安欣欣

(北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心，北京 100048)

?

有機碳元素碳半連續(xù)分析儀的使用與維護

安欣欣

(北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心，北京 100048)

摘要：細顆粒物(PM2.5)中的有機碳(OC)和元素碳(EC)是PM2.5的重要組成部分，對其進行連續(xù)自動監(jiān)測已經變得非常必要。本文以美國Sunset公司的RT-4型OC、EC半連續(xù)分析儀為例，簡單介紹了儀器的原理、安裝、運行維護和故障維修等方面的內容，為其他用戶使用此種儀器提供了參考依據。

關鍵詞：有機碳；元素碳；原理；維護

1前言

含碳氣溶膠是大氣細顆粒物PM2.5(空氣動力學當量直徑≤2.5μm的顆粒物)的重要組成部分，因各地區(qū)自然條件的差異和污染源排放的不同，其占PM2.5質量濃度的10%～70%，它已經成為城市細顆粒物污染的主要成分[1]。根據存在形式的不同，將其劃分為有機碳(OC)、元素碳(EC)和碳酸鹽碳(CC)。OC是指以有機化合物形式存在的碳。EC是指單質碳，即碳黑，它是由化石燃料或木材等物質的不完全燃燒產生并由污染源直接排放的。CC主要存在于土壤和煤礦飛塵的粗粒子中，其在PM2.5中質量濃度遠小于OC、EC的含量，因此往往忽略不計[2,3]。OC中富含致癌物質和基因毒性誘變物，而EC具有較強的吸附能力，容易成為富集中心和化學反應床，因此會對人類的健康產生很大的威脅。另外，EC與溫室氣體一樣，通過吸收太陽輻射引起地面系統增溫[4-6]。

當今，PM2.5已經成為全社會關注的焦點，因此對其主要組分的OC、EC的連續(xù)監(jiān)測和研究具有非常重要的現實意義。本文主要介紹美國Sunset公司的RT-4型OCEC半連續(xù)分析儀器的原理、安裝和使用，為今后的OC、EC的研究與防治提供一些技術支持。

2儀器簡介

2.1　儀器原理

RT-4型OCEC半連續(xù)分析儀是由一個采樣泵以8L/min的流量抽取大氣中的樣品，樣品被吸附在石英過濾膜上，經過設定的時間采集后，在氦氣(He)的非氧化環(huán)境中通過梯度升溫程序使爐溫逐步達到850 ℃，OC物質被加熱揮發(fā)，同時有一部分OC被碳化為EC；此后樣品又在氦氣/氧氣混合氣(He/O2)環(huán)境中逐級升溫至850 ℃，該過程中EC被徹底氧化分解為氣態(tài)氧化物；這兩個步驟中的分解產物都將隨著載氣經過二氧化錳(MnO2)爐被轉化為二氧化碳(CO2)，由非分散紅外吸收法(NDIR)定量檢測。在整個分析的過程中有一束激光透射過石英濾膜，激光光束的最初吸收率被記錄下來，隨著溫度梯度的升高，激光的吸收率實時地記錄在數據系統中，OC的任何碳化都會導致激光強度的減弱。當He被切換成He/O2混合氣后，所有的EC都將被氧化，激光透射強度也會回到最初水平。當透射光的強度恢復到起始強度時，定義這一時間點為OC、EC 分割點，亦即此前檢測到的碳量為OC，其后檢測到的碳量為EC。在儀器每次分析結束前，通過外部的氦氣/甲烷(He/CH4)的混合氣對于儀器進行標定，進行標定后的標準濃度與實際的測量濃度經過計算來修正每次測量的濃度結果。這樣也就使的每個采樣分析和標定分析相關聯，來進一步減少儀器所產生的誤差，使數據結果更加準確、可信[7]。

2.2　儀器的安裝與連接

圖1為RT-4型OCEC半連續(xù)分析儀的后面板的示意圖，需要連接的電路和氣路全部位于后面板上。

其中1：樣品氣入口。用3/8英寸的干凈的不銹鋼管(或銅管)連接后面板的“Sample inlet”接口，作為連接儀器的進樣管路。3/8英寸的不銹鋼管一直通往室外，與儀器配備的PM2.5采樣頭連接、固定好。

