空氣質量監測中標準狀態對測定結果的影響及建議

李虹杰，孫 焰，祁士華，李愷驊，范新峰，李金平

1.武漢市天虹儀表有限責任公司，湖北 武漢 430223 2.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074

空氣質量監測中標準狀態對測定結果的影響及建議

李虹杰1，孫 焰2，祁士華2，李愷驊1，范新峰1，李金平1

1.武漢市天虹儀表有限責任公司，湖北 武漢 430223 2.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074

環境空氣質量標準中各種污染物的濃度限值是評價、考核空氣質量狀況的基本依據。為了保證在不同時空、不同環境狀況下監測數據的可比性，各個國家或組織在制定的空氣質量標準中對標準狀態(溫度和壓力)進行了定義。但是，由于標準狀態定義不同，即使是同一環境狀況下的同一實測結果進行標化計算后的污染物濃度也不相同，達不到可比性的基本原則。因此,建議中國在未來修訂空氣質量標準所采用的標準狀態，進一步與國際接軌。

標準狀態；環境空氣；質量標準；濃度限值

環境空氣質量標準是國家空氣質量管理工作的出發點和歸結點[1]，旨在保護環境，保護人體健康，防治大氣污染，中國環境空氣質量標準的形成、制定、實施以及發展與大氣污染狀況的變化形勢、控制目標和國情相適應，并且是與中國環境立法和環境事業同步發展的[2]。

中國新的環境空氣質量標準調整了污染物項目及限值，增設了PM2.5平均濃度限值和臭氧8 h平均濃度限值；收緊了PM10等污染物的濃度限值；收嚴了監測數據統計的有效性規定，將有效數據要求由原來的50%～75%提高至75%～90%；更新了二氧化硫、二氧化氮、臭氧、顆粒物等污染物項目的分析方法；明確了標準分期實施的規定。總體而言，實現了與國際的接軌，但污染物濃度的計量標準與其他國家有不同，不同標準狀態下氣體體積不同，其空氣質量濃度會有所區別，不利于學術上的相互比對。

20世紀以來，國內外環境空氣質量標準已取得新的進展，很多學者通過對國外環境基準體系框架的構成和已有研究成果的分析，提出了中國環境空氣質量基準研究框架與體系的構建[3-4]。但主要是就污染物項目、標準形式及濃度閾值等進行分析比較，對于是否在同一氣體狀態卻鮮有提及。在不同氣體狀態下，污染物濃度閾值也將會有所區別，因此本文主要通過對不同國家的氣體標準狀態進行研究來分析其對濃度的影響，以期為未來中國空氣質量濃度計量的標準狀態的修訂提出意見和建議。

1 環境體系中氣體標準狀態

關于氣體標準狀態的確切含義是“某種純氣體或混合氣體中所含某些組分的標準狀態, 就是指假想的有效壓力等于101.325 kPa時該純氣體或該組分單獨存在的理想氣體的狀態”。溫度沒有特別指明，因此對溫度可以有無限多個物質的標準態[5]。

標準條件的溫度和壓力是在標準的實驗測量的條件下建立的，允許不同數據間的比較。一般常用的標準是國際理論與應用化學聯合會(IUPAC)和美國國家標準與技術研究院(NIST)建立的，但并不被普遍接受。

在化學上，IUPAC建立了2個標準[6]：標準溫度和壓力(STP)是指溫度為273.15K(0 ℃)，絕對壓力為100 kPa；標準環境溫度和壓力(SATP)是指溫度為298.15K(25 ℃)，絕對壓力為100 kPa。不同組織機構和國家的標準狀態的建立都有所區別，表1是各組織機構建立的標準狀態。

表1 不同組織機構定義的標準狀態

美國環保署規定環境空氣中無機化合物測定的標準狀態為298 K，101.325 kPa[20]，美國、日本和國家全球監測系統內的標準狀態是指25 ℃，101.325 kPa[21]。在化學熱力學中, IUPAC推薦優先選擇298.15 K作為參考溫度,目前在有關化學手冊中查到的幾乎都是25 ℃下的標準狀態數據[22]。中國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中指出中國的標準狀態是溫度為273 K，壓力為101.325 kPa[23]。

2 標態的定義對顆粒物污染評價的影響

《環境空氣顆粒物(PM2.5)手工監測方法(重量法)技術規范》(HJ 656—2013)中標準狀態為273 K，壓力為101.325 kPa，美國《Compendium of Methods for the Determination of Inorganic Compounds in Ambient Air》中指出顆粒物濃度計量標準狀態為298 K(25 ℃)，101.325 kPa(760 mmHg)，在同一工況條件下用不同溫度的標準狀態計算的顆粒物濃度值不同。濃度是關于T的一個函數，因此在273 K下濃度計量值會比298 K的濃度計量值高出9.16%，見公式(1)。

