多通道PM2.5采樣器的設(shè)計(jì)及與進(jìn)口采樣器比對(duì)測(cè)試

鄭仙玨，沈建東*，何曦 ，華道柱，許凱兒，張海洋，鐘琪，楊凱，葉華俊

(1.杭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 杭州 310007；2.聚光科技股份有限公司，浙江 杭州 310052；3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012)

多通道PM2.5采樣器的設(shè)計(jì)及與進(jìn)口采樣器比對(duì)測(cè)試

鄭仙玨1，沈建東1*，何曦1，華道柱2，許凱兒1，張海洋1，鐘琪3，楊凱3，葉華俊2

(1.杭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 杭州 310007；2.聚光科技股份有限公司，浙江 杭州 310052；3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012)

設(shè)計(jì)了多通道大氣顆粒物采樣器，可同時(shí)采集4個(gè)通道的PM2.5樣品，靈活配置采樣通道的開啟，每個(gè)通道單獨(dú)設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)，采用閉環(huán)反饋技術(shù)，通過比例閥、流量傳感器及流量控制板共同控制和校正采樣流量，保證通道流量的穩(wěn)定性。與單通道采樣器(BGI PQ 200)進(jìn)行了為期30 d的比對(duì)測(cè)試，結(jié)果表明，多通道采樣器斜率、截距和相關(guān)系數(shù)均符合《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)采樣器技術(shù)要求及檢測(cè)方法》(HJ 93—2013)的要求，可滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

多通道大氣顆粒物采樣器；設(shè)計(jì)；比對(duì)測(cè)試

Abstract： The self- designed multi- channel atmospheric particulate sampler can collect PM2.5with four channels simultaneously, and the working of sampling channel can be configured according with the requirements. A mass flow meter is employed in each channel. The closed loop feedback technology is used to ensure the stability of channel flow rate. To assure the stability of flow, the flow rate of the sample is accurately controlled and corrected by proportional valve, flow sensor and flow controlling panel. A comparison test was being carried out for 30 days between self- designed multi- channel sampler and single channel sampler (BGI PQ 200). The results reveal that the slope, intercept and correlation coefficients conform to the requirements of “The ambient air particulate matter (PM10and PM2.5) sampler technical requirements and test methods” (HJ 93—2013). The self- designed multi- channel sampler can meet the application requirements.

Keywords： Multi- Channel atmospheric particulate sampler；Design；Comparing test

大氣顆粒物(PM) 是指分散在空氣中的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑(dp)為0.001～100 μm 的固體或液體微粒[1-3]。其對(duì)空氣質(zhì)量和人體健康均會(huì)造成嚴(yán)重危害[4-5]，特別是dp≤2.5 μm的細(xì)顆粒物(PM2.5)可沉積于小氣道與肺泡中，對(duì)人體危害更大[6]。PM2.5來源廣泛且化學(xué)成分復(fù)雜，主要包括含碳組分、水溶性離子以及無機(jī)元素，其中既有性質(zhì)穩(wěn)定的組分，也有半揮發(fā)性成分。細(xì)顆粒物中絕大多數(shù)元素和硫酸鹽均很穩(wěn)定，不存在特殊的采樣問題，而半揮發(fā)性組分在顆粒態(tài)與氣態(tài)之間的分配平衡則可能在采樣過程中受到影響而引起顆粒態(tài)物質(zhì)的揮發(fā)和(或)氣態(tài)物質(zhì)的吸附，并因此導(dǎo)致采樣誤差[7]。根據(jù)研究目的不同，顆粒物的采集手段可分為在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(自動(dòng)法)和膜采樣監(jiān)測(cè)(手工法)兩種采樣手段。手工法采樣作為美國(guó)環(huán)保署(US EPA)確定的聯(lián)邦參考方法，是顆粒物采樣的基準(zhǔn)方法[8]。

