祁紅娟,余益軍,楊 帆,章霖之,李春玉
常州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇 常州 213001
中國(guó)城市大氣污染防治工作初顯成效,整體空氣質(zhì)量形勢(shì)向好[1],監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,細(xì)顆粒物和臭氧是主要的首要污染物,并且臭氧逐漸成為大氣污染“主兇”[2]。一般認(rèn)為氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等臭氧前體物的大量排放造成臭氧污染加劇,許多地區(qū)已經(jīng)呈現(xiàn)VOCs的控制[3]。
總烴和非甲烷總烴是環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域用來(lái)指示空氣和廢氣中有機(jī)污染的常用綜合指標(biāo),其監(jiān)測(cè)成本較低,簡(jiǎn)單方便,是表征VOCs水平的可行有效方法之一,環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中從標(biāo)準(zhǔn)氣體的選擇[4]、保存容器比較[5]、容器清洗方法[6]等方面進(jìn)行研究,致力于提高該方法監(jiān)測(cè)VOCs的準(zhǔn)確程度。目前,環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)空氣中總烴和非甲烷總烴主要依據(jù)《固定污染源排氣中非甲烷總烴的測(cè)定 氣相色譜法》(HJ/T 38—1999)[7]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定樣品當(dāng)天分析,未明確保存條件、保存時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響,相關(guān)討論的文獻(xiàn)也極少[8]。本文通過(guò)研究環(huán)境空氣樣品保存條件和保存時(shí)間對(duì)回收率的影響,為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的使用和環(huán)境空氣中總烴和非甲烷總烴分析方法的完善提供技術(shù)支撐。
甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體(10.5 μmol/mol,底氣為除烴空氣,南京南風(fēng)氣體公司,出廠日期為2017-02-06);VOCs標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品,LINDE TO-14(含41組分)(編號(hào):0100492033,LINDE,出廠日期為2016-11-08)和LINDE TO-15(含65組分)(編號(hào):0100630186,LINDE,出廠日期為2016-07-25),各組分濃度均約為1 μmol/mol;
玻璃注射器:300、100 mL。參照《室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 167—2004)中4.9.1要求,先檢查注射器內(nèi)芯與外筒間是否滑動(dòng)自如,然后吸入空氣至最大刻度,用配套密封頭封好進(jìn)氣口,垂直放置24 h,剩余空氣應(yīng)不少于60%。氣密性檢查合格的玻璃注射器才能采集氣體。
Agilent 7820氣相色譜儀(美國(guó)),配有雙柱雙FID檢測(cè)器、串聯(lián)雙六通閥和 1 mL定量環(huán);毛細(xì)管柱1:HP-PLOT/Q柱(30 m×0.53 mm×25 μm),毛細(xì)管柱2:空柱(30 m×0.53 mm,去活空管),其中柱1用于測(cè)定氧、甲烷的含量,柱2用于測(cè)定總烴含量。
玻璃注射器裝好樣品后用蓋子蓋住注射口,完全暴露于日光燈下為非避光;半避光實(shí)驗(yàn)時(shí),將注射器放入半透明的整理箱中;避光實(shí)驗(yàn)時(shí),注射器放入完全避光的樣品箱中。樣品存放在常溫狀態(tài)下,實(shí)驗(yàn)期間,室內(nèi)溫度為15~20 ℃,濕度為40%~50%。
分別以甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品、VOCs標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品、實(shí)際環(huán)境空氣樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),取氣體樣品以定量環(huán)直接進(jìn)樣分析,進(jìn)樣結(jié)束后迅速密封全玻璃針筒,避光、半避光或者非避光,并傾斜放置,隔若干時(shí)間后再次進(jìn)行分析,考察保存方式和保存時(shí)間對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。每次實(shí)驗(yàn)前均以新抽取的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品驗(yàn)證儀器的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),考慮所用針筒氣密性,所有針筒均以傾斜30°存放,此狀態(tài)下仍可保持一定正壓。
