有機(jī)碳元素碳在線分析儀的使用與維護(hù)

胡剛　楚國棟

摘要：有機(jī)碳（OC）和元素碳（EC）是PM2.5的重要組成成分，其連續(xù)在線監(jiān)測對于研究大氣化學(xué)反應(yīng)和污染物的源解析有重要意義。本文以中科天融公司自主研發(fā)的TR20N9型大氣有機(jī)碳無機(jī)碳在線分析儀為例，對其工作原理、運(yùn)行維護(hù)和故障維修等方面進(jìn)行了介紹和總結(jié)，為其他使用該類儀器的用戶提供參考和支持。

關(guān)鍵詞：有機(jī)碳；無機(jī)碳；在線監(jiān)測；維護(hù)

0引言

碳質(zhì)組分是大氣氣溶膠的重要組成成分，已有的研究結(jié)果表明：氣溶膠中的碳質(zhì)組分的含量一般占細(xì)粒子（PM2.5）質(zhì)量濃度的10-70%，占PMIO質(zhì)量濃度的25-35%：占總懸浮顆粒物（TSP）質(zhì)量濃度的15-25%。碳質(zhì)組分包括有機(jī)碳（organic carbon，OC）、元素碳（elemental carbon，EC）和少量碳酸鹽（carbonate carbon，CC）。含碳顆粒物能通過直接、間接作用于輻射強(qiáng)迫，影響區(qū)域、全球氣候變化：OC的光散射作用和EC的強(qiáng)吸光作用可不同程度地降低大氣能見度：OC中還含有大量致癌、致畸和致突變物質(zhì)，嚴(yán)重影響人類生命健康安全。因此，科學(xué)、準(zhǔn)確并且連續(xù)在線監(jiān)測大氣中的OC和EC的含量，對于研究碳顆粒物的形成機(jī)制，研究大氣化學(xué)反應(yīng)和污染物的源解析具有重要的意義。

中科天融（北京）科技有限公司（以下簡稱“中科”）自主研發(fā)的TR20N9型大氣有機(jī)碳元素碳在線分析儀（以下簡稱“大氣OCEC在線分析儀”），其性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，滿足國內(nèi)科學(xué)需要。筆者通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對該儀器的工作原理、工作流程和日常保養(yǎng)與維護(hù)等方面進(jìn)行總結(jié)和介紹，以期為相關(guān)的的用戶人員提供參考。

1儀器簡介

1.1儀器原理

TR20N9型大氣OCEC在線分析儀主要由采樣系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、激光檢測系統(tǒng)和CO2檢測系統(tǒng)組成。其中采樣系統(tǒng)包括PM2.5切割器、采樣泵和溶蝕器（吸收大氣中的VOC）組成：激光檢測系統(tǒng)包括透射法（TOT）和反射法（TOR），由激光器和對應(yīng)光電池組成：分析系統(tǒng)由石英爐和溫控系統(tǒng)組成：Co2檢測系統(tǒng)主要為NDIR檢測器（非分散紅外檢測技術(shù)）。儀器流程由計(jì)算機(jī)控制。

大氣OCEC在線分析儀的分析流程為：采樣泵以10L/min的流量抽取大氣樣品，通過切割器和溶蝕器后，被吸附在石英膜上。經(jīng)過設(shè)定時(shí)間的采集后，通入氦氣，在無氧環(huán)境下通過梯度升溫程序升溫至850℃。在此過程中，較易揮發(fā)的OC物質(zhì)從采樣膜上釋放，難揮發(fā)的OC則會在高溫條件下發(fā)生熱解，一部分炭化后轉(zhuǎn)化為EC，一部分揮發(fā)后隨氣流進(jìn)入氧化爐內(nèi)，在Mn02的催化作用下與O2混合氧化為CO2，CO2隨氣流進(jìn)入NDIR檢測器中被檢測。隨后控制溫度開始冷卻，經(jīng)過設(shè)定時(shí)間后，通入氦氣，氧氣混合氣進(jìn)行二次程序升溫至850℃。在升溫的過程中，石英膜上的EC會不斷被氧化，產(chǎn)物從膜上釋放并隨載氣進(jìn)入氧化爐中，同樣在MnO2的催化作用下被氧化為CO2，并進(jìn)入NDIR檢測器內(nèi)檢測。在整個(gè)過程中，有一束激光打在石英膜的正中心，同時(shí)檢測反射信號和透射信號。當(dāng)激光信號分別達(dá)到初始設(shè)定值時(shí)，定義這是時(shí)間點(diǎn)為OC和EC的反射/透射切割點(diǎn)，即切割點(diǎn)前為反射/透射OC，切割點(diǎn)后為反射/透射EC。測試譜圖如圖l所示。儀器每次分析接受后，通過通入定量的氦氣/甲烷混合氣對儀器進(jìn)行內(nèi)標(biāo)定，標(biāo)定后的標(biāo)準(zhǔn)濃度與實(shí)際的測量濃度經(jīng)過計(jì)算來修正。這樣可保證每個(gè)采樣分析和標(biāo)定分析相關(guān)聯(lián)，減少儀器系統(tǒng)誤差。

1.2主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

此外，正常監(jiān)測時(shí)需要符合有效期的高純氦氣（99.999%）、氦氣氧氣混合氣（10%氧氣）、氦氣甲烷混合氣（5%甲烷）3種標(biāo)準(zhǔn)氣體。

2儀器維護(hù)與校準(zhǔn)

2.1儀器維護(hù)