美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家相繼開發(fā)出一些大氣顆粒物手工監(jiān)測(cè)采樣設(shè)備，集成了一些相關(guān)的分析技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)缺少自主研發(fā)的中低流量顆粒物采樣器，特別是多通道采樣器。多通道采樣器不僅可以分別控制每個(gè)通道的采樣流量，收集用于不同分析目的的采樣量，而且每個(gè)通道可選用不同采樣膜，用于不同組分的分析。同時(shí)，多通道采樣器會(huì)減少因不同儀器造成的采樣誤差，方便數(shù)據(jù)的相關(guān)分析。盡管國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些課題組或企業(yè)研制了采樣器[9-13]，但仍不能完全滿足現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)和科研需求。因此，科技部于2012年組織國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)《環(huán)境大氣中細(xì)粒子(PM2.5)監(jiān)測(cè)設(shè)備開發(fā)及應(yīng)用》研究，作為項(xiàng)目的重要研究任務(wù)之一，杭州某公司自主研發(fā)了多通道PM2.5采樣器。

1 工作原理

多通道PM2.5采樣器的原理如圖1所示。在真空泵的作用下，環(huán)境空氣經(jīng)由4個(gè)獨(dú)立的PM2.5粒徑切割器進(jìn)入采樣器，再經(jīng)過濾膜、質(zhì)量流量計(jì)、比例閥，最后由泵排出。粒徑切割器是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理分選粒徑的裝置，即較大粒徑的顆粒物被切割器分離去除，而所需粒徑的顆粒物可透過切割器被濾膜收集，即得到大氣顆粒物樣品。

圖1 多通道PM2.5采樣器的工作原理

2 關(guān)鍵技術(shù)

自主研發(fā)的多通道PM2.5采樣器標(biāo)準(zhǔn)配置為4個(gè)采樣通道，可通過軟件靈活配置采樣通道的開啟。采樣器每個(gè)通道單獨(dú)配置切割器，粒徑切割和采樣單元采用高度集成的采樣罐設(shè)計(jì)，利用小型化的旋風(fēng)式切割器實(shí)現(xiàn)粒徑選擇，切割粒徑精度2.5±0.2 μm，罐體內(nèi)可以選配2層濾膜和2層溶蝕器，整個(gè)采樣罐拆裝簡(jiǎn)單，濾膜和溶蝕器更換便捷。每個(gè)通道單獨(dú)設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)，采樣流量為5 L/min，采用閉環(huán)反饋控制技術(shù)，保證通道流量的穩(wěn)定性，流量誤差 ≤±2%。采樣器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣溫度、濕度和壓力等參數(shù)，同時(shí)預(yù)留接口支持選配風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)儀器采樣工作時(shí)同步記錄相關(guān)的氣象信息。儀器配備有GPRS模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)無線傳輸，附帶手機(jī)短信息提醒功能，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控儀器運(yùn)行狀態(tài)。

3 比對(duì)測(cè)試

為了解多通道PM2.5采樣器的性能情況，與國(guó)外經(jīng)美國(guó)EPA認(rèn)證的單通道PM2.5采樣器進(jìn)行了同步的質(zhì)量濃度比對(duì)測(cè)試。

3.1 儀器與設(shè)備

自主研發(fā)的PMS-200 M型多通道PM2.5采樣器2臺(tái)；美國(guó)BGI公司生產(chǎn)的PQ 200型單通道采樣器3臺(tái)，配備VSCC型 (Very Sharp Cut Cyclone)PM2.5切割器(通過美國(guó)EPA等效認(rèn)證)；杭州微智兆智能科技有限公司生產(chǎn)的自動(dòng)稱量系統(tǒng)(配備梅特勒xp 205型天平，感量0.01 mg)；47 mm的PTFE 濾膜(美國(guó)Whatman公司)。

3.2 地點(diǎn)及儀器布設(shè)

比對(duì)測(cè)試在杭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站樓頂(約21 m高，周圍空曠開闊)進(jìn)行。在比對(duì)試驗(yàn)過程中，各種儀器設(shè)備的采樣頭高度基本位于同一水平線上，且各采樣器的采樣頭之間水平距離均>1.5 m。

3.3 測(cè)試時(shí)間

比對(duì)測(cè)試時(shí)間為2015年9月14日—10月20日，共采樣30 d，期間有部分時(shí)段儀器維護(hù)，5臺(tái)參與比對(duì)測(cè)試的設(shè)備同時(shí)有效采樣天數(shù)為25 d。采樣時(shí)間從當(dāng)日10:00—次日09:00結(jié)束，每次采樣時(shí)間23 h。