氣相色譜儀進(jìn)樣口溫度為240 ℃,檢測(cè)器溫度為250 ℃,柱溫箱溫度為45 ℃,保持4 min,不分流進(jìn)樣方式,空氣流量為400 mL/min,氫氣流量為30 mL/min,柱流量為5 mL/min,采用恒流模式,尾吹氣流量為25 mL/min。
直接抽取濃度為10.5 μmol/mol的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體,置于100 mL全玻璃針筒注射器中傾斜保存若干時(shí)間后再進(jìn)行檢測(cè),以甲烷的回收率(保存若干時(shí)間后檢測(cè)結(jié)果相對(duì)于初始時(shí)刻結(jié)果的百分?jǐn)?shù))表征保存時(shí)間的影響。4 d的獨(dú)立測(cè)試結(jié)果顯示,保存3~4 h后回收率為90.6%~ 93.1%,保存6~7 h后則降至78.8%~83.7%;采用300 mL全玻璃針筒注射器制備此甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體稀釋一倍后的樣品(直接抽取標(biāo)準(zhǔn)氣體約150 mL,以室內(nèi)空氣稀釋至300 mL),保存6、24、29、48、55 h后的回收率分別為94.1%、79.6%、72.3%、62.9%、58.1%。
結(jié)果表明,保存于全玻璃針筒注射器的樣品回收率隨保存時(shí)間推移而下降,且這種下降與初始濃度相關(guān),如采用稀釋一倍的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),6 h后的回收率(94.1%)明顯高于稀釋前(78.8%~83.7%)。由于甲烷本身較穩(wěn)定,這種下降應(yīng)與注射器的密合性有關(guān)。醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了全玻璃針筒注射器的密合性要求和測(cè)試方法,全容量注水后從錐頭孔注入一定水壓,保持10 s[9];對(duì)于100 mL的全玻璃針筒注射器,水壓定為130 kPa,合格標(biāo)準(zhǔn)是在10 s內(nèi)不應(yīng)有水滴下[10],可見此密合性針對(duì)保存液體而言,全玻璃針筒注射器作為一種使用廣泛的氣體樣品保存器,可以參照《室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 167—2004)中4.9.1的要求進(jìn)行氣密性檢查,合格的玻璃注射器才能采集氣體。
通過(guò)全玻璃針筒注射器保存稀釋后VOCs標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品實(shí)驗(yàn),考察光照、保存時(shí)間2個(gè)因素對(duì)回收率的影響。標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品以300 mL全玻璃針筒注射器抽取約15~30 mL后立刻吸入室內(nèi)空氣稀釋至300 mL,預(yù)先放入一片硬質(zhì)聚四氟乙烯小片以便混勻,初始分析距配制時(shí)間均不超過(guò)15 min,且需分析兩次,確?;旌暇鶆颍曰厥章时碚髯兓厔?shì),見圖1。
圖1 保存條件、時(shí)間對(duì)VOCs標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品檢測(cè)回收率的影響Fig.1 Effects of storage conditions and time on the recovery rate of VOCs standard gas samples
可見,當(dāng)保存有稀釋后VOCs標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品的全玻璃針筒注射器暴露于實(shí)驗(yàn)室的日光燈下時(shí),即便在20 ℃下回收率也會(huì)發(fā)生劇變,總烴回收率在開始1 h內(nèi)略有下降(72.9%),但在2、3 h時(shí),總烴回收率急劇升高,分別達(dá)到190%、341%,在隨后的21 h內(nèi),回收率呈波折下降趨勢(shì),但即便是24 h后回收率也達(dá)212%。將保存有稀釋后VOCs標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品的全玻璃針筒注射器置于半透明整理箱中保存,總烴回收率變化趨勢(shì)相近,但幅度顯著變小,如峰值時(shí)刻為2 h后,回收率為126%,6 h時(shí)回收率為110%。避光保存時(shí),無(wú)論是TO-15標(biāo)氣,還是TO-14標(biāo)氣,其回收率變化均呈現(xiàn)一直下降趨勢(shì)。2類VOCs標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品中甲烷的回收率基本穩(wěn)定(92.8%~105%),這可能是由于配制標(biāo)氣時(shí)用大量空氣稀釋,樣品中甲烷含量基本與外界空氣相當(dāng)有關(guān),同時(shí)也反映出分析的精密度、準(zhǔn)確度較高。
