核技术向雾霾宣战

2014-05-13
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曾经为我国“两弹一艇”立下过汗马功劳的中国原子能科学研究院近年来在民用领域不甘寂寞,他们急国家之所急、想国家之所想,利用多年的技术储备——多项先进的核分析技术结合精细化的源解析,在国家环保部、科技部和北京市科委等支持下,联合中国环境科学研究院、中科院应用物理研究所、中科院高能物理研究所、上海应用物理研究所等单位,为分析雾霾成因治理提供精准武器。

缘起:国家需求,一拍即合

近年来,大气污染问题已经上升到国家安全的高度,党和国家领导人多次就雾霾治理问题表态。在2014年“两会”期间,国务院总理李克强在回答中外记者提问时明确表示:“雾霾治理不能等风盼雨,要主动出击。”在对雾霾进行治理时,近年来更注重对大气污染的监测,放松了对污染源的基础研究,使得目前的大气污染治理缺乏科学依据。国家环保部副部长吴晓青曾将这个问题归纳为“底数不清、机理不明、技术不足”。

为了科学治理PM2.5污染,解决经济、社会、环境协调发展问题,在中组部直接关怀和支持下,2013年5月,一批来自各行业的国家级专家组成了“PM2.5特别防治小组”。崔大庆是原子能院从瑞典引进的“千人计划”特聘研究员,他的加入为小组雾霾源分析提供了重要的智力和技术支持。

在2013年12月17日参加“PM2.5特别防治小组”广州会议后,崔大庆觉得环境部门现有技术对雾霾源分析不足,而原子能院拥有的核分析技术恰好可以弥补这个不足,可以为PM2.5的源分析提供精准的武器。回到原子能院后,他就找到院领导讨论这件事情。院领导听了崔大庆的思路后,认为原子能院能为国家治理PM2.5出力,使命光荣且重大,当即召集院内相关专家,调研相关资料,梳理原子能院的技术储备。

PM2.5的真正成因,别说老百姓不清楚,即使是环境方面的专业研究人员,也并不是特别清楚。比如对雾霾中汽车尾气所占比例,有些检测结果是4%,也有些检测结果是29%,结论偏差很大。究其原因,就是技术还不够。在环境检测部门现有的仪器设备中,常规测量指标也就十几个,检测精度也不够灵敏。而原子能院核分析技术的指标比现在的常规检测项目多出3~4倍,灵敏度则能高百倍以上。以原子能院核物理所的加速器质谱加速器技术来说,在检测灵敏度方面能达到10-16的数量级,而环境检测部门现有常规检测的灵敏度只能达到10-8的数量级。这对环境检测工作来说,无疑是革命性的突破。

这项工作得到行业内资深学者的大力支持。当中国环境科学研究院副院长柴发合等专家听到核分析术的介绍时,非常振奋,甚至有相见恨晚的感觉。柴发合是环保部PM2.5治理项目的主要领军人物,他对环境检测部门现有的检测技术非常了解,知道他们急需什么技术。柴发合认为:“原子能院核分析技术团队将是治理雾霾不可或缺的一支队伍。”

实施:联军作战组合拳出击

在PM2.5治理过程中,我国给出的数值是个总量,但颗粒成分民众并不清楚,必须有很精准的仪器才能将雾霾成分检测清楚,原子能院所做的就是这件的事情。

原子能院能够通过同位素信息判定的方式判断颗粒中各个成分的来源。比如说通过颗粒中碳14的测定,可以判定雾霾中有多少成分来源于秸秆燃烧;通过测定碳13的含量,可以判断有多少成分由烧煤形成,有多少由烧石油形成。通过一些辅助的钾、左旋葡萄糖等数值的测定,能够精确判断雾霾各种成因所占比例,误差范围只有1%左右。

PM2.5治理主要是环境部门的工作,原子能院要想发挥作用就得有自己的独到之处。所幸,常年的技术积累让原子能院拥有雄厚的实力。多年来,原子能院形成了中子活化分析、全反射X光荧光光谱、二次离子质谱、加速器离子质谱等技术力量。同时,因为原子能院肩负国家核安全保障任务,有一个200平方米的超洁净实验室,能够直接从空气中采样分析,这些条件与环保部门形成互补。

