重量法測定環境空氣中細顆粒物的不確定度評定

姬明曉+蘇愛華

作者簡介：姬明曉（1982—），男，河南南陽人,助理工程師,主要從事環境監測質量管理工作。

通訊作者：蘇愛華（1982—）,女,福建人,碩士,工程師,主要從事環境監測質量管理工作。

署,并取得了一定的成效。但我國大氣污染問題是長期積累形成的,治理好大氣污染任務重、難度大,必須付出長期艱苦的努力,從整個區域大氣污染狀況出發,統一規劃并綜合運用各種防治措施,才可能有效地控制大氣污染。

參考文獻：

［1］ 青島市環境保護局.2012年青島市環境狀況公報［EB/OL］.［2013,06,04］.http://cms.qingdao.gov.cn/n14746/n14836/n14873/n14876/c6180573/content.html.

［2］ 大連市環境保護局.2012年大連市環境狀況公報［N］.大連日報,2013,06,04(A04).

［3］ 南京市環境保護局.2012年南京市環境狀況公報［N］.南京日報,2013,06,05(A06).

［4］ 杭州市環境保護局.2012年杭州市環境狀況公報［N］.杭州日報,2013,06,05(B1).

［5］ 寧波市環境保護局.2012年寧波市環境狀況公報［N］.寧波日報,2013,06,03(A06).2.2.2切割器參數

TH-PM2.5-100型,50%切割粒徑:Da50=(2.5±0.2)μm;捕集效率的幾何標準偏差:σg=1.2±0.1。

2.2.3中流量總懸浮微粒大氣采樣器

TH-150C型,據說明書,流量準確度為±2.5%;流量穩定性為±3%;時間誤差1‰內,在-20~50℃范圍內,溫度測量示值誤差±2℃。在80~106kPa范圍內,大氣壓測量示值誤差≤1kPa［4］。

2.2.4分析天平

島津分析天平:0~42g,天平校準證書顯示,天平校準結果的不確定度U≤0.5e,k=2,e=10d。

2.2.5基礎監測數據

平均溫度19.0℃,平均大氣壓為101.0kPa,空白濾膜重量為0.34655g,PM2.5監測結果為0.060mg/m3。

3建立數學模型

依據HJ 618-2011的規定,環境空氣中PM2.5測定建立數學模型如下:

ρ=w2-w1V×1000。

式中:ρ為PM2.5濃度,mg/m3;w2為塵膜重量,g;w1為空白濾膜重量,g;V為標準狀態下的累積采樣體積,m3。

4不確定度分析

從數據模型可以看出,環境空氣中PM2.5的不確定度主要受到濾膜上截留的顆粒物重量以及標準狀態下采樣體積的影響。

4.1對濾膜上截留顆粒物重量引起的不確定度進行具體分析

4.1.1濾膜特性

根據濾膜出廠技術參數,對于0.3μm標準離子的截留效率為99.99%(國標規定要求在99%以上),可認為能產生最大0.01%范圍內的偏差,取均勻分布,計算不確定度為:

U效率re1=0.01%3=0.0058%。

濾膜使用時,在氣流速度為0.45m/s時,抽取經過高效過濾器凈化的空氣5h,每平方厘米玻璃纖維濾膜失重不大于0.012mg［6］,本次使用濾膜直徑為90mm,則濾膜面積為63.6cm2,濾膜損失為0.764mg。本次采樣時間為20h,因濾膜損失范圍為0~3.04mg,區間半寬為1.52mg,取均勻分布,計算不確定度為:

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

則濾膜的合成相對不確定度為:

U濾膜rel=U效率rel2+U損失rel2=0.0058%2+0.253%2=0.253%。

4.1.2切割器切割性能

依據切割器性能原始資料,查閱《空氣和廢氣監測分析方法指南》,美國環保局認為,PM10切割點偏差為±10%。PM2.5與PM10的切割器相比,由于其質量分布小,PM2.5設計偏差應該低于PM10切割器切割點公差,因此也認為最大偏差為±10%,取均勻分布,故PM2.5切割器引起的不確定度為:

U切割rel2=10%3=5.774%。

4.1.3分析天平偏差

根據天平校準證書,U≤0.5e,k=2,e=10d。天平單次稱量的相對不確定度為:

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

因需稱量空膜和塵膜,兩次稱量相互獨立,兩次稱量不確定度相同,則兩次稱量之差因天平稱量引起的合成不確定度為:

u稱量差rel=2urel(w1)=2×0.0072%=0.0102%。

4.1.4恒重濕度變化

稱量條件中要求,溫度相同的條件下,濕度在45%~55%范圍內,濕度允許變化范圍為10。《環境濕度對重量法中流量空氣中懸浮顆粒物測定的影響及對策》一文中提到,在相同溫度下,稱量濕度在54%和48%的條件下(濕度變化范圍6),10次數據最大相對偏差為0055%。假設在方法允許的濕度條件下,濕度變化對重量變化成正相關,預估濕度引起稱重的不確定度為:

