重量法测定环境空气中细颗粒物的不确定度评定

姬明晓+苏爱华

作者简介：姬明晓（1982—），男，河南南阳人,助理工程师,主要从事环境监测质量管理工作。

通讯作者：苏爱华（1982—）,女,福建人,硕士,工程师,主要从事环境监测质量管理工作。

署,并取得了一定的成效。但我国大气污染问题是长期积累形成的,治理好大气污染任务重、难度大,必须付出长期艰苦的努力,从整个区域大气污染状况出发,统一规划并综合运用各种防治措施,才可能有效地控制大气污染。

参考文献：

［1］ 青岛市环境保护局.2012年青岛市环境状况公报［EB/OL］.［2013,06,04］.http://cms.qingdao.gov.cn/n14746/n14836/n14873/n14876/c6180573/content.html.

［2］ 大连市环境保护局.2012年大连市环境状况公报［N］.大连日报,2013,06,04(A04).

［3］ 南京市环境保护局.2012年南京市环境状况公报［N］.南京日报,2013,06,05(A06).

［4］ 杭州市环境保护局.2012年杭州市环境状况公报［N］.杭州日报,2013,06,05(B1).

［5］ 宁波市环境保护局.2012年宁波市环境状况公报［N］.宁波日报,2013,06,03(A06).2.2.2切割器参数

TH-PM2.5-100型,50%切割粒径:Da50=(2.5±0.2)μm;捕集效率的几何标准偏差:σg=1.2±0.1。

2.2.3中流量总悬浮微粒大气采样器

TH-150C型,据说明书,流量准确度为±2.5%;流量稳定性为±3%;时间误差1‰内,在-20~50℃范围内,温度测量示值误差±2℃。在80~106kPa范围内,大气压测量示值误差≤1kPa［4］。

2.2.4分析天平

岛津分析天平:0~42g,天平校准证书显示,天平校准结果的不确定度U≤0.5e,k=2,e=10d。

2.2.5基础监测数据

平均温度19.0℃,平均大气压为101.0kPa,空白滤膜重量为0.34655g,PM2.5监测结果为0.060mg/m3。

3建立数学模型

依据HJ 618-2011的规定,环境空气中PM2.5测定建立数学模型如下:

ρ=w2-w1V×1000。

式中:ρ为PM2.5浓度,mg/m3;w2为尘膜重量,g;w1为空白滤膜重量,g;V为标准状态下的累积采样体积,m3。

4不确定度分析

从数据模型可以看出,环境空气中PM2.5的不确定度主要受到滤膜上截留的颗粒物重量以及标准状态下采样体积的影响。

4.1对滤膜上截留颗粒物重量引起的不确定度进行具体分析

4.1.1滤膜特性

根据滤膜出厂技术参数,对于0.3μm标准离子的截留效率为99.99%(国标规定要求在99%以上),可认为能产生最大0.01%范围内的偏差,取均匀分布,计算不确定度为:

U效率re1=0.01%3=0.0058%。

滤膜使用时,在气流速度为0.45m/s时,抽取经过高效过滤器净化的空气5h,每平方厘米玻璃纤维滤膜失重不大于0.012mg［6］,本次使用滤膜直径为90mm,则滤膜面积为63.6cm2,滤膜损失为0.764mg。本次采样时间为20h,因滤膜损失范围为0~3.04mg,区间半宽为1.52mg,取均匀分布,计算不确定度为:

U损失rel=1.52÷1000÷0.34655×100%3=0.253%。

则滤膜的合成相对不确定度为:

U滤膜rel=U效率rel2+U损失rel2=0.0058%2+0.253%2=0.253%。

4.1.2切割器切割性能

依据切割器性能原始资料,查阅《空气和废气监测分析方法指南》,美国环保局认为,PM10切割点偏差为±10%。PM2.5与PM10的切割器相比,由于其质量分布小,PM2.5设计偏差应该低于PM10切割器切割点公差,因此也认为最大偏差为±10%,取均匀分布,故PM2.5切割器引起的不确定度为:

U切割rel2=10%3=5.774%。

4.1.3分析天平偏差

根据天平校准证书,U≤0.5e,k=2,e=10d。天平单次称量的相对不确定度为:

urel(w1)=u(w1)m=0.5e÷20.34655×1000×100%=00072%。

因需称量空膜和尘膜,两次称量相互独立,两次称量不确定度相同,则两次称量之差因天平称量引起的合成不确定度为:

u称量差rel=2urel(w1)=2×0.0072%=0.0102%。

4.1.4恒重湿度变化

称量条件中要求,温度相同的条件下,湿度在45%~55%范围内,湿度允许变化范围为10。《环境湿度对重量法中流量空气中悬浮颗粒物测定的影响及对策》一文中提到,在相同温度下,称量湿度在54%和48%的条件下(湿度变化范围6),10次数据最大相对偏差为0055%。假设在方法允许的湿度条件下,湿度变化对重量变化成正相关,预估湿度引起称重的不确定度为:

U湿度rel=0.055%÷6×102=0.0458%。

4.1.5细颗粒物PM2.5滤膜截留重量引起的合成相对不确定度

计算为:

Uwrel=U滤膜rel+U切割rel+U称量差rel+U湿度rel=0.253%2+5.774%2+0.0102%2+0.0458%2=5780%。

4.2标准状态下采样体积引起的不确定度分析与评定

建立标态采样体积数据模型如下:

V=Vt×T0T×PP0=Q×60×Lt×273273+t×P101.325。

V为标准状态下的采样体积,m3;Vt为实际采样体积,m3;Q为采样流量,m3/min;Lt为累计采样时间,h;T0为标准状态的绝对温度,273K;T为采样时的绝对温度(273+t),K;t为采样时的温度,℃;P0为标准状态的大气压力,101.325kPa;P为采样时的大气压力,kPa。

仪器流量Q准确度引起不确定度。取均匀分布,则:

UQ1rel=2.5%3=1.443%。

仪器流量Q稳定性引起的不确定度取均匀分布,则:

UQ2rel=3.0%3=1.732%。

时间Lt引起的不确定度。取均匀分布,则:

ULtrel=0.1%3=00577%。

温度t最大误差引起的不确定度。取均匀分布,则:

Utrel=2÷(273+19.0)×100%3=0.3954%。

大气压P最大误差引起的不确定度。取均匀分布,则:

Uprel=1÷101.0×100%3=0.5716%。

标态下采样体积的合成不确定度。

UVrel=U2Q1rel+U2Q2rel+U2Ltrel+U2trel+U2prel=

1.443%2+1.732%2+0.0577%2+0.3954%2+0.5716%2=5.570%。

本次环境空气中PM2.5浓度不确定度分量汇总表见表1。

4.4合成标准不确定度

GB3095-2012中规定至少20h,周期较长,采样环境本身变化较大,本次评定不考虑结果重复性带来的不确定度。则细颗粒物PM2.5测量的相对合成标准不确定度为:Uρrel=Uvrel+Uwrel=5.570%2+5.780%2=8.03%。

细颗粒物PM2.5测量的合成标准不确定度为:Uρ=ρ×Uρrel=0.06×8.03%=0.0048mg/m3。

表1PM2.5浓度不确定度分量汇总

不确定度分量来源相对不确

定度/%合成相对不

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确定度/%分担率

/%滤膜上截留的滤膜特性0.00585.78050.9颗粒物重量切割器切割性能5.774分析天平误差0.0102滤膜的恒重0.0058恒重湿度变化0.0458标准状态下采样仪器流量准确度1.4435.57049.1体积仪器流量稳定性1.732时间0.0577温度0.3954大气压0.5716

4.5扩展不确定度

上海市某月环境空气中细颗粒物PM2.5的扩展不确定度为:U=k×Uρ=2×0.0048=0.0096mg/m3。

取置信概率近似95%,包含因子k=2细颗粒物PM2.5浓度表示为:ρ=ρ±U=(0.060±0.0096)mg/m3。

2014年5月绿色科技第5期5结语

从本次环境空气中PM2.5浓度的评定中可以看出,滤膜上截留的颗粒物重量引起的不确定度分量分担率为50.9%,标准状态下采样体积引起的不确定度分量分担率为49.1%,两者比值接近1∶1,因此想要提高PM2.5测定的准确性,这两方面都要兼顾,尤其需要关注的是,切割器切割性能对于PM2.5测量的不确定度影响。

结合实践经验,提出如下几个建议,希望能给广大环境工作者在做PM2.5监测过程中适当参考:尽量选择经过认证的可靠的切割器;当做多点监测,尽量选用同一品牌的切割器和中流量采样器;切割器均匀涂抹凡士林,根据使用情况,需要及时清理捕集板积灰,保证切割器的切割性能;定期对仪器流量计进行校准;用标准温度计、大气压力表和与仪器自带传感器进行比对,如差异过大,标明修正系数,对标况体积进行修正。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示［S］.北京:中国标准出版社,2012.

［2］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.HJ 618-2011 环境空气 PM10和PM2.5的测定 重量法［S］.北京:中国标准出版社,2011.

［3］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.HJ 93-2013 环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)采样器技术要求及检测方法［S］.北京:中国标准出版社,2013.

［4］ 《空气和废气监测分析方法指南》编委会.空气和废气监测分析方法指南(上册)［M］.北京:中国环境科学出版社,2006.

［5］ 王双森,王琨,韩世鹏.环境湿度对重量法中流量空气中悬浮颗粒物测定的影响及对策［J］.北方环境,2005(5):85,95.

［6］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.HJ/T 194-2005《环境空气质量手工监测技术规范》［S］.

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