(1)

式中：C標為標況下顆粒物濃度，μg/m3；Δm為顆粒物總質量,μg；V標為標況下氣體體積，m3；V工況為實際工況條件下的體積，m3；P標況為標準狀態下的大氣壓強，kPa;P工況為實際工況狀態下的大氣壓強，kPa;T工況為實際工況下的溫度，K；T標況為標準狀態所定義的溫度，K。

假設在中國與美國使用同一采樣器測量大氣中顆粒物的濃度，采樣累計V工況=24 m3,P工況=P標況=101.325 kPa,T工況=273 K，Δm=1 800 μg。

若將標準狀態定義為T標況=298 K(25 ℃)，P標況=101.325 kPa ,在此標準狀態下計算出的顆粒物的濃度：

按照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)將標準狀態定義為T標況=273 K(0 ℃)，P標況=101.325 kPa，計算標準狀態下的濃度：

顯然，在同樣的顆粒物工況濃度下，最終公布的標況濃度卻不同，相比之下，在298 K下濃度計量值會比273 K下的濃度計量值低8.39%。即在273 K下濃度計量值會比298 K下的濃度計量值高9.16% 。

3 溫度定義對氣體污染物濃度的影響

現今大部分氣體檢測儀器測得的氣體濃度是體積濃度(ppb),而《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)規定氣體污染物濃度單位為μg/m3,因此在進行計量結果時需要換算。但不同標準狀態下其計量結果不同。表2體現了1 ppb氣體污染物在不同溫度狀態下的質量濃度。

表2 1 ppb氣體污染物在不同溫度狀態下的質量濃度 μg/m3

從表2可知，不同氣體污染物不同溫度標準狀態下其質量濃度是不同的，與標準狀態的溫度和氣體污染物的相對分子質量有關。當標準狀態溫度越高時，其1 ppm的質量濃度越小，化合物相對分子質量越大，質量濃度越大。在不同溫度的標準狀態下對氣體污染物的計量結果與顆粒物的計量結果相同，實質是關于標準狀態溫度的變化，標準狀態為273 K，101.325 kPa比標準狀態為298 K，101.325 kPa下計量濃度高9.16%。因此溫度差異會對氣體污染物造成與顆粒物相同的影響。

PV=nRT

(2)

(3)

式中：P為氣體壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體物質的量,mol；T為體系溫度，K；R為比例系數，常數為8.314 J/(mol·K)；C為氣體濃度，g/m3；m為氣體質量，g；M為相對分子質量，g/mol。

氣體污染物的標定采用標準氣來進行，標準氣均采用的是體積濃度單位(ppm或ppb)，這樣在換算成質量濃度時，會因使用的參考溫度不同，換算出的系數也不一樣。

4 標態定義對標準中污染物濃度限值的影響

美國、歐盟等發達國家和組織相關標準與中國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中污染物濃度限值都主要是參考WHO空氣質量準則濃度標準確定的，但是美國、歐盟的空氣質量濃度的計量標準和中國有所區別。中國標準狀態定義為273 K，101.325 kPa，而美國、日本等環境控制標準狀態為298 K，101.325 kPa，也就是說，標準中應用的濃度限值相同，實際上監測濃度標化計算后的濃度有差異。

中國空氣質量標準在273 K狀態下規定的濃度限值，若按298 K標態修正的話，則需乘以系數0.916，或者說，中國的標準限值在數值相同的情況下，比相關國家或組織限值的嚴格程度要高9.16%。

將PM2.5、PM10，SO2、NO2和O3等幾種常見污染物進行比較來討論溫度不同對濃度閾值的影響，見表3。現將美國、歐盟、日本、WHO和中國的濃度閾值在同一標準狀態下進行比較，美國、WHO等空氣質量標準的制定是以保護公眾健康為準則，美國的空氣質量標準分初級和次級，初級對象主要是公眾健康，次級是自然環境，初級與中國二級標準相適應，因此選取初級閾值進行對比分析[24]。

表3 環境空氣質量標準中主要污染項目濃度限值的對比[25-27] μg/m3

注：“—”表示無此項。

圖1進一步展示了不同國家或組織空氣質量濃度閾值的對比情況。如圖1(a)所示，若按照298 K，101.325 kPa計算，中國二級標準相對于美國、歐盟、日本均偏高，中國一級標準低于日本及歐盟，日均值低于美國，年均值高于美國。

如圖1(b)所示，若按統一標準狀態換算，中國二級標準將略低于美國，一級標準低于歐盟、日本和美國，二級標準低于WHO過渡期第一階段目標值，一級標準日均值低于WHO準則值。

