硅胶除湿法提高振荡天平法PM2.5分析仪的准确性研究

张 涛， 师建中， 岳玎利， 周 炎， 钟流举

(广东省环境监测中心国家环境保护区域空气质量监测重点实验室，广东广州 510308)



硅胶除湿法提高振荡天平法PM2.5分析仪的准确性研究

张 涛， 师建中*， 岳玎利， 周 炎， 钟流举

(广东省环境监测中心国家环境保护区域空气质量监测重点实验室，广东广州 510308)

摘要以珠三角区域大气复合污染立体监测网络中大气超级站为观测点，利用自主研发的气溶胶连续除湿装置，采用硅胶除湿方式提高振荡天平法PM2.5分析仪准确度的原理和方法，分析了振荡天平法PM2.5浓度测值误差产生的原因。通过比对试验，验证了该方法的技术可行性，有效解决了振荡天平法PM2.5颗粒物在线监测的连续除湿问题，特别是在潮热天气等相对湿度较大的情况下具有明显优势。

关键词振荡天平法；气溶胶连续除湿装置；硅胶除湿

2012年《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)发布至今，空气质量自动监测站普遍配备了颗粒物分析仪，用于实时监测环境空气中的可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)。微量振荡天平法颗粒物分析仪观测大气颗粒物过程中易受环境大气湿度和滤膜中吸附水汽的影响[1-2]，美国赛默飞世尔公司生产的1405 型振荡天平法(Tapered Element Oscillating Micro balance，TEOM)颗粒物分析仪中的滤膜称量室设定温度高于环境温度(50 ℃)，以排除湿度对监测结果的影响。但是，由于滤膜称量室温度高于实际环境温度，会使附集在滤膜上颗粒物中的低挥发性物质快速挥发，导致所测量的颗粒物质量浓度偏低。这是振荡天平法颗粒物分析仪监测结果存在负误差的主要原因。

美国赛默飞世尔公司为克服实际应用中1405 型振荡天平法(TEOM)颗粒物分析仪与手工滤膜采样秤量法数据对比存在的负误差，采用了“膜补偿”技术[3]。然而，在实际应用中，特别是我国沿海及低海拔地区，“膜补偿”技术装置因日常维护标定操作过于复杂、频繁，稳定性、耐用性难以适应监测技术标准要求，已较少在空气质量自动监测站装配使用[4]。

气溶胶连续除湿装置[5]是一种以硅胶除湿的方式提高振荡天平法PM2.5分析仪准确度的方法，可以避免滤膜低挥发性物质的挥发，从而得到满足技术标准要求的PM2.5浓度数据。为验证这一方法的可行性，笔者于2015年12月至2016年1月在珠三角区域大气复合污染立体监测网络中大气超级站进行连续观测，通过分析比对加装除湿装置与未加装除湿装置的测量数据，验证了加装除湿装置的颗粒物分析仪测量值的准确性，旨在为大气PM2.5的准确监测及提高我国空气质量提供理论支持。

1材料与方法

1.1比对地点与时间观测站点为珠三角区域大气复合污染立体监测网络中大气超级站(112.929° E，22.728° N，海拔60 m)，位于广东省江门市桃源镇富源村花果山，分别距广州市、佛山市和江门市80、50和30 km。该站点位于珠三角污染排放较密集的广佛地区下风向，区域大气氧化性较高。比对时间为2015年12月4日至2016年1月25日。

图1　气溶胶连续除湿装置气路示意Fig.1　Pneumatic schematic diagram of aerosol continuous dehumidification device

1.2测量设备PM2.5的观测仪器为微量振荡天平TEOM(型号：1405)和β射线法(型号：SHARP 5030)(美国赛默飞世尔公司)，气象条件观测仪器为瑞典维萨拉(型号：WTX520)。

1.3分析方法以2012年5月通过中国环境监测总站PM2.5监测适用性第1阶段比对测试的β射线法为基准值，以5030表示，加装除湿装置的振荡天平法PM2.5分析仪测值以TEOM A表示，未加除湿装置的测值以TEOM B表示。