2：儀器與計算機連接口。用于傳輸計算機對于儀器的控制指令。

3：載氣連接口。儀器共需要3種載氣，從左到右分別為He、He/O2、He/CH4，用直徑為1/8英寸的不銹鋼管路與鋼瓶連接。其中He至少要有99.999%以上的高純度，He/O2是由10%的O2和90%的He混合而成，He/CH4是由5%的CH4和95%的He混合而成，同時保證載氣輸出壓力在10 psi左右。

4：NDIR檢測器傳輸接口。用于把紅外檢測器的信號傳輸到計算機。

5：遠程控制泵端口。用于輸出指令來控制泵是否工作。

6：泵接口。用1/4英寸的Teflon管連接儀器后面板的“Vacuum pump”端口到緩沖瓶的出口。

7: 電源接口。220V電源入口。

圖1　儀器后面板圖

圖2為與儀器連接的緩沖瓶，緩沖瓶一邊與儀器連接，一邊與采樣泵連接。它由儀器控制線遠程控制電源開關，來控制泵與電磁閥的工作。

圖2　儀器的緩沖瓶

3日常維護要點

3.1　儀器的維護周期

(1)石英濾膜：每周更換一次，重污染的情況下要增加更換頻率。

(2)鋼瓶氣壓力：每周檢查一次鋼瓶壓力，保證鋼瓶氣壓力大于250psi，二級減壓閥的壓力在10psi左右。如果鋼瓶氣的壓力接近250psi，就要進行鋼瓶氣的更換。

(3)采樣切割器：正常情況下每月拆下采樣切割器進行清理，重污染過后要進行及時清理。

(4)溶蝕器：每半年更換溶蝕器內活性碳網，以去除大氣中揮發(fā)性有機物對于監(jiān)測的影響。

(5)試漏和流量檢查：每半年進行一次試漏測試和流量檢查。

3.2　儀器的校準

為了確保儀器數據的準確可靠，儀器每月都要使用標準的蔗糖溶液進行外標校準。當儀器更換了重要的部件后，如檢測器、標準氣體等，也要進行校準。具體的校準方法如下：

(1)準備標準蔗糖溶液：用天平稱量1g蔗糖，并準確地放入200mL容量瓶中，溶解并用去離子水稀釋，溶液濃度為2.103μg C/μL。倒出一部分標準溶液進行校準，把剩余的標準蔗糖溶液儲存在冰箱里。

(2)在儀器正常啟動后，使用打孔器打出3個合適尺寸的石英膜片。

(3)分別把2個石英膜片按照平時采樣的要求豎直放置好，然后再將第3個石英膜片水平放置在石英襯管前端，連接石英襯管，裝好儀器操作控制蓋。

(4)使用儀器菜單中的清洗石英爐的設置Run-Clean Oven，將石英濾膜上的雜質在高溫條件下清理干凈。

(5)當前爐溫度降低到90℃以下時，取出石英襯管，使用10μL進樣器取標準蔗糖溶液，小心地把標準蔗糖溶液滴到石英襯管前端水平放置的第3個石英膜片上。然后連接石英襯管，裝好儀器操作控制蓋。

(6)選擇0分鐘采樣程序，點擊軟件界面上的分析按鈕start analysis。

(7)等待分析結束后，重復第5步和第6步程序6次。

(8)查看6次結果，剔除結果中的異常數據，分析異常原因，然后計算幾個數據的平均值，作為最后的實測值，與理論值進行比較，如果超出規(guī)定的±5%，則相應調整儀器的校準系數[8]。

3.3　日常運行中的注意事項

(1)在每次更換完石英濾膜后，要進行清爐的操作，以清除掉濾膜上的雜質，保障監(jiān)測的準確有效。并在清爐過后，進行空白值測試，保證空白值的濃度在0.3 μg C以內。

(2)定期檢查儀器內部的壓力、前后爐溫度、激光顯示值等各項參數，保障儀器的正常運行。當激光顯示值偏低的時候，可適當的進行石英襯管的清理和激光檢測器的清理。

(3)定期要使用干凈的空氣對采樣管路進行清理，以保證儀器管路的干凈、無污染。

(4)定期要進行數據的備份和處理工作，如發(fā)現異常數據，要進行數據的再分析。使用數據分析軟件查看異常數據的圖譜，以確定當時數據的準確性。

(5)注意實驗室內的溫度，以防室內外溫差過大導致采樣管路冷凝水，同時避免空調直吹采樣管路。

4常見故障和解決方法

4.1　前爐溫度或后爐溫度顯示不正確

當發(fā)現儀器的前爐或后爐溫度顯示不正確，首先應該判斷是加熱爐絲的故障還是測溫熱電偶的故障。如果發(fā)現儀器的前爐或者后爐應該加熱到850℃，卻還保持在室溫上下，沒有升溫的跡象，由此可以判斷應該是加熱爐絲的問題。如果發(fā)現儀器的前爐溫度或者后爐溫度顯示-1000 ℃，可以判斷應該是測溫熱電偶的問題。