中國SO2日平均濃度一級標準是參考WHO過渡期第二階段目標值設定的，如圖1(c)所示，若在同一標準狀態下對比，中國一級標準濃度值將低于WHO過渡期第二階段目標值，一級標準相對于美國、日本及歐盟偏低，二級標準值高于美國、日本和歐盟。

如圖1(d)所示，若按照同一標準狀態(298 K，101.325 kPa)換算，可知其值均低于美國、歐盟及WHO，日均值低于日本。因此，在同一標準狀態下，中國NO2濃度標準嚴于美國、歐盟及WHO。

如圖1(e)所示，O3濃度值高于美國和歐盟，將其在同一標準狀態下換算，二級標準高于美國和歐盟，一級標準值高于歐盟，與美國持平。

圖1 不同國家或組織空氣質量濃度閾值的對比

總體而言，中國以公眾健康為保護對象的二級標準與WHO準則相差較遠。不同標準狀態下其空氣質量濃度不同，當把中國空氣質量濃度值采用與別國相同的標準狀態進行換算，中國空氣質量濃度值均低于參考的WHO目標值，其NO2濃度標準嚴于美國、歐盟，PM2.5濃度值標準嚴于美國。因此，在不同標準狀態下將空氣質量濃度進行對比分析可能導致判斷結果有誤，需要在同一標準下進行計量后再判斷。

5 中國實際溫度

中國2015年年均溫度為10.5℃，其中冬季(2014年12月—2015年2月)平均溫度為-2.3 ℃，春季(3—5月)平均溫度為11.4 ℃，夏季(6—8月)平均溫度為21.2 ℃，秋季(9—11月)平均溫度為10.7 ℃。中國年平均溫度高于0 ℃，除冬季外，季度平均溫度均高于0 ℃[28]。圖2為中國1961—2015年全國平均溫度變化情況。由圖2可知，平均溫度均高于8 ℃，且呈不斷走高趨勢，因此將中國空氣質量濃度在標準狀態298 K，101.325 kPa下進行換算是可行的。這也將有利于各國污染物濃度進行對比，與國際接軌。

圖2 1961—2015年全國平均溫度歷年變化

6 結論

在進行大氣環境監測時，為進行比較和統計，都是將不同工況污染物濃度換算成同一溫度下(一般是標況)的大氣污染物濃度進行計量。不同國家或組織定義的氣體標準狀態有所區別，其氣體質量濃度也不同。在標準狀態為273 K，101.325 kPa條件下其氣體質量濃度比標準狀態為298 K，101.325 kPa高9.16%。不管是顆粒物濃度值還是氣體污染物濃度值，在與國際進行接軌時都可以采用系數修正的方式進行修正，再與國際進行比較。

各國環境空氣質量標準主要是參考WHO目標值確定的，中國環境空氣質量標準中規定其標準狀態為273 K，101.325 kPa，美國、日本等規定的標準狀態為298 K，101.325 kPa。在同一標準狀態下，中國空氣污染物濃度閾值低于WHO參考值，其NO2濃度標準嚴于美國、歐盟，PM10、PM2.5濃度標準嚴于美國，但若根據各國標準狀態進行對比，中國NO2濃度限值和歐盟相同，PM2.5與美國持平。這種由于標準狀態不同導致的差異最終會導致對比結果的失真。

中國年平均溫度在8℃以上，高于0 ℃，適用于298 K，101.325 kPa標準狀態，建議中國能夠修訂空氣質量標準及相關氣體檢測方法中的標準狀態。

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Discussion and Advices on the Influence of the Standard Condition on the Results in the Air Condition Monitoring

LI Hongjie1,SUN Yan2,QI Shihua2,LI Kaihua1,FAN Xinfeng1,LI Jinping1

1.Wuhan Tianhong Instruments Co.,Ltd,Wuhan 430223,China 2.School of Environmental Sciences, China University of Geosciences,Wuhan 430074,China

Concentration limits for various pollutants is the fundamental basis to assess the air conditions in the ambient air quality standards. So, to ensure the comparability of the monitoring data in different space and environmental conditions, each country and organization made definition for their own standard condition (temperature and pressure). However, due to the different definition of standard condition, even under the same environmental conditions, the actual measurement results of the pollutants’ concentration after standardized are different, which can not reach the principle of comparability. Therefore, we suggest that China should combine with the international in reformulating standards in the future.

standard condition；ambient air;quality standard;concentration limits

2016-05-21;

2016-08-22

李虹杰(1955-)，男，湖北武漢人，學士，正高級工程師。

范新峰

X830

A

1002-6002(2016)05- 0089- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.17