①換膜：原則上每周更換一次，重污染情況下應(yīng)縮短換膜時(shí)間，依具體情況而定。

②切割器：正常情況下需每月對切割器進(jìn)行清理，重污染天氣應(yīng)縮短清理頻率。

③鋼瓶氣壓力：每周檢查一次鋼瓶壓力。主要檢查高純氦氣，當(dāng)鋼瓶氣壓力小于IMPa時(shí)，需進(jìn)行更換。

④溶蝕器：每半年需更換溶蝕器內(nèi)部的活性炭，以去除揮發(fā)性有機(jī)物對于監(jiān)測的干擾。

⑤儀器需定期校準(zhǔn)一次采樣流量。

2.2儀器校準(zhǔn)

儀器每月需使用標(biāo)準(zhǔn)濃度的蔗糖溶液進(jìn)行例行外標(biāo)校準(zhǔn)。若儀器更換過石英爐、檢測器、標(biāo)準(zhǔn)氣體等重要部件時(shí)，也需進(jìn)行外標(biāo)校準(zhǔn)，以保證儀器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，具體操作如下：

①在儀器石英襯管前段平放一枚石英膜。將石英襯管連接完畢，保證不漏氣。

②儀器服務(wù)菜單中，點(diǎn)擊“標(biāo)準(zhǔn)樣品”按鈕，此時(shí)儀器執(zhí)行0分鐘采樣程序，點(diǎn)擊首頁面上開始按鈕，進(jìn)行石英膜雜志清除工作。

③分析結(jié)束后，使用10uL的精密進(jìn)樣針吸取標(biāo)準(zhǔn)濃度的蔗糖溶液，小心將溶液滴在水平放置的石英膜的中心附近。連接好石英襯管。

④點(diǎn)擊開始按鈕，儀器測試。

⑤分析結(jié)束后，重復(fù)步驟3，測試6次。

⑥分析數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)后，計(jì)算平均值，作為最后的實(shí)測值，與理論值進(jìn)行比較，若絕對誤差達(dá)到5%以上，則應(yīng)調(diào)整儀器的校準(zhǔn)系數(shù)。

2.3注意事項(xiàng)

①換膜后，要進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)樣品”操作，去除石英膜上的雜質(zhì)，保證監(jiān)測值的準(zhǔn)確性。

②定期觀察儀器測試過程中的腔體壓力值、反射/透射激光值和升溫曲線等各項(xiàng)參數(shù)，保障儀器正常運(yùn)行。

③定期觀察溶蝕器下端的玻璃管內(nèi)的冷凝水收集情況，及時(shí)排掉冷卻水。同時(shí)避免空調(diào)直吹采樣管。

④定期備份數(shù)據(jù)，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3常見故障及解決辦法

3.1溫度顯示不正確

當(dāng)發(fā)現(xiàn)儀器測試過程中，氧化爐或者解析爐的溫控器的溫度保持室溫或者上升很慢，或者查看歷史數(shù)據(jù)譜圖時(shí)發(fā)現(xiàn)溫控曲線不是梯度控溫，而是一條直線時(shí)，則考慮爐絲接觸不良或者熔斷。應(yīng)使用萬用表檢測電阻絲兩端電阻，若阻值為40Ω左右，則為爐絲接觸不良：若阻值不能檢測，則爐絲熔斷，需更換爐絲。

若溫控器顯示“AL01”，則表示溫控故障。應(yīng)檢查熱電偶連線是否斷開或者虛接：檢查熱電偶是否熔斷。

3.2檢測器信號波動(dòng)

測試過程中，檢測器信號上下波動(dòng)幅度較大，應(yīng)判斷為檢測器故障，需進(jìn)行檢測器更換。

3.3儀器報(bào)錯(cuò)甲烷流量異常

儀器報(bào)錯(cuò)甲烷流量異常，即分析測試結(jié)束前，沒有出現(xiàn)用于內(nèi)標(biāo)的甲烷峰，有以下幾種可能：①六通閥故障，導(dǎo)致甲烷定量環(huán)失效；②儀器漏氣，導(dǎo)致甲烷氣逸散至空氣中。需定期檢查儀器氣密性和各零部件的工作情況。

3.4腔體壓力低

儀器腔體壓力低，主要原因?yàn)椋孩賰x器漏氣；②氦氣氣壓不足。需定期檢查儀器氣密性和氣體鋼瓶總壓，及時(shí)更換載氣。

3.5采樣流量不正常

當(dāng)采樣流量低的時(shí)候，應(yīng)檢查采樣泵是否在正常工作狀態(tài)。若泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，可進(jìn)行泵的負(fù)壓測試，以確保泵的抽力滿足要求：檢查切割器是否及時(shí)清理，使用流量計(jì)進(jìn)行定期流量校準(zhǔn)。

3.6反射和透射切割點(diǎn)重合

檢查歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，反射和透射的切割點(diǎn)重合的情況出現(xiàn)頻率較高，則應(yīng)考慮更換石英膜。

3.7激光信號異常

測試過程中，發(fā)現(xiàn)激光信號過低，且信號值不隨溫度變化而變化，則應(yīng)等儀器正常測試完畢后，檢查豎直石英膜是否出現(xiàn)漏洞或者傾斜。

4結(jié)語

中科公司自主研發(fā)的TR20N9型大氣OCEC在線分析儀，是具有自主知識產(chǎn)權(quán)，達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平的一款用于大氣OCEC在線監(jiān)測儀器。該儀器運(yùn)行維護(hù)簡單，與進(jìn)口RT-4型OCEC半連續(xù)分析儀比對數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，數(shù)據(jù)合理可靠。

本文對儀器安裝使用過程中的維護(hù)和常見故障及處理方法進(jìn)行了總結(jié)，有助于環(huán)境監(jiān)測人員了解和熟悉該儀器，提高對其日維護(hù)水平，從而為更大范圍開展OCEC的自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)提供支持。endprint