云 慧,郭繼勇,張大偉,馮 鵬,楊 勇,魏 強(qiáng),安欣欣
北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心,北京 100048
臭氧是光化學(xué)反應(yīng)的主要二次產(chǎn)物,對(duì)環(huán)境質(zhì)量、人體健康都有非常重要的影響[1]。2012年中國(guó)新發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[2]增加了臭氧8小時(shí)濃度值作為一項(xiàng)污染物指標(biāo),并參與空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高,環(huán)境空氣質(zhì)量受到廣泛關(guān)注,臭氧作為夏季與PM2.5并存的首要污染物,其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也引起了監(jiān)測(cè)部門的高度重視,臭氧的量值溯源與傳遞是環(huán)境空氣中臭氧監(jiān)測(cè)的主要質(zhì)保、質(zhì)控手段。
環(huán)境空氣中臭氧的監(jiān)測(cè)儀器分為點(diǎn)式儀器與開放光程儀器兩種[3],本文只針對(duì)點(diǎn)式儀器的量值溯源與傳遞開展研究。與環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的SO2、NO、CO等氣態(tài)污染物相比,臭氧化學(xué)性質(zhì)活潑,很難制備成標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶氣。因此,臭氧的量值溯源與傳遞需要先由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生一定濃度的臭氧,再經(jīng)過臭氧分析系統(tǒng)進(jìn)行定量,然后再將這個(gè)量值逐級(jí)傳遞。用于臭氧量值傳遞的儀器通??梢苑譃?種類型:含分光光度計(jì)的臭氧發(fā)生器、單純的臭氧發(fā)生器和臭氧分析儀。目前國(guó)內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)子站中使用的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀通常只含有單純的臭氧發(fā)生器,根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 193—2005),作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的臭氧發(fā)生器需每2年至少送檢一次,而工作標(biāo)準(zhǔn)需每年至少用傳遞標(biāo)準(zhǔn)傳遞一次[3]。而《環(huán)境空氣 臭氧的測(cè)定 紫外光度法》(HJ 590—2010)中規(guī)定臭氧量值須由臭氧標(biāo)準(zhǔn)參考光度計(jì)(SRP)或紫外校準(zhǔn)光度計(jì)傳遞到傳遞標(biāo)準(zhǔn),再傳遞到環(huán)境監(jiān)測(cè)用的臭氧分析儀,且傳遞標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)頻次為每6個(gè)月一次[4]。美國(guó)2013年10月修訂的《Transfer Standard for Calibration of Air Monitoring Analyzers for Ozone》,將臭氧標(biāo)準(zhǔn)按照傳遞鏈依次分為L(zhǎng)evel 1~Level 4,Level 1指SRP,其他均為臭氧傳遞標(biāo)準(zhǔn)(Transfer Standard),對(duì)于單純的臭氧發(fā)生器類型的傳遞標(biāo)準(zhǔn),推薦每個(gè)季度傳遞一次[5]。香港、廣東地區(qū)目前對(duì)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)周期也為3個(gè)月一次[6]。
目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于含有臭氧發(fā)生器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)方法、頻次不盡相同,在使用周期內(nèi),動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀產(chǎn)生的臭氧濃度是否產(chǎn)生漂移、漂移量大小還鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。復(fù)現(xiàn)性是指在不同的測(cè)量條件下,測(cè)量結(jié)果之間的一致性[7]。動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀產(chǎn)生的臭氧濃度的復(fù)現(xiàn)性會(huì)直接影響子站臭氧的校準(zhǔn)結(jié)果及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,是非常值得關(guān)注的問題,以動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的臭氧濃度作為子站臭氧分析儀的傳遞標(biāo)準(zhǔn)也值得深入探討。
通過對(duì)多臺(tái)含有臭氧發(fā)生器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的臭氧多點(diǎn)濃度進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試,用誤差、相對(duì)誤差等指標(biāo)對(duì)其臭氧發(fā)生性能進(jìn)行了合理評(píng)估,以期為空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)保、質(zhì)控提供數(shù)據(jù)支持和合理建議。
對(duì)一年內(nèi)從子站返回實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀(以Thermo Scientific的146i系列儀器為主)的150 ×10-9、225 × 10-9、300 × 10-9、375 ×10-9四點(diǎn)的O3體積濃度重新進(jìn)行檢測(cè),分析漂移情況。
