硅膠除濕法提高振蕩天平法PM2.5分析儀的準確性研究

張 濤， 師建中， 岳玎利， 周 炎， 鐘流舉

(廣東省環境監測中心國家環境保護區域空氣質量監測重點實驗室，廣東廣州 510308)

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硅膠除濕法提高振蕩天平法PM2.5分析儀的準確性研究

張 濤， 師建中*， 岳玎利， 周 炎， 鐘流舉

(廣東省環境監測中心國家環境保護區域空氣質量監測重點實驗室，廣東廣州 510308)

摘要以珠三角區域大氣復合污染立體監測網絡中大氣超級站為觀測點，利用自主研發的氣溶膠連續除濕裝置，采用硅膠除濕方式提高振蕩天平法PM2.5分析儀準確度的原理和方法，分析了振蕩天平法PM2.5濃度測值誤差產生的原因。通過比對試驗，驗證了該方法的技術可行性，有效解決了振蕩天平法PM2.5顆粒物在線監測的連續除濕問題，特別是在潮熱天氣等相對濕度較大的情況下具有明顯優勢。

關鍵詞振蕩天平法；氣溶膠連續除濕裝置；硅膠除濕

2012年《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)發布至今，空氣質量自動監測站普遍配備了顆粒物分析儀，用于實時監測環境空氣中的可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)。微量振蕩天平法顆粒物分析儀觀測大氣顆粒物過程中易受環境大氣濕度和濾膜中吸附水汽的影響[1-2]，美國賽默飛世爾公司生產的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定溫度高于環境溫度(50 ℃)，以排除濕度對監測結果的影響。但是，由于濾膜稱量室溫度高于實際環境溫度，會使附集在濾膜上顆粒物中的低揮發性物質快速揮發，導致所測量的顆粒物質量濃度偏低。這是振蕩天平法顆粒物分析儀監測結果存在負誤差的主要原因。

美國賽默飛世爾公司為克服實際應用中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據對比存在的負誤差，采用了“膜補償”技術[3]。然而，在實際應用中，特別是我國沿海及低海拔地區，“膜補償”技術裝置因日常維護標定操作過于復雜、頻繁，穩定性、耐用性難以適應監測技術標準要求，已較少在空氣質量自動監測站裝配使用[4]。

氣溶膠連續除濕裝置[5]是一種以硅膠除濕的方式提高振蕩天平法PM2.5分析儀準確度的方法，可以避免濾膜低揮發性物質的揮發，從而得到滿足技術標準要求的PM2.5濃度數據。為驗證這一方法的可行性，筆者于2015年12月至2016年1月在珠三角區域大氣復合污染立體監測網絡中大氣超級站進行連續觀測，通過分析比對加裝除濕裝置與未加裝除濕裝置的測量數據，驗證了加裝除濕裝置的顆粒物分析儀測量值的準確性，旨在為大氣PM2.5的準確監測及提高我國空氣質量提供理論支持。

1材料與方法

1.1比對地點與時間觀測站點為珠三角區域大氣復合污染立體監測網絡中大氣超級站(112.929° E，22.728° N，海拔60 m)，位于廣東省江門市桃源鎮富源村花果山，分別距廣州市、佛山市和江門市80、50和30 km。該站點位于珠三角污染排放較密集的廣佛地區下風向，區域大氣氧化性較高。比對時間為2015年12月4日至2016年1月25日。

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

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

1.3分析方法以2012年5月通過中國環境監測總站PM2.5監測適用性第1階段比對測試的β射線法為基準值，以5030表示，加裝除濕裝置的振蕩天平法PM2.5分析儀測值以TEOM A表示，未加除濕裝置的測值以TEOM B表示。

觀測期間，按照《區域空氣質量監測網絡質量管理體系與標準操作程序》[6]等規范和著作的要求進行質量控制和質量保證，對觀測設備進行全面維護檢查和校準，確保數據的準確性。

1.4氣溶膠連續除濕裝置的工作原理

氣溶膠連續除濕裝置[5]工作原理見圖1。用吸水硅膠顆粒填充2個圓柱體，通過左路與右路的切換，實現硅膠的再生、除濕。

2結果與分析

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

2.1比對期間的整體情況從圖2可以看出，比對期間，PM2.5的濃度為12～107 g/m3，共有4 d超過國家2級標準濃度限值(75 μg/m3)，其中12月20～22日超標。氣象條件方面，相對濕度為35%～85%，日降雨量最大為46.5 mm(2016年1月5日)。連續的降雨過程，往往會導致相對濕度同步出現高值。2.2加裝連續除濕裝置前后的測值比對從圖3可以看出，無論是整個比對期間還是降雨天氣、高濕度天氣(相對濕度>70%)，TEOM A與TEOM B兩者均呈顯著相關。由表1可知，觀測期間，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測值在不同天氣條件下均比TEOM B測值大，尤其是在降雨天氣和高濕度天氣，5030測值分別是TEOM B的1.17、1.15倍。總體來說，不同氣象條件下，加裝連續除濕裝置的TEOM在測值水平上明顯高于未加裝連續除濕裝置的TEOM，而TEOM A與5030測值較為相近。

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

μg/m3

3結論

該研究分析了振蕩天平法PM2.5濃度測值產生誤差的原因，并利用自主研發的一款氣溶膠連續除濕裝置，提出了以硅膠除濕方式提高振蕩天平法PM2.5分析儀準確度的原理和方法，并利用所測數據間的比對，驗證了該方法的技術可行性，有效解決了振蕩天平法PM2.5顆粒物在線監測的連續除濕問題，特別是在潮熱天氣等相對濕度較大的情況下具有明顯優勢。該方法與美國賽默飛爾公司1405-FDMS型PM2.5分析儀比較，具有日常維護簡單、運行穩定、成本較低的特點[3-4]。

參考文獻

[1] 屈文軍,張小曳,王丹,等.濕度變化對TEOM?1400a系列環境顆粒物監測儀PM10質量濃度觀測的影響[J].中國粉體技術,2006,2(1):1-3.

[2] 師建中,陳丹青.PM2.5監測數據質量主要影響因素和控制方法探討[J].綠色科技,2012(5):179-183.

[3] 美國賽默飛世爾公司.1405F監測儀說明書[Z].2009.

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

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

[6] 鐘流舉,袁鸞,區宇波,等.區域空氣質量監測網絡質量管理體系與標準操作程序[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

基金項目廣州市珠江科技新星專項 (201506010079);國家科技支撐計劃(2014BAC21B01)。

作者簡介張濤(1984- )，男，安徽臨泉人，工程師，碩士，從事大氣化學與地氣交換研究。*通訊作者，教授級高級工程師，從事大氣環境自動監測研究。

收稿日期2016-02-02

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-078-03