3.4 測(cè)試過程及質(zhì)量控制

(1) 每張濾膜使用前均需用光照檢查，不得使用有針孔或有任何缺陷的濾膜采樣；

(2) 濾膜采樣前在恒溫恒濕條件下平衡24 h，溫度控制在20℃，控溫精度±1℃，相對(duì)濕度控制在50%，由自動(dòng)稱量系統(tǒng)稱重，同一濾膜在相同條件下平衡1 h后再稱重一次，取2次稱重平均值，讀數(shù)準(zhǔn)確至0 .01 mg，記下濾膜編號(hào)和重量，將濾膜置于濾膜保護(hù)盒中備用，平衡、稱重和質(zhì)控嚴(yán)格按照《環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5和PM10)手工監(jiān)測(cè)方法》(HJ 618—2011)的要求進(jìn)行；

(3) 正式采樣前，對(duì)各參與比對(duì)試驗(yàn)的采樣器按照儀器規(guī)定的不同流量范圍，分別利用BIOS流量計(jì)進(jìn)行實(shí)際流量校準(zhǔn)；

(4) 采樣時(shí)，按照各儀器規(guī)定的工作條件，安裝濾膜，檢查系統(tǒng)氣密性，完成系統(tǒng)自檢后，調(diào)節(jié)工作流量開始采樣；

(5) 采樣過程中，記錄采樣累積體積、環(huán)境溫度、大氣壓等參數(shù)；

(6) 采樣結(jié)束后，小心將濾膜從采樣器上取下，避免其他顆粒物的污染，需要稱重的濾膜在恒溫恒濕條件下平衡24 h，溫度、濕度控制和空白濾膜平衡時(shí)一致，自動(dòng)稱量系統(tǒng)稱重，記錄；

(7) 采樣分析嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)顆粒物采樣規(guī)范執(zhí)行。定期對(duì)切割器進(jìn)行清洗，累計(jì)采樣7 d洗一次切割器；累計(jì)采樣7 d用流量校準(zhǔn)器檢查一次流量，若流量測(cè)量誤差超過采樣器設(shè)定流量的±2%，對(duì)采樣流量進(jìn)行校準(zhǔn)。在采樣期間共進(jìn)行了5次流量檢查，國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口采樣器的流量測(cè)量誤差為-1.5%～1.2%。

4 結(jié)果與討論

為比較不同設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異，對(duì)3臺(tái)PQ 200單通道手工采樣器和2臺(tái)自主研發(fā)的PMS多通道手工采樣器測(cè)值取平均，整個(gè)采樣期間各采樣器變化趨勢(shì)基本一致，具體情況見圖2。比對(duì)測(cè)試期間5臺(tái)儀器測(cè)得的PM2.5日均值為19.3～144 μg/m3，PQ 200、PMS 1、PMS 2采樣器測(cè)得PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為60.8,59.9和59.9 μg/m3，整體結(jié)果比較接近。

《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)采樣器技術(shù)要求及檢測(cè)方法》(HJ 93—2013)對(duì)單通道PM2.5采樣器的技術(shù)要求及檢測(cè)方法進(jìn)行了規(guī)定[14]，但目前尚未發(fā)布相應(yīng)的針對(duì)多通道采樣器的標(biāo)準(zhǔn)。比對(duì)測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)參考單通道PM2.5采樣器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將多通道采樣器的每個(gè)采樣通道視為單臺(tái)采樣器，具體的計(jì)算方法參考《HJ 93—2013》中的相關(guān)規(guī)定。

3臺(tái)參比采樣器(PQ 200)的采樣結(jié)果如表1所示。由表1可見，進(jìn)口的單通道采樣器性能較好，3臺(tái)采樣器25組樣品質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大為2.64 μg/m3，滿足<5 μg/m3的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

2臺(tái)多通道采樣器監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2，其中A、B、C、D分別為4個(gè)通道，2臺(tái)儀器的平行性分別為12.0%和11.9%，符合≤15%的標(biāo)準(zhǔn)要求，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為10.96和10.34 μg/m3。進(jìn)口采樣器的平行性和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.1%和1.72 μg/m3，與之相比，國(guó)產(chǎn)采樣器的精密度還有一定的差距。