U濕度rel=0.055%÷6×102=0.0458%。

4.1.5細顆粒物PM2.5濾膜截留重量引起的合成相對不確定度

計算為:

Uwrel=U濾膜rel+U切割rel+U稱量差rel+U濕度rel=0.253%2+5.774%2+0.0102%2+0.0458%2=5780%。

4.2標準狀態下采樣體積引起的不確定度分析與評定

建立標態采樣體積數據模型如下:

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

V為標準狀態下的采樣體積,m3;Vt為實際采樣體積,m3;Q為采樣流量,m3/min;Lt為累計采樣時間,h;T0為標準狀態的絕對溫度,273K;T為采樣時的絕對溫度(273+t),K;t為采樣時的溫度,℃;P0為標準狀態的大氣壓力,101.325kPa;P為采樣時的大氣壓力,kPa。

儀器流量Q準確度引起不確定度。取均勻分布,則:

UQ1rel=2.5%3=1.443%。

儀器流量Q穩定性引起的不確定度取均勻分布,則:

UQ2rel=3.0%3=1.732%。

時間Lt引起的不確定度。取均勻分布,則:

ULtrel=0.1%3=00577%。

溫度t最大誤差引起的不確定度。取均勻分布,則:

Utrel=2÷(273+19.0)×100%3=0.3954%。

大氣壓P最大誤差引起的不確定度。取均勻分布,則:

Uprel=1÷101.0×100%3=0.5716%。

標態下采樣體積的合成不確定度。

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

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

本次環境空氣中PM2.5濃度不確定度分量匯總表見表1。

4.4合成標準不確定度

GB3095-2012中規定至少20h,周期較長,采樣環境本身變化較大,本次評定不考慮結果重復性帶來的不確定度。則細顆粒物PM2.5測量的相對合成標準不確定度為:Uρrel=Uvrel+Uwrel=5.570%2+5.780%2=8.03%。

細顆粒物PM2.5測量的合成標準不確定度為:Uρ=ρ×Uρrel=0.06×8.03%=0.0048mg/m3。

表1PM2.5濃度不確定度分量匯總

不確定度分量來源相對不確

定度/%合成相對不

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確定度/%分擔率

/%濾膜上截留的濾膜特性0.00585.78050.9顆粒物重量切割器切割性能5.774分析天平誤差0.0102濾膜的恒重0.0058恒重濕度變化0.0458標準狀態下采樣儀器流量準確度1.4435.57049.1體積儀器流量穩定性1.732時間0.0577溫度0.3954大氣壓0.5716

4.5擴展不確定度

上海市某月環境空氣中細顆粒物PM2.5的擴展不確定度為:U=k×Uρ=2×0.0048=0.0096mg/m3。

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

2014年5月綠色科技第5期5結語

從本次環境空氣中PM2.5濃度的評定中可以看出,濾膜上截留的顆粒物重量引起的不確定度分量分擔率為50.9%,標準狀態下采樣體積引起的不確定度分量分擔率為49.1%,兩者比值接近1∶1,因此想要提高PM2.5測定的準確性,這兩方面都要兼顧,尤其需要關注的是,切割器切割性能對于PM2.5測量的不確定度影響。

結合實踐經驗,提出如下幾個建議,希望能給廣大環境工作者在做PM2.5監測過程中適當參考:盡量選擇經過認證的可靠的切割器;當做多點監測,盡量選用同一品牌的切割器和中流量采樣器;切割器均勻涂抹凡士林,根據使用情況,需要及時清理捕集板積灰,保證切割器的切割性能;定期對儀器流量計進行校準;用標準溫度計、大氣壓力表和與儀器自帶傳感器進行比對,如差異過大,標明修正系數,對標況體積進行修正。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1059.1-2012測量不確定度評定與表示［S］.北京:中國標準出版社,2012.

［2］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.HJ 618-2011 環境空氣 PM10和PM2.5的測定 重量法［S］.北京:中國標準出版社,2011.

［3］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.HJ 93-2013 環境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)采樣器技術要求及檢測方法［S］.北京:中國標準出版社,2013.

［4］ 《空氣和廢氣監測分析方法指南》編委會.空氣和廢氣監測分析方法指南(上冊)［M］.北京:中國環境科學出版社,2006.

［5］ 王雙森,王琨,韓世鵬.環境濕度對重量法中流量空氣中懸浮顆粒物測定的影響及對策［J］.北方環境,2005(5):85,95.

［6］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.HJ/T 194-2005《環境空氣質量手工監測技術規范》［S］.

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