張 濤， 師建中， 岳玎利， 周 炎， 鐘流舉

(廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510308)

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硅膠除濕法提高振蕩天平法PM2.5分析儀的準(zhǔn)確性研究

張 濤， 師建中*， 岳玎利， 周 炎， 鐘流舉

(廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510308)

摘要以珠三角區(qū)域大氣復(fù)合污染立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中大氣超級(jí)站為觀測(cè)點(diǎn)，利用自主研發(fā)的氣溶膠連續(xù)除濕裝置，采用硅膠除濕方式提高振蕩天平法PM2.5分析儀準(zhǔn)確度的原理和方法，分析了振蕩天平法PM2.5濃度測(cè)值誤差產(chǎn)生的原因。通過(guò)比對(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的技術(shù)可行性，有效解決了振蕩天平法PM2.5顆粒物在線監(jiān)測(cè)的連續(xù)除濕問(wèn)題，特別是在潮熱天氣等相對(duì)濕度較大的情況下具有明顯優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞振蕩天平法；氣溶膠連續(xù)除濕裝置；硅膠除濕

2012年《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)發(fā)布至今，空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站普遍配備了顆粒物分析儀，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣中的可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)。微量振蕩天平法顆粒物分析儀觀測(cè)大氣顆粒物過(guò)程中易受環(huán)境大氣濕度和濾膜中吸附水汽的影響[1-2]，美國(guó)賽默飛世爾公司生產(chǎn)的1405 型振蕩天平法(Tapered Element Oscillating Micro balance，TEOM)顆粒物分析儀中的濾膜稱量室設(shè)定溫度高于環(huán)境溫度(50 ℃)，以排除濕度對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。但是，由于濾膜稱量室溫度高于實(shí)際環(huán)境溫度，會(huì)使附集在濾膜上顆粒物中的低揮發(fā)性物質(zhì)快速揮發(fā)，導(dǎo)致所測(cè)量的顆粒物質(zhì)量濃度偏低。這是振蕩天平法顆粒物分析儀監(jiān)測(cè)結(jié)果存在負(fù)誤差的主要原因。

美國(guó)賽默飛世爾公司為克服實(shí)際應(yīng)用中1405 型振蕩天平法(TEOM)顆粒物分析儀與手工濾膜采樣秤量法數(shù)據(jù)對(duì)比存在的負(fù)誤差，采用了“膜補(bǔ)償”技術(shù)[3]。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是我國(guó)沿海及低海拔地區(qū)，“膜補(bǔ)償”技術(shù)裝置因日常維護(hù)標(biāo)定操作過(guò)于復(fù)雜、頻繁，穩(wěn)定性、耐用性難以適應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，已較少在空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站裝配使用[4]。

氣溶膠連續(xù)除濕裝置[5]是一種以硅膠除濕的方式提高振蕩天平法PM2.5分析儀準(zhǔn)確度的方法，可以避免濾膜低揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā)，從而得到滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的PM2.5濃度數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證這一方法的可行性，筆者于2015年12月至2016年1月在珠三角區(qū)域大氣復(fù)合污染立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中大氣超級(jí)站進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，通過(guò)分析比對(duì)加裝除濕裝置與未加裝除濕裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了加裝除濕裝置的顆粒物分析儀測(cè)量值的準(zhǔn)確性，旨在為大氣PM2.5的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)及提高我國(guó)空氣質(zhì)量提供理論支持。

1材料與方法

1.1比對(duì)地點(diǎn)與時(shí)間觀測(cè)站點(diǎn)為珠三角區(qū)域大氣復(fù)合污染立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中大氣超級(jí)站(112.929° E，22.728° N，海拔60 m)，位于廣東省江門市桃源鎮(zhèn)富源村花果山，分別距廣州市、佛山市和江門市80、50和30 km。該站點(diǎn)位于珠三角污染排放較密集的廣佛地區(qū)下風(fēng)向，區(qū)域大氣氧化性較高。比對(duì)時(shí)間為2015年12月4日至2016年1月25日。

圖1　氣溶膠連續(xù)除濕裝置氣路示意Fig.1　Pneumatic schematic diagram of aerosol continuous dehumidification device

1.2測(cè)量設(shè)備PM2.5的觀測(cè)儀器為微量振蕩天平TEOM(型號(hào)：1405)和β射線法(型號(hào)：SHARP 5030)(美國(guó)賽默飛世爾公司)，氣象條件觀測(cè)儀器為瑞典維薩拉(型號(hào)：WTX520)。

1.3分析方法以2012年5月通過(guò)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站PM2.5監(jiān)測(cè)適用性第1階段比對(duì)測(cè)試的β射線法為基準(zhǔn)值，以5030表示，加裝除濕裝置的振蕩天平法PM2.5分析儀測(cè)值以TEOM A表示，未加除濕裝置的測(cè)值以TEOM B表示。

觀測(cè)期間，按照《區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量管理體系與標(biāo)準(zhǔn)操作程序》[6]等規(guī)范和著作的要求進(jìn)行質(zhì)量控制和質(zhì)量保證，對(duì)觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行全面維護(hù)檢查和校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.4氣溶膠連續(xù)除濕裝置的工作原理

氣溶膠連續(xù)除濕裝置[5]工作原理見(jiàn)圖1。用吸水硅膠顆粒填充2個(gè)圓柱體，通過(guò)左路與右路的切換，實(shí)現(xiàn)硅膠的再生、除濕。

