基于擴散定律的Willems型大氣二氧化氮被動采樣器的制作

(沈陽化工大學 遼寧 沈陽 110000)

NO2是主要大氣污染物，危害人體健康，影響對流層中O3、過氧乙酰基硝酸酯(PAN)、HNO3、二次細顆粒物等污染物。為保護人體健康和生態環境安全，需準確監測大氣NO2濃度，提出有效防治措施。大氣NO2的監測方法可分為主動法和被動法。主動法監測頻率高、準確度高，但主動法分析儀器沉重而昂貴，需要電力、校準和專業維護。被動法能夠有效克服上述缺點，適合大規模監測點的同步監測工作。被動法監測NO2濃度在國外應用已十分廣泛，但在國內應用仍十分有限，取樣器仍依賴進口，監測成本居高不下。為此，本次工作嘗試根據文獻資料，自制Willems型被動取樣器，并初步驗證其監測效果，為我國研發NO2等大氣污染物被動監測技術提供參考。

一、實驗部分

(一)采樣器結構：Willems型大氣NO2被動取樣器由七部分組成(見圖1)。其中深14 mm瓶體、6 mm間隔環，3 mm擋風膜固定環和取樣器蓋子由一內徑28 mm、深54 mm、帶內蓋的聚苯乙烯瓶加工制成。在擋風膜和吸收介質間形成距離6 mm擴散層，擋風膜能夠有效消除取樣期間空氣湍流對該擴散層的影響。

圖1 Willems型大氣NO2被動取樣器剖面示意圖

1、尼龍粘貼扣(用于野外固定、放置取樣器)，2、瓶體，3、吸收介質，4、間隔環，5、擋風膜，6、膜固定環，7、密封蓋。

(三)吸收介質反應原理：NO2被動取樣器多以三乙醇胺作為吸收劑。三乙醇胺具有吸濕性，能夠吸收大氣中水蒸氣，三乙醇胺與NO2反應生成配合物，溶于水可生成亞硝酸根，通常情況下其轉化率接近100%。

(四)取樣器制作：在取樣器組裝前把各組件清洗干凈，取樣器在手套箱內組裝。在手套箱前安裝了前過濾裝置，有效除去干擾雜質。配置10%(V/V)的三乙醇胺-丙酮溶液，在手套箱里將清洗干凈的玻璃纖維膜放到其中浸漬并拿出，15分鐘左右可以干透后開始組裝。組裝后取樣器放入樂扣保鮮密封盒，套上自封袋冷藏保存。

(五)初步評價實驗：在沈陽化工大學南門校園內設置了4個樣點，于2017年7月1日在每個樣點距地面1.7 m高度放置3個取樣器，留存3個野外空白樣品，于2017年7月28日收回取樣器，暴露取樣時間為四個星期。

二、結果與討論

本次實驗有四個采樣點和一個野外空白，暴露取樣時間為2.4192×106s。用5ml純水提取得到平均值(mg/L)分別為6.342、6.686、4.269、4.426空白為0.024。標準差(mg/L)分別為1.092、2.002、0.410、0.049空白為0.006.變異系數分別為0.172、0.299、0.096、0.011空白為0.236。得到大氣NO2濃度近似值(μg/m3)為39.60、41.75、26.66、27.64。得到可見，制備取樣器野外空白濃度很低，接近SmartChem140儀器檢出限(0.01 mg/L)。各監測樣點三個重復樣測試數據的變異系數很低，說明自制取樣器尺寸基本一致，質量較好。而且，不同監測點監測數據有明顯差異，說明制備取樣器能夠有效反應大氣NO2空間分布趨勢。

三、結論

本次工作參考相關文獻，完成了Willems型大氣NO2被動取樣器清洗、室內組裝、野外監測、室內測試和數據統計分析工作。通過嚴格的實驗操作步驟和質量控制措施，制備的取樣器本底濃度低，取樣器尺寸基本一致，監測數據可信度高，能夠有效揭示月尺度大氣NO2空間分布特征。通過自制被動取樣器，能夠顯著降低監測成本。本次工作為下一步用主動法校正該取樣器擴散阻力打下基礎，為我國推廣被動法監測大氣污染物濃度提供有價值的參考。