倪邦发是原子能院核物理所研究员。上世纪90年代,他曾经参加过国际原子能机构的研究课题——中子活化分析用于源解析。在当时,能够通过中子活化分析进行测量的元素已经有40多种,而且精敏度很高。中国环境科学院的同行们听到这个介绍时,不由得感慨:“倪邦发90年代开始做的工作已经比现在环保部门做的还要精准。”

崔大庆介绍了他的构想:“原子能院目前拥有中子活化分析、加速器质谱、二次质谱、全反射荧光分析、激光光谱等技术,每种技术都有自己的优势和特点。我们要根据不同的需要,形成不同的组合,最终组成核分析技术组合拳。这不仅大大超过了现在使用的技术,在国际上也是一个突破。”

PM2.5是全中国、全世界共同面临的问题。为了共同抗霾,原子能院和中国环境科学院、北京环境监测中心,以及中科院高能所和应用物理所等单位组成了联军,把核队伍和现在的监测手段、监测队伍紧密结合起来——环保部门有非常成熟的采样点和采样技术,原子能院能够为环保部门提供精准的样品分析和更详细的数据。

如今,在国家环保部的蓝天计划、京津冀联防联控等项目中,环境保护部门已经把原子能院纳入到技术支持单位中。中组部“千人计划”PM2.5科学实验小组已经决定将原子能院的核分析技术队伍纳入国家跨行业、跨地区防治PM2.5行动的国家计划。小组组长甘中学一行还专门来原子能院参观,并称原子能院的核分析技术队伍为“核技术抗霾特战队”。

愿景:“指纹”追踪绘制PM2.5地图

2012年,美国伯克利国家实验室在《科学》杂志上发表了一篇文章,声称其在对旧金山湾大气中铅同位素进行测量时,检测到有29%的飘尘来自于东亚地区。铅同位素的测量就是使用加速器质谱中子活化分析技术,通过测定元素中碳同位素的含量,判定颗粒是来自燃煤、汽车尾气或是其他来源。而超灵敏质谱技术则能测得更加清楚。

ldquo;我们用核技术可以提供‘指纹’判定。在现有工作基础上,核分析可以把雾霾来源的信息精细化、准确化,为政府部门提供雾霾的来源、形成机制等信息;同时,可以提供现场快速测量和实验室精确测量的组合手段。我们希望能够研究出PM2.5同位素分布图样,让人们一看就能知道雾霾究竟从哪里来。”原子能院副院长柳卫平介绍。

针对下一步工作的开展,柳卫平说:“我们要充分利用原子能院现有技术手段,组织一些科研项目,对这些手段进行适应性改造,力争在短期内找到基础数据,慢慢把‘指纹’积累起来,形成雾霾来源的数据库。”

在原子能院核技术设备的具体应用方面,原子能院有两类设想:一类是对大型反应堆和加速器使用的设想——可以为国家提供特别精确的判断,譬如具体到雾霾到底来自于哪个火力电厂,原子能院可以用精准手段提供这一依据。

另一类是X射线、激光检测手段,原子能院计划在前期积累的基础上,通过短期科研,把分析‘指纹’解析出来,得到‘指纹’的判断方式和工作流程,把检测设备做成小型化的在线检测工具,向环保部门推广。原子能院的专家们已经将环保部门提供的PM2.5样品进行了初步测试,原子能院自行研制的全反射X光光谱和激光等离子化原子发射光谱分析取得了比预期更加理想的分析结果。

ldquo;为国家需要贡献自己的力量”,这始终是原子能院人的信念。自从崔大庆提出“核分析技术组合拳抗霾”的构想以后,得到了原子能院各路专家的支持。我国从事全反射X荧光第一人金理云老先生激动地说:“等了这么久,终于有人认识到我们核分析技术的重要性了,我们早就有这个想法了。”

如今,为了早日绘出PM2.5地图,原子能院的科研工作者们正在夜以继日、刻苦攻关,希望早日拿出第一批成果。