观测期间，按照《区域空气质量监测网络质量管理体系与标准操作程序》[6]等规范和著作的要求进行质量控制和质量保证，对观测设备进行全面维护检查和校准，确保数据的准确性。

1.4气溶胶连续除湿装置的工作原理

气溶胶连续除湿装置[5]工作原理见图1。用吸水硅胶颗粒填充2个圆柱体，通过左路与右路的切换，实现硅胶的再生、除湿。

2结果与分析

图2　观测期间PM2.5浓度、相对湿度与降雨量的变化趋势Fig. 2　Change trend of the PM2.5 concentration with relative humidity and precipitation during the observation period

2.1比对期间的整体情况从图2可以看出，比对期间，PM2.5的浓度为12～107 g/m3，共有4 d超过国家2级标准浓度限值(75 μg/m3)，其中12月20～22日超标。气象条件方面，相对湿度为35%～85%，日降雨量最大为46.5 mm(2016年1月5日)。连续的降雨过程，往往会导致相对湿度同步出现高值。2.2加装连续除湿装置前后的测值比对从图3可以看出，无论是整个比对期间还是降雨天气、高湿度天气(相对湿度>70%)，TEOM A与TEOM B两者均呈显著相关。由表1可知，观测期间，TEOM A的平均值为46 μg/m3，TEOM B为39 μg/m3，TEOM A为TEOM B的1.18倍；降雨天气，TEOM A的PM2.5平均值为42 μg/m3，TEOM B为36 μg/m3，TEOM A为TEOM B的1.14倍；高湿度天气，TEOM A的PM2.5平均值为48 μg/m3，TEOM B为41 μg/m3，TEOM A为TEOM B的1.17倍。5030测值在不同天气条件下均比TEOM B测值大，尤其是在降雨天气和高湿度天气，5030测值分别是TEOM B的1.17、1.15倍。总体来说，不同气象条件下，加装连续除湿装置的TEOM在测值水平上明显高于未加装连续除湿装置的TEOM，而TEOM A与5030测值较为相近。

图3　观测期间TEOM A与TEOM B的PM2.5浓度测值比对Fig. 3　Comparison of the measured values of PM2.5 concentration between TEOM A and TEOM B during observation period

μg/m3

3结论

该研究分析了振荡天平法PM2.5浓度测值产生误差的原因，并利用自主研发的一款气溶胶连续除湿装置，提出了以硅胶除湿方式提高振荡天平法PM2.5分析仪准确度的原理和方法，并利用所测数据间的比对，验证了该方法的技术可行性，有效解决了振荡天平法PM2.5颗粒物在线监测的连续除湿问题，特别是在潮热天气等相对湿度较大的情况下具有明显优势。该方法与美国赛默飞尔公司1405-FDMS型PM2.5分析仪比较，具有日常维护简单、运行稳定、成本较低的特点[3-4]。

参考文献

[1] 屈文军,张小曳,王丹,等.湿度变化对TEOM®1400a系列环境颗粒物监测仪PM10质量浓度观测的影响[J].中国粉体技术,2006,2(1):1-3.

[2] 师建中,陈丹青.PM2.5监测数据质量主要影响因素和控制方法探讨[J].绿色科技,2012(5):179-183.

[3] 美国赛默飞世尔公司.1405F监测仪说明书[Z].2009.

[4] 元洁.TEOM1405F型PM2.5颗粒物分析仪校准方法的建立[J].安徽农业科学,2015,43(20): 236-237.

[5] 岳玎利,周炎,师建中,等.一种气溶胶连续在线除湿装置：中国，200142048362[P].2015-01-07.

[6] 钟流举,袁鸾,区宇波,等.区域空气质量监测网络质量管理体系与标准操作程序[M].广州:广东科技出版社,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

基金项目广州市珠江科技新星专项 (201506010079);国家科技支撑计划(2014BAC21B01)。

作者简介张涛(1984- )，男，安徽临泉人，工程师，硕士，从事大气化学与地气交换研究。*通讯作者，教授级高级工程师，从事大气环境自动监测研究。

收稿日期2016-02-02

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)08-078-03