在實(shí)驗(yàn)室備機(jī)充足的情況下,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建一套系統(tǒng),使用至少2臺(tái)146i,將其出氣口與臭氧分析儀(49i,Thermo Scientific)的分光光度計(jì)相連接,定期測(cè)定146i產(chǎn)生的O3濃度。模擬子站2 d一次零點(diǎn)和跨點(diǎn)校準(zhǔn)的狀態(tài),設(shè)置146i中的程序,也使其每2 d啟動(dòng)一次校準(zhǔn)程序,依次產(chǎn)生400×10-9、100 ×10-9的氣體,每次測(cè)定時(shí)間持續(xù)15 min,通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)記錄15 min當(dāng)時(shí)的測(cè)定值。
對(duì)實(shí)驗(yàn)室新校準(zhǔn)的146i的子站運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤測(cè)試,包括配氣流量、臭氧濃度,并對(duì)300 ×10-9、375 ×10-9兩點(diǎn)的 O3濃度進(jìn)行審核。
《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》(HJ 654—2013)中要求多氣體動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的性能指標(biāo)滿足流量誤差為±1%以內(nèi),臭氧發(fā)生濃度誤差為±2%以內(nèi)[8]。依據(jù)《空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版增補(bǔ)版)[9]、《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 193—2005)[3],要求氣體分析儀器跨度漂移超過±5%需要檢查和調(diào)節(jié)儀器,超過±10%數(shù)據(jù)無效,儀器應(yīng)維修和重新校準(zhǔn)。如果動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀本身給出的濃度發(fā)生了漂移,就會(huì)直接影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,甚至?xí)棺诱揪S護(hù)人員產(chǎn)生對(duì)分析儀器運(yùn)行狀態(tài)的誤判。因此,動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀本身流量和臭氧發(fā)生器所發(fā)生的臭氧濃度的準(zhǔn)確性、復(fù)現(xiàn)性是臭氧分析儀校準(zhǔn)的關(guān)鍵。
研究中使用的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀有效期為一年,到期后儀器需要返回實(shí)驗(yàn)室檢修并重新傳遞質(zhì)量流量控制器和臭氧發(fā)生器。在儀器回到實(shí)驗(yàn)室后,對(duì)于儀器不做任何改動(dòng)檢修,直接連接臭氧傳遞標(biāo)準(zhǔn)儀(49i-PS,Thermo Scientific),對(duì)使用一年后的臭氧濃度進(jìn)行跟蹤核查,包括 375×10-9、300 ×10-9、225 ×10-9、150 ×10-94 個(gè)體積濃度點(diǎn)。臭氧發(fā)生濃度誤差檢測(cè)方法為待測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定后,使用標(biāo)準(zhǔn)臭氧發(fā)生器發(fā)生一定濃度的臭氧標(biāo)準(zhǔn)氣體,使用臭氧傳遞標(biāo)準(zhǔn)儀檢測(cè)臭氧濃度,記錄臭氧濃度值。重復(fù)測(cè)試3次,計(jì)算臭氧發(fā)生濃度誤差。
如圖 1所示,11臺(tái)儀器 375×10-9、300×10-9、225 ×10-9、150 ×10-94 個(gè)體積濃度點(diǎn)的誤差絕對(duì)值的平均值依次為 11 ×10-9、8 ×10-9、6 ×10-9、5 ×10-9,相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值依次為2.88%、2.70%、2.83%、3.44%,均超過了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀性能指標(biāo)要求的2%。臭氧濃度誤差有正有負(fù),4個(gè)濃度點(diǎn)的誤差范圍依次為 -18×10-9~21 ×10-9、-17×10-9~17 ×10-9、-14 ×10-9~13 ×10-9、-3.6 ×10-9~9.6 ×10-9,相對(duì)誤差范圍依次為-4.80% ~5.60%、-5.67% ~5.67%、-6.22% ~5.78%、-2.40% ~6.40%。根據(jù)對(duì)跨點(diǎn)漂移的要求,375×10-9濃度點(diǎn)漂移超過5%(18.75×10-9)的有1臺(tái)儀器。同臺(tái)儀器的4個(gè)濃度點(diǎn)誤差基本為“同大同小”,也就是說4個(gè)點(diǎn)的誤差要么都比較大,要么都比較小,如果發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)點(diǎn)的誤差比較大,那么其他點(diǎn)也可能有較大的誤差。同臺(tái)儀器的4個(gè)濃度點(diǎn)誤差也基本為“同正同負(fù)”,如果一個(gè)濃度點(diǎn)出現(xiàn)正誤差,那么其他點(diǎn)也基本上為正誤差。但以上這兩條規(guī)律也有例外,個(gè)別儀器4個(gè)濃度點(diǎn)誤差有正也有負(fù)??傮w上說明,使用1年的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧濃度已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的漂移,跨點(diǎn)濃度誤差超 過±2%的儀器占64%。