圖2 多通道采樣器和參比采樣器PM2.5監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

采樣日期PQ200-1102PQ200-1103PQ200-1104采樣體積/m3ρ/(μg·m-3)采樣體積/m3ρ/(μg·m-3)采樣體積/m3ρ/(μg·m-3)ρ平均/(μg·m-3)標(biāo)準(zhǔn)偏差/(μg·m-3)09-1521.3839.821.3835.821.2338.237.92.0009-1721.2161.821.2162.021.2259.261.01.5809-1821.2080.221.2278.221.2176.978.41.6809-1921.2046.021.2049.821.2045.146.92.5009-2121.1639.721.1536.421.1540.438.82.1409-2221.2135.421.1935.621.2031.434.12.3909-2321.2345.021.2242.421.2242.743.41.4209-2521.2567.121.2468.321.2465.066.81.6709-2621.1366.021.1462.221.1563.463.91.9509-2821.2635.721.2635.321.2639.536.92.3209-2921.1126.521.1224.221.1225.125.31.2009-3021.0220.221.0123.321.0120.021.21.8610-0121.4745.921.4943.121.4841.243.42.3610-0221.4140.621.4142.021.4038.840.51.6310-0321.2469.421.2371.421.2168.669.81.4210-0521.5062.621.5160.721.5161.661.60.9610-0621.4350.421.4350.221.4348.849.80.8810-0821.5141.121.5240.921.5242.841.61.0110-0921.4662.921.4667.821.4566.765.82.5610-1021.3843.721.3839.821.3741.441.62.0010-1321.52102.521.52106.221.51106.0104.92.0910-1421.50147.021.49143.321.50141.9144.02.6410-1521.45136.621.44136.921.44136.9136.80.1710-1621.41104.621.41103.021.40102.6103.41.0910-1921.4573.921.4571.121.4571.372.11.55

表2 多通道采樣器監(jiān)測(cè)結(jié)果 μg/m3

續(xù)表

將PQ200采樣器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與多通道采樣器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析[14]，回歸曲線的斜率k和回歸曲線截距b見圖3、圖4。2臺(tái)多通道采樣器共8個(gè)通道的斜率k和截距b值分別為0.903～0.982和1.345～4.908，相關(guān)系數(shù)r為0.967～0.985，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的斜率為(1±0.1)、截距為(0±5)μg/m3、相關(guān)系數(shù)≥0.93的要求。比對(duì)測(cè)試結(jié)果表明，自主研發(fā)的多通道采樣器達(dá)到《HJ 93—2013》中比對(duì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品可滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

圖3 多通道PM2.5采樣器(PMS 1)與參比采樣器相關(guān)性

圖4 多通道PM2.5采樣器(PMS 2)與參比采樣器相關(guān)性

5 結(jié)語

自主設(shè)計(jì)的多通道大氣顆粒物采樣器可同時(shí)采集4個(gè)通道的大氣PM2.5樣品，可通過軟件靈活配置采樣通道的開啟。每個(gè)通道單獨(dú)設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)，采用閉環(huán)反饋技術(shù)，通過比例閥、流量傳感器及流量控制板共同控制和校正采樣流量，保證通道流量的穩(wěn)定性，提高采樣精度。與進(jìn)口的單通道采樣器(BGI PQ 200)進(jìn)行了為期30 d的比對(duì)測(cè)試。結(jié)果表明，斜率、截距和相關(guān)系數(shù)均符合《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)采樣器技術(shù)要求及檢測(cè)方法》的要求，可滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

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欄目編輯 胡偉 周立平

DesignandPerformanceTestComparedwithImportedSamplerofaMulti-ChannelPM2.5Sampler

ZHENG Xian- jue1，SHEN Jian- dong1*，HE Xi1，HUA Dao- zhu2，XU Kai- er1，ZHANG Hai- yang1，ZHONG Qi3，YANG Kai3，YE Hua- jun2

(1.HangzhouEnvironmentalMonitoringCenter，Hangzhou，Zhejiang310007，China；2.FocusedPhotonicsInc.，Hangzhou,Zhejiang310052,China；3.ChinaNationalEnvironmentalMonitoringCenter，Beijing100012,China)

10.3969/j.issn.1674- 6732.2017.05.010

X851

B

1674- 6732(2017)05- 0040- 05

2017-02-10；

2017-03-01

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2012 YQ 060147)

鄭仙玨(1970—)，男，高級(jí)工程師，本科，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

*通訊作者：沈建東 E-mail:7724522@qq.com