2結(jié)果與分析

圖2　觀測(cè)期間PM2.5濃度、相對(duì)濕度與降雨量的變化趨勢(shì)Fig. 2　Change trend of the PM2.5 concentration with relative humidity and precipitation during the observation period

2.1比對(duì)期間的整體情況從圖2可以看出，比對(duì)期間，PM2.5的濃度為12～107 g/m3，共有4 d超過(guò)國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值(75 μg/m3)，其中12月20～22日超標(biāo)。氣象條件方面，相對(duì)濕度為35%～85%，日降雨量最大為46.5 mm(2016年1月5日)。連續(xù)的降雨過(guò)程，往往會(huì)導(dǎo)致相對(duì)濕度同步出現(xiàn)高值。2.2加裝連續(xù)除濕裝置前后的測(cè)值比對(duì)從圖3可以看出，無(wú)論是整個(gè)比對(duì)期間還是降雨天氣、高濕度天氣(相對(duì)濕度>70%)，TEOM A與TEOM B兩者均呈顯著相關(guān)。由表1可知，觀測(cè)期間，TEOM A的平均值為46 μg/m3，TEOM B為39 μg/m3，TEOM A為TEOM B的1.18倍；降雨天氣，TEOM A的PM2.5平均值為42 μg/m3，TEOM B為36 μg/m3，TEOM A為TEOM B的1.14倍；高濕度天氣，TEOM A的PM2.5平均值為48 μg/m3，TEOM B為41 μg/m3，TEOM A為TEOM B的1.17倍。5030測(cè)值在不同天氣條件下均比TEOM B測(cè)值大，尤其是在降雨天氣和高濕度天氣，5030測(cè)值分別是TEOM B的1.17、1.15倍?？傮w來(lái)說(shuō)，不同氣象條件下，加裝連續(xù)除濕裝置的TEOM在測(cè)值水平上明顯高于未加裝連續(xù)除濕裝置的TEOM，而TEOM A與5030測(cè)值較為相近。

圖3　觀測(cè)期間TEOM A與TEOM B的PM2.5濃度測(cè)值比對(duì)Fig. 3　Comparison of the measured values of PM2.5 concentration between TEOM A and TEOM B during observation period

μg/m3

3結(jié)論

該研究分析了振蕩天平法PM2.5濃度測(cè)值產(chǎn)生誤差的原因，并利用自主研發(fā)的一款氣溶膠連續(xù)除濕裝置，提出了以硅膠除濕方式提高振蕩天平法PM2.5分析儀準(zhǔn)確度的原理和方法，并利用所測(cè)數(shù)據(jù)間的比對(duì)，驗(yàn)證了該方法的技術(shù)可行性，有效解決了振蕩天平法PM2.5顆粒物在線監(jiān)測(cè)的連續(xù)除濕問(wèn)題，特別是在潮熱天氣等相對(duì)濕度較大的情況下具有明顯優(yōu)勢(shì)。該方法與美國(guó)賽默飛爾公司1405-FDMS型PM2.5分析儀比較，具有日常維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本較低的特點(diǎn)[3-4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 屈文軍,張小曳,王丹,等.濕度變化對(duì)TEOM?1400a系列環(huán)境顆粒物監(jiān)測(cè)儀PM10質(zhì)量濃度觀測(cè)的影響[J].中國(guó)粉體技術(shù),2006,2(1):1-3.

[2] 師建中,陳丹青.PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量主要影響因素和控制方法探討[J].綠色科技,2012(5):179-183.

[3] 美國(guó)賽默飛世爾公司.1405F監(jiān)測(cè)儀說(shuō)明書[Z].2009.

[4] 元潔.TEOM1405F型PM2.5顆粒物分析儀校準(zhǔn)方法的建立[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(20): 236-237.

[5] 岳玎利,周炎,師建中,等.一種氣溶膠連續(xù)在線除濕裝置：中國(guó)，200142048362[P].2015-01-07.

[6] 鐘流舉,袁鸞,區(qū)宇波,等.區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量管理體系與標(biāo)準(zhǔn)操作程序[M].廣州:廣東科技出版社,2013:51-54.

Comparative Test on Accuracy Improvement of TEOM PM2.5Analyzer by Silica Gel Desiccant Method

ZHANG Tao, SHI Jian-zhong*, YUE Ding-li et al

(Key Laboratory of National Environmental Protection Regional Air Quality Detection,Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou, Guangdong 510308)

AbstractWith atmosphere station of three-dimensional monitoring network of complex air pollution in Pearl River Delta Region as the observation point, self-developed aerosol continuous dehumidification devices was adopted. Accuracy of Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM) PM2.5analyzer was improved by silica gel desiccant method. The cause of TEOM PM2.5concentration measurement error was analyzed. Comparative test verified the feasibility of this technology. Results showed that this method effectively solved the continuous dehumidification problem in on-line monitoring of TEOM PM2.5particulate matter, especially had obvious advantages in the hot and damp weather.

Key wordsTEOM; Aerosol continuous dehumidification devices; Silica gel desiccant

基金項(xiàng)目廣州市珠江科技新星專項(xiàng) (201506010079);國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAC21B01)。

作者簡(jiǎn)介張濤(1984- )，男，安徽臨泉人，工程師，碩士，從事大氣化學(xué)與地氣交換研究。*通訊作者，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事大氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)研究。

收稿日期2016-02-02

中圖分類號(hào)S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)08-078-03