霍新峰 歐陽(yáng)俊

(北京賽克瑪環(huán)保儀器有限公司，北京 102299)

黑碳?xì)馊苣z(以下簡(jiǎn)稱黑碳)是大氣氣溶膠中一種重要的組成部分，主要來(lái)源于含碳物質(zhì)的不完全燃燒[1]，其人為源主要為煤炭、石油等石化燃料的燃燒以及生物質(zhì)燃燒[2]。黑碳在大氣氣溶膠中占比較小，但是它在從可見光到紅外的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)太陽(yáng)輻射均有強(qiáng)烈吸收，黑碳對(duì)氣溶膠光學(xué)吸收的貢獻(xiàn)接近90%[3]黑碳在大氣邊界層上部受熱，使邊界層界面熱流量減少，從而影響污染物垂直擴(kuò)散，導(dǎo)致污染物累積，加劇霧霾形成[4]。大氣中的黑碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，既不能通過(guò)己有污染物反應(yīng)生成，也不能通過(guò)大氣中的化學(xué)反應(yīng)被清除[5],通常只能靠氣象條件使其擴(kuò)散，降低濃度。如風(fēng)速大于2.5m/s時(shí)，有利于空氣中黑碳的擴(kuò)散；此外，降水對(duì)黑碳的清除作用也比較明顯[6，7]。由于黑碳的這種特性，因此黑碳的監(jiān)測(cè)對(duì)評(píng)估空氣質(zhì)量及大氣能見度有積極的意義。

新一代AE33黑碳分析儀,測(cè)量性能優(yōu)異，人機(jī)交互友好，通訊接口豐富，可執(zhí)行常規(guī)性能測(cè)試及驗(yàn)證等操作。該儀器采用的雙點(diǎn)位測(cè)量方法，既可消除“氣溶膠負(fù)載”效應(yīng)產(chǎn)生的影響，又能夠給出實(shí)時(shí)的負(fù)載補(bǔ)償參數(shù)，這些信息不但可以用于分析氣溶膠光學(xué)特性，還能夠在源解析模型中解釋氣溶膠的來(lái)源和老化過(guò)程[8]。以下結(jié)合多年的安裝、維護(hù)維修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)AE33黑碳分析儀的安裝、維護(hù)、質(zhì)量控制作介紹。

1 AE33黑碳分析儀工作原理

雖然黑碳的物理和化學(xué)狀態(tài)復(fù)雜，但是仍可以通過(guò)一定的物理或化學(xué)方法測(cè)量其在大氣中的含量。黑碳中的大多數(shù)碳原子的化學(xué)鍵狀態(tài)是石墨六元環(huán)或近似石墨六元環(huán)，形成大量存在的π鍵電子，因此在特定情況下，黑碳表現(xiàn)出游離碳的特征，能夠在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有效地吸收入射電磁波(光子)。游離碳是已知的具有最寬泛連續(xù)吸收光譜的物質(zhì)之一，在短波端吸收增強(qiáng)，在長(zhǎng)波端吸收減弱。AE33黑碳分析儀利用黑碳的這一特性，通過(guò)測(cè)量氣溶膠樣本的光學(xué)衰減量，確定大氣中黑碳的含量。這種物理測(cè)量方法被稱為光學(xué)衰減測(cè)量法。

黑碳分析儀是根據(jù)大氣氣溶膠光學(xué)吸收特性和相應(yīng)的黑碳質(zhì)量濃度原理研制的。通過(guò)采樣泵連續(xù)抽取含有氣溶膠的樣氣，經(jīng)采樣管路后，氣溶膠沉積在帶有特氟龍涂層的玻璃纖維濾帶上，7個(gè)不同波長(zhǎng)的光(370、470、520、660、880、950nm)同時(shí)測(cè)量通過(guò)含有樣品和空白點(diǎn)作為參考區(qū)域的濾帶的透射，從濾帶上光的衰減量的變化率推導(dǎo)出濾帶上氣溶膠的光學(xué)特性及瞬時(shí)濃度。在880nm波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)定義為黑碳濃度數(shù)據(jù)，其他波段的數(shù)據(jù)可用于源解析[9-13]。黑碳污染在城市中越來(lái)越嚴(yán)重[14-17]，有研究表明，該儀器在識(shí)別生物質(zhì)燃燒和化石燃料燃燒作用明顯[18，19]。

