落。
总体而言,论文强调需要标准化、严格控制的滤膜分样流程。否则,滤膜切割可能影响 PM 质量、PM 结合水和离子组成分析结果。
这项研究说明,滤膜切割并不是一个中性的样品前处理步骤。它可能改变颗粒物质量估算,也可能影响水含量和离子浓度解释。
对于空气质量研究而言,这一点非常重要。研究中常常需要从同一张滤膜上获得多项化学指标。如果滤膜表面颗粒物分布不均,或者切割过程中发生物质损失,那么某一小片滤膜的结果可能无法代表整张滤膜。
对于 PM 结合水分析,稳定温湿度条件尤其关键。样品中的水分可能在调湿、称量、切割和转移过程中发生变化。因此,受控称量室条件和 轻松连 每 5 分钟温湿度记录,是整个实验流程中重要的质量控制环节。
对于离子分析,研究显示浓度结果会受到 PM 质量计算方式影响。使用整张滤膜总质量和使用切割扇区质量,可能得到不同浓度值。这会进一步影响 PM 化学组成解释、来源解析、健康暴露评估和环境政策研究。
对于实验室操作,研究支持更严格的切割质量控制。论文提出,改进切割工具、制定标准流程、清洁切割板和天平盘,并开发类似冲压式分样设备,都可能降低物质损失和测量不确定性。
在这项 PM 滤膜研究中,轻松连 WS1 Pro 的应用价值主要体现在实验室环境监测和质量控制。
首先,轻松连在滤膜调湿和称量室操作期间提供连续温度和相对湿度记录。由于滤膜暴露前后都需要调湿 48 小时,这些记录有助于形成完整的环境追溯链。
第二,轻松连支持重量法测量条件确认。本研究要求滤膜调湿环境保持在 40 ± 5% RH 和 20 ± 2 °C,轻松连 每 5 分钟记录一次数据,有助于确认测量环境是否符合要求。
第三,WS1 Pro 数据帮助解释 PM 质量和水含量不确定性。由于水分会影响滤膜质量,连续记录湿度和温度可以降低误将环境波动当作切割损失或样品差异的风险。
第四,TH30S-B 外接探头具有明确精度参数,温度精度 ±0.3 °C、湿度精度 ±2%,适合用于实验室称量环境记录。
第五,轻松连设备与主要分析仪器形成互补。它不替代微量天平、Karl Fischer 滴定仪或离子色谱仪,而是提供支持这些测量可靠性的环境数据层。
总体来看,轻松连 在这篇论文中的价值,是为 PM 滤膜调湿和质量测量提供环境条件记录,帮助研究团队将受控实验室温湿度与滤膜切割、颗粒物质量损失、水含量和离子组成不确定性分析连接起来。
基于该研究中的应用方式,轻松连 WS1 Pro 可延伸到以下场景:
研究使用了轻松连 WS1 Pro 测量设备,并搭配 TH30S-B 外接温湿度探头。
轻松连记录了 PM 滤膜调湿和称量室内的温度与相对湿度。
设备部署在称量室中,该称量室用于石英纤维滤膜的调湿、称量和后续分析前处理。
温度和相对湿度每 5 分钟记录一次。
滤膜在暴露前后均调湿 48 小时,环境条件为 40 ± 5% 相对湿度和 20 ± 2 °C。
WS1 Pro 采集的数据用于记录滤膜调湿和称量期间的温湿度条件,为重量法测定、滤膜切割、Karl Fischer 水含量分析和离子色谱分析提供环境质量控制依据。
不是。PM 质量由 Radwag 微量天平测量。轻松连 负责监测称量室环境。
不是。PM 结合水通过 Karl Fischer 库仑滴定测定,离子成分通过离子色谱测定。轻松连 提供温湿度环境记录。
将 150 mm 石英滤膜切成 10 个扇区会导致平均约 2.42 mg / 张的物质损失,并影响 PM 质量、水含量和离子浓度估算。
它说明滤膜分样会显著影响 PM 化学分析可靠性。受控温湿度监测和标准化切割流程,有助于提高空气质量研究数据的准确性和可比性。
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