圖1 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧濃度的相對(duì)誤差
在實(shí)驗(yàn)室使用2臺(tái)146i型動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀和1臺(tái)49i型臭氧分析儀,模仿子站氣體分析儀校準(zhǔn)過程,從2014年7月5日開始,每2 d對(duì)臭氧分析儀通一次校準(zhǔn)氣體,校準(zhǔn)時(shí)間為凌晨04:00、03:00,依次通入零氣、400 ×10-9跨度氣、100 ×10-9低濃度氣,但不對(duì)臭氧分析儀進(jìn)行校準(zhǔn),只用來監(jiān)測(cè)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧濃度。見圖2。
圖2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧濃度的示值變化
由圖2可以看出,2臺(tái)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧濃度的示值均發(fā)生了明顯的漂移。零點(diǎn)濃度總體向下漂移;400×10-9點(diǎn),1臺(tái)儀器總體向上漂移,9月27日以后向上漂移越來越顯著,另一臺(tái)儀器在10月16日的校準(zhǔn)中發(fā)生了顯著的向下漂移,之后又慢慢向上漂移;100×10-9、400×10-9點(diǎn)的漂移情況類似。這種漂移的原因可能來自動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀,也可能來自臭氧分析儀本身。但由于2臺(tái)儀器的漂移趨勢(shì)并不一致,而使用同臺(tái)臭氧分析儀在相隔較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大漂移的可能性較小。所以,很有可能是兩臺(tái)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的臭氧濃度發(fā)生了漂移。
通過采用實(shí)驗(yàn)室的臭氧傳遞標(biāo)準(zhǔn)49i-PS對(duì)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的臭氧濃度進(jìn)行檢查,使用同一個(gè)零氣源,稀釋氣為5 L。146i-M 4個(gè)點(diǎn)的臭氧濃度依次為 423 × 10-9、317 × 10-9、210 × 10-9、103.0×10-9。146i-N 4個(gè)點(diǎn)的臭氧濃度依次為397 × 10-9、293 × 10-9、189.5 × 10-9、88.0 ×10-9,均與最后一次校準(zhǔn)的顯示值較為接近,說明動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧濃度在使用3—4個(gè)月后確實(shí)已經(jīng)發(fā)生了明顯漂移,且大部分點(diǎn)都超過了±2%的范圍。而在美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀屬于Level 4級(jí)別的傳遞標(biāo)準(zhǔn),對(duì)其高一級(jí)別的傳遞標(biāo)準(zhǔn)也只要求單點(diǎn)濃度誤差在±3%以內(nèi)[5]。因此,半年的使用周期內(nèi),不能保證動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀產(chǎn)生的臭氧濃度滿足《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》(HJ 654—2013)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
對(duì)3臺(tái)146i、1臺(tái)146C動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的臭氧濃度375×10-9、300 ×10-9點(diǎn)進(jìn)行了跟蹤檢查,共15次,375×10-9點(diǎn)的最大值、最小值分別為392×10-9、353 × 10-9,相對(duì)誤差為 - 5.9% ~4.5%,平均相對(duì)誤差為2.9%;300×10-9點(diǎn)最大值、最小值分別為 312 ×10-9、284 ×10-9,相對(duì)誤差為 -5.3% ~4.0%,平均相對(duì)誤差為2.7%。15次中,375×10-9點(diǎn)有 9次超過 ±2%,300×10-9點(diǎn)有11次超過±2%??傮w來看,動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的臭氧濃度在使用2個(gè)月左右就出現(xiàn)了較大漂移,且不同的儀器波動(dòng)的特點(diǎn)也不一樣,有正漂移也有負(fù)漂移。見表1。
表1 子站跟蹤的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧濃度
動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧發(fā)生器的臭氧濃度的復(fù)現(xiàn)性較差,影響因素可能有以下幾點(diǎn):臭氧組件自身穩(wěn)定性欠佳(新儀器);臭氧組件老化(舊儀器);稀釋氣流量漂移;零氣中臭氧含量過高。
146C是使用時(shí)間較長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀,146i的使用時(shí)間則較短,但檢查的儀器都存在臭氧濃度漂移的問題,從而推斷與臭氧組件的老化程度無明顯關(guān)系,而是存在于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧發(fā)生器的普遍問題。
流量是影響臭氧濃度的一個(gè)因素,本研究同步跟蹤了3臺(tái)146i、1臺(tái)146C動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的流量,5 L/min是大量程流量計(jì)常用的配氣流量,20、50 mL/min是小量程流量計(jì)常用的配氣流量。見表2。