4.2　檢測器數值跳動

當儀器在分析過程中，其NDIR檢測器輸出值跳動范圍非常大，且圖譜上的檢測出現的峰值上下變化幅度大，應該判斷為檢測器故障，進行檢測器的更換。

4.3　采樣流量不正常

當儀器的采樣流量低的時候，應該檢查泵是否在正常工作狀態(tài)。如果泵運轉正常，可進行泵的負壓測試，以確保泵的抽力滿足采樣要求。同時可以使用標準的流量計進行流量檢查，以確定是流量傳感器的問題還是儀器內部氣路出現阻塞的情況發(fā)生。

4.4　軟件時常報錯，程序無法運行

儀器的工作軟件應該安裝在Windows英文版的操作系統下。如果安裝在中文操作系統里，有可能軟件時常出現報錯信息，導致儀器無法正常工作，更換英文操作系統就能解決。

4.5　內標的CH4峰出現問題

如果在儀器分析結束前，沒有出現用于內標的CH4峰，可能是由于控制內標峰的電磁閥出現故障，未能使內標氣進入管路到達檢測器進行分析。如果是內標峰出現了延遲、拖尾的現象，可能是由于管路漏氣導致CH4氣沒能按時到達檢測器進行分析。

5結束語

美國Sunset公司的RT-4型OCEC半連續(xù)分析儀器，是當今國內、外大氣綜合觀測中最廣泛使用的OC、EC在線監(jiān)測儀器。該儀器利用熱、光透射的原理，運行維護相對比較簡單。本文通過對該儀器安裝使用和常見故障處理方法的總結，有助于使環(huán)境監(jiān)測人員了解和熟悉OC、EC的自動監(jiān)測技術，提高對其日常維護的水平，從而為在更大的范圍內開展OC、EC的自動監(jiān)測提供技術上的支持。

參考文獻

[1] 王東方，高松，段玉森，等.上海中心城區(qū)冬季PM2.5中有機碳和元素碳組成變化特征[J].環(huán)境科學與技術,2012,35(7):55-58,72.

[2] 顏鵬，郇寧，張養(yǎng)梅，等．北京鄉(xiāng)村地區(qū)分粒徑氣溶膠OC及EC分析[J]．應用氣象學報，2012，23(3)：285—293.

[3] 胡敏，鄧志強．王軼，等．膜采樣離線分析與在線測定大氣細粒子中元素碳和有機碳的比較[J]．環(huán)境科學，2008，29(12)：3298-3302．

[4] 段鳳魁，賀克斌，劉咸德，等.含碳氣溶膠研究進展：有機碳和元素碳[J].環(huán)境工程學報，2007，1(8):1-8.

[5] 謝紹東，于淼，姜明．2006．有機氣溶膠的來源與形成研究現狀[J]．環(huán)境科學學報，26(12)：1933-1939.

[6] 孟昭陽，張懷德，蔣曉明，等.太原冬季PM2.5中有機碳和元素碳的變化特征[J]. 應用氣象學報，2007，18(4)：524—531.

[7] Sunset Laboratory Ins.Semi-Continuous OCEC Field Instrument Manual, Version 6.4 . 2-3.

[8] 鐘流舉，袁鸞，區(qū)宇波，等.區(qū)域空氣質量監(jiān)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，2013：347-349.

儀器使用與維修

Use and maintenance of semi-continuous OCEC carbon aerosol analyzer.

AnXinxin

(BeijingMunicipalEnvironmentalMonitoringCenter,Beijing100048,China)

Abstract:Organic carbon and elemental carbon are the most important portion of the fine particle, it is necessary to monitor them. This paper used semi-continuous OCEC carbon aerosol analyzer manufactured by Sunset company in USA as the example to introduce the theory, installation, maintenance and repairment, which gave the reference for operating the analyzer.

Key words：organic carbon; elemental carbon; theory; maintenance

收稿日期：2014-10-13

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.02.020

作者簡介：安欣欣，男，1980年出生，工程師，主要從事環(huán)境空氣污染物的監(jiān)測與分析工作，E-mail：anxinxin2002@163.com。