AE33黑碳分析儀從同一采樣口獲取兩個(gè)樣品積累速率不同的采樣點(diǎn)，得到兩個(gè)測(cè)量值。由于兩個(gè)采樣點(diǎn)具有相同的非線性特性，使得產(chǎn)生的飽和度將具有不同的量級(jí)。將兩個(gè)采樣點(diǎn)的測(cè)量結(jié)合起來(lái)可消除非線性，并提供負(fù)載補(bǔ)償系數(shù)和黑碳的質(zhì)量濃度。該測(cè)量方法不需要了解濾帶上氣溶膠的任何特性、是否存在、來(lái)源及其產(chǎn)生的光學(xué)非線性大小[8]。圖1是AE33測(cè)量原理。

圖1 AE33原理示意圖

黑碳儀濃度計(jì)算公式(1)：

式(1)

其中：S：采樣點(diǎn)面積(0.785cm2)

△ATN1：采樣點(diǎn)1的光學(xué)衰減量增量

F1：采樣點(diǎn)1的實(shí)時(shí)采樣流量

ζ：濾帶泄露率(與濾帶型號(hào)有關(guān)，8060型濾帶：0.01)

σair：質(zhì)量吸收界面系數(shù)

C：濾帶散射系數(shù)(與濾帶型號(hào)有關(guān)，8060型濾帶：1.39)

K：負(fù)載補(bǔ)償系數(shù)

ATN1：采樣點(diǎn)1的光學(xué)衰減量

t：采樣周期

特別注意：

1)ATN1(t)=ATN1(t)-ATN1(0),ATN(0)是更換采樣點(diǎn)后濾帶上獲取的第一個(gè)ATN值。

K值加權(quán)處理方程[8]：Kweighted=

2 安裝注意事項(xiàng)

與安裝其他顆粒物分析儀類似，安裝AE33黑碳分析儀時(shí)，需將切割器、采樣管路、防蟲防水罐、數(shù)據(jù)線、電源線等依次連接，同時(shí)需要特別注意以下幾個(gè)方面。

2.1 防水處理

過(guò)墻管需要用中性玻璃密封膠進(jìn)行防水處理，以防由于暴雨導(dǎo)致站房漏水，雨水進(jìn)入到儀器內(nèi)部，導(dǎo)致儀器流量計(jì)損壞。

2.2 防蟲防水罐安裝

為防止儀器在高溫高濕天氣或下雨天時(shí)進(jìn)水，在儀器進(jìn)口處需要安裝防蟲防水罐，在安裝時(shí)要特別注意防蟲防水罐的方向，防止水滴進(jìn)入到儀器內(nèi)部損壞流量計(jì)。

2.3 采樣點(diǎn)間隔調(diào)整

由于濾帶材料的特殊性，濾帶上采樣點(diǎn)的間隔變小，每完成一個(gè)采樣點(diǎn)走紙更換到下一個(gè)干凈采樣點(diǎn)的時(shí)候，原采樣點(diǎn)未能完全離開在采樣狀態(tài)需要壓緊濾帶的光室，導(dǎo)致濾帶采樣點(diǎn)部分重合?？赏ㄟ^(guò)先讓儀器處于待機(jī)狀態(tài)，到OPERATION菜單下的二級(jí)子菜單ADVANCED菜單中找到 TA adjust(%)適當(dāng)調(diào)整采樣點(diǎn)間隔。如圖2(1)所示。