表2 子站跟蹤的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀配氣流量
根據(jù)國(guó)際(HJ 654—2013)中流量線性誤差的檢測(cè)方法:待監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,將標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)量裝置串聯(lián)到多氣體動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀氣路中,使校準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生流量計(jì)20% ~80%滿量程流量,分別記錄校準(zhǔn)設(shè)備流量值、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)量流量值,計(jì)算兩者的相對(duì)誤差;重復(fù)測(cè)試3次,平均值應(yīng)在±1%以內(nèi)[9]。而全國(guó)大檢查中要求動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀流量審核在±2%以內(nèi)。研究使用標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)量裝置Gilibritor電子皂膜流量計(jì),流量計(jì)每年送檢一次,在有效期內(nèi)。
146i-A、146i-B的流量在一年之內(nèi)都比較穩(wěn)定,146i-C、146C-A因流量偏差及臭氧誤差均比較大,而被運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室重新校準(zhǔn)。從平均相對(duì)誤差來看,檢查的3個(gè)流量點(diǎn)分別為0.7%、1.0%、0.7%,低于臭氧濃度的平均誤差。因此,流量的復(fù)現(xiàn)性要好于臭氧濃度的復(fù)現(xiàn)性。
盡管隨著時(shí)間的推移,子站的零氣源凈化臭氧能力會(huì)逐漸減弱,但是檢查時(shí)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀與臭氧傳遞標(biāo)準(zhǔn)儀器使用的是同一個(gè)零氣源,能夠抵消零氣源對(duì)臭氧濃度顯示值的影響。
因此,最有可能的原因就是臭氧組件本身穩(wěn)定性欠佳。另外,在子站使用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)臭氧分析儀的過程中,動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀產(chǎn)生的臭氧濃度會(huì)受到零氣源中雜質(zhì)的影響,如果零氣源對(duì)臭氧、二氧化氮、二氧化硫等干擾物質(zhì)的去除能力下降,會(huì)使得實(shí)際進(jìn)入臭氧分析儀的臭氧濃度與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀本身產(chǎn)生的臭氧濃度產(chǎn)生偏差。因此,根據(jù)《環(huán)境空氣臭氧的測(cè)定 緊外光度法》(HJ 590—2010)的規(guī)定,需要對(duì)零空氣質(zhì)量進(jìn)行確認(rèn)和驗(yàn)收,應(yīng)每隔半年更換一次零氣發(fā)生裝置的滌氣器。
1)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧發(fā)生器發(fā)生的臭氧濃度存在較大漂移,復(fù)現(xiàn)性較差,與臭氧組件的穩(wěn)定性有很大關(guān)系。如使用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀作為子站臭氧分析儀的傳遞標(biāo)準(zhǔn),建議增加對(duì)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)審查頻次,且最好在子站進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)傳遞,以防止動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧濃度在運(yùn)輸和再次開關(guān)機(jī)過程中發(fā)生較大漂移。
2)建議把動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的臭氧濃度只作為子站臭氧分析儀自動(dòng)零點(diǎn)、跨點(diǎn)審查的依據(jù),而多點(diǎn)校準(zhǔn)則最好使用臭氧分析儀類型的傳遞標(biāo)準(zhǔn)。因此,參照美國(guó)對(duì)于臭氧傳遞標(biāo)準(zhǔn)的定義,質(zhì)保實(shí)驗(yàn)室首先要有每年經(jīng)SRP比對(duì)或傳遞過的Level 2級(jí)別的傳遞標(biāo)準(zhǔn),把動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀作為L(zhǎng)evel 4級(jí)別的傳遞標(biāo)準(zhǔn),要在這兩個(gè)級(jí)別之間建立Level 3級(jí)別的傳遞標(biāo)準(zhǔn),使用專門用于校準(zhǔn)的臭氧分析儀作為該傳遞標(biāo)準(zhǔn),每3個(gè)月帶到子站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀和監(jiān)測(cè)用臭氧分析儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)傳遞。
3)目前國(guó)內(nèi)開展零空氣質(zhì)量確認(rèn)和驗(yàn)收工作的地區(qū)比較少,而零空氣的質(zhì)量不僅會(huì)影響動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧濃度的復(fù)現(xiàn)性,也會(huì)對(duì)其他氣態(tài)污染物的校準(zhǔn)濃度造成干擾,因此各地區(qū)亟待對(duì)這方面的工作進(jìn)行實(shí)踐和探討。
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