TO-15標(biāo)氣與TO-14標(biāo)氣在初始時(shí)刻,TO-15標(biāo)氣測(cè)得的總烴含量更高,在每個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)刻,其回收率總是低于總烴初始含量較低的TO-14標(biāo)氣樣品,這個(gè)現(xiàn)象與甲烷標(biāo)氣觀測(cè)的一致。TO-14標(biāo)氣如果避光保存,在24 h時(shí)回收率還能達(dá)到90.4%,48 h時(shí)降低至72.6%。但TO-15標(biāo)氣雖然避光保存,6 h時(shí)回收率降低至86.3%,24 h時(shí)回收率已降低至67.2%??梢?,避光程度、注射器氣密性、保存時(shí)間、標(biāo)氣濃度均影響VOCs標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品的回收率,避光與否可能與光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。
實(shí)際環(huán)境空氣樣品取自某化工園區(qū)、交通干道、某植被較好的居民區(qū)內(nèi),均以300 mL的全玻璃針筒注射器采集,針筒傾斜放置,保持一定的正壓,并避光保存。某化工園區(qū)環(huán)境空氣樣品采樣與初次分析間隔約40 min,其他樣品采集與初次分析間隔均小于15 min(圖2)。
圖2 保存時(shí)間對(duì)3種實(shí)際環(huán)境空氣VOCs樣品檢測(cè)回收率的影響Fig.2 Effects of storage time on the recovery rate of three kinds of air samples in VOCs
3種實(shí)際環(huán)境空氣樣品中甲烷初始濃度為1.27~1.47 mg/m3,在實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)回收率保持穩(wěn)定(90.2%~102%);某化工園區(qū)、交通干道2種樣品的總烴初始濃度較低(分別為2.97、2.43 mg/m3),在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)亦保持穩(wěn)定(89.3%~104%);取自綠植較好居民院內(nèi)的環(huán)境空氣樣品,因植物本身會(huì)釋放大量VOCs,其總烴初始濃度略高(4.75 mg/m3),其回收率結(jié)果變化也較大,距初始時(shí)刻3、19 h的回收率分別為121%、52.6%,在距初始分析時(shí)刻21~67 h內(nèi)呈現(xiàn)基本穩(wěn)定(50.8%~55.8%),植物VOCs一般具有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性。這也說(shuō)明即便在避光環(huán)境中,VOCs仍可能發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)。
通過(guò)甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品、TO-14和TO-15標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品、3種實(shí)際環(huán)境空氣樣品,研究了以全玻璃針筒注射器保存環(huán)境空氣的氣體樣品,甲烷、總烴回收率結(jié)果受樣品性質(zhì)、樣品濃度、保存環(huán)境等的影響。結(jié)果表明,樣品的保存時(shí)間取決于以下因素:
1)樣品性質(zhì)。不同類型樣品的保存時(shí)間差異大,如樣品中物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)活性強(qiáng),從研究結(jié)果可以看出,總烴呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì),甲烷則相對(duì)穩(wěn)定。
2)樣品濃度水平。相同條件下相同類型樣品,濃度高的保存時(shí)間短于低濃度樣品,如與環(huán)境空氣濃度相仿的樣品保存時(shí)間可超過(guò)60 h。如果樣品濃度較高,保存時(shí)間超過(guò)6 h時(shí),可能回收率已低于90%。
3)保存環(huán)境的避光程度。對(duì)于同一種VOCs標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品,避光、半避光、非避光保存樣品回收率迥異,趨勢(shì)差別極大。從研究結(jié)果看出,樣品最好避光保存,回收率呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。對(duì)于一般濃度的環(huán)境空氣樣品,如果避光保存,一般的保存時(shí)間可以達(dá)到24 h。
4)全玻璃材質(zhì)注射器的氣密性。對(duì)于某100 mL注射器,保存甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體(以空氣為底氣)3~4 h回收率約為90%,6~7 h后則降至80%左右,另某一個(gè)300 mL注射器的回收率趨勢(shì)與此100 mL注射器類似,由于甲烷氣體穩(wěn)定性好,因此這種降低應(yīng)與注射器的氣密性有關(guān),建議按照1.1小節(jié)中的方法先對(duì)玻璃注射器進(jìn)行氣密性的檢查,合格的注射器才能采集氣體樣品。
5)以上研究數(shù)據(jù)和結(jié)論均針對(duì)環(huán)境空氣樣品,不適用于廢氣樣品。
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