圖2 儀器ADVANCED菜單

2.4 UVPM與BIOMASS BURNING在界面顯示的調(diào)整

黑碳分析儀AE33可以同時(shí)給出7個(gè)不同波段的測(cè)量數(shù)據(jù)及生物質(zhì)燃燒占比的數(shù)據(jù)。在儀器主界面可以同時(shí)顯示BC(880nm數(shù)據(jù))和UVPM(370nm數(shù)據(jù))或者BC和BIOMASS BURNING數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò)先讓儀器處于待機(jī)狀態(tài)，到OPERATION菜單下的二級(jí)子菜單ADVANCED菜單中找到Home disply 進(jìn)行選擇在主菜單中顯示UVPM或者Proc BB。如圖2(2)所示。

3 儀器日常校準(zhǔn)測(cè)試

流量校準(zhǔn)和光學(xué)測(cè)試是AE33黑碳分析儀日常校準(zhǔn)的重點(diǎn)。流量和光學(xué)信號(hào)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，將影響到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。儀器測(cè)量的是所選標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的黑碳濃度，因此環(huán)境溫度，壓力的測(cè)量值會(huì)影響到體積流量和標(biāo)準(zhǔn)流量的轉(zhuǎn)化，因此只需要校準(zhǔn)儀器內(nèi)部流量計(jì)。減少校準(zhǔn)溫度和壓力傳感器的繁瑣過(guò)程，減輕維護(hù)人員的工作量。以下結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，介紹流量校準(zhǔn)及驗(yàn)證、光學(xué)測(cè)試、穩(wěn)定性、清潔空氣測(cè)試、泄露測(cè)試過(guò)程中注意事項(xiàng)：

3.1 流量校準(zhǔn)及驗(yàn)證

在流量校準(zhǔn)過(guò)程中需要使用經(jīng)計(jì)量檢定合格的流量計(jì)(推薦使用BGI_TC5圖3(1))和流量校準(zhǔn)膜圖3(2)。其校準(zhǔn)過(guò)程需注意儀器面板顯示流量的單位是mlpm,而標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)量單位是LPM。因此需要將外置流量計(jì)的測(cè)量值換算成mlpm，然后將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)所測(cè)量值輸入到儀器內(nèi)如圖4(1)。儀器校準(zhǔn)3個(gè)不同點(diǎn)的流量，需要輸入3次不同的流量值。

圖3 BGI_TC5流量計(jì)、流量校準(zhǔn)膜、中性密度光學(xué)濾光片組件

圖4 流量校準(zhǔn)菜單和流量驗(yàn)證結(jié)果顯示菜單

在該儀器中流量校準(zhǔn)和流量驗(yàn)證的注意事項(xiàng)是相同的，不同的是流量驗(yàn)證結(jié)束后給出驗(yàn)證的結(jié)果，如圖4(2)所示。

3.2 泄露測(cè)試

在泄露測(cè)試過(guò)程中需要使用流量計(jì)和流量校準(zhǔn)膜，流量驗(yàn)證時(shí)先測(cè)量濾帶安裝到儀器上的流量，然后測(cè)量流量校準(zhǔn)膜安裝到儀器上的流量。測(cè)試結(jié)束后會(huì)在儀器界面上顯示測(cè)試結(jié)果，并提示是否通過(guò)。

在泄露測(cè)試過(guò)程中測(cè)試結(jié)果偏差超過(guò)10%時(shí)，需要檢查儀器內(nèi)部管路，在排除內(nèi)部管路前提下，需要潤(rùn)滑光室組件，保障光室位置正常。

3.3 光學(xué)測(cè)試

在光學(xué)測(cè)試過(guò)程中需要使用到可追溯到NIST標(biāo)準(zhǔn)的中性密度光學(xué)濾光片組件圖3(3)。測(cè)試過(guò)程以下幾點(diǎn)需要特別注意：1)中性密度光學(xué)濾光片是需要放在濾帶上進(jìn)行測(cè)量，使其模擬濾帶上采樣到的黑碳；2)在進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要輸入中性密度光學(xué)濾光片組件序列號(hào)，不同的組件測(cè)量值是不一樣的；3)中性密度光學(xué)濾光片組件是由4個(gè)已知光學(xué)吸收且光學(xué)吸收逐步增加的玻璃組件構(gòu)成，測(cè)試時(shí)需要按照序列號(hào)依次進(jìn)行。

在光學(xué)測(cè)試過(guò)程中測(cè)試結(jié)果偏差超過(guò)10%，首先需要清理光室以及光源檢測(cè)器，在排除光室及光源檢測(cè)器潔凈的前提下，考慮更換光源或檢測(cè)板。

3.4 穩(wěn)定性測(cè)試

在穩(wěn)定性測(cè)試過(guò)程中不需要使用其他任何輔助工具。測(cè)試結(jié)果在測(cè)試結(jié)束后顯示在界面上，并提示是否通過(guò)。如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

在穩(wěn)定性測(cè)試過(guò)程中如果PPBC61>450 ng/m3，首先需要清理光室以及光源檢測(cè)器，在排除光室及光源檢測(cè)器潔凈的前提下，考慮更換光源或檢測(cè)板。

3.5 清潔空氣測(cè)試

在清潔空氣測(cè)試過(guò)程中，儀器內(nèi)部已安裝一次性過(guò)濾器，無(wú)需在儀器入氣口接一次性過(guò)濾器。測(cè)試結(jié)果在測(cè)試結(jié)束后顯示在儀器界面上，并提示是否通過(guò)。

在清潔空氣測(cè)試過(guò)程中如果PPBC61>550ng/m3，首先需要檢查儀器內(nèi)一次性濾器是否需要更換，然后再清理光室及光源檢測(cè)器，在排除一次性過(guò)濾器，光源及光源檢測(cè)器潔凈的前提下，考慮更換光源或者檢測(cè)器板。

4 儀器日常維護(hù)

4.1 光室清潔

儀器的光室時(shí)儀器的核心部件，在日常維護(hù)過(guò)程中，儀器在其光室保存潔凈狀態(tài)時(shí)可獲得最佳測(cè)試結(jié)果。保持光室及檢測(cè)器的清潔對(duì)黑碳濃度測(cè)量起到重要的作用，根據(jù)各地空氣質(zhì)量情況，合理安排清理光室。清潔光室時(shí)可使用脫脂棉簽沾無(wú)水乙醇進(jìn)行清理，并使用壓縮空氣對(duì)其進(jìn)行吹掃。圖6為長(zhǎng)期使用未及時(shí)清理光室導(dǎo)致的污染，使用該方法清理恢復(fù)正常。

圖6 不潔凈的光室

4.2 切割器清理

黑碳分析儀使用 的切割器是旋風(fēng)式切割器，在5L/M流量下采集PM2.5顆粒物。需要對(duì)切割器進(jìn)行定期清理，保障對(duì)黑碳濃度的最佳觀測(cè)。

4.3 濾帶參數(shù)設(shè)置

不同型號(hào)的濾帶有不同的濾帶參數(shù)，濾帶的參數(shù)參與到黑碳濃度的計(jì)算，在使用濾帶時(shí)需要特別注意濾帶型號(hào)與濾帶參數(shù)是否一致。

5 結(jié)語(yǔ)

AE33黑碳分析儀在國(guó)內(nèi)氣象、科研、高校、環(huán)保領(lǐng)域廣泛使用，該儀器性能穩(wěn)定，故障少，維護(hù)簡(jiǎn)單，深受廣大用戶喜愛。本文根據(jù)自身維修工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，歸納總結(jié)出該儀器的安裝校準(zhǔn)維護(hù)等要點(diǎn)及注意事項(xiàng)，旨在為從事環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)人員及科研人員在黑碳自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面提供參考。