有機(jī)碳元素碳半連續(xù)分析儀的使用與維護(hù)

安欣欣

(北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048)

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有機(jī)碳元素碳半連續(xù)分析儀的使用與維護(hù)

安欣欣

(北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048)

摘要：細(xì)顆粒物(PM2.5)中的有機(jī)碳(OC)和元素碳(EC)是PM2.5的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)已經(jīng)變得非常必要。本文以美國(guó)Sunset公司的RT-4型OC、EC半連續(xù)分析儀為例，簡(jiǎn)單介紹了儀器的原理、安裝、運(yùn)行維護(hù)和故障維修等方面的內(nèi)容，為其他用戶(hù)使用此種儀器提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有機(jī)碳；元素碳；原理；維護(hù)

1前言

含碳?xì)馊苣z是大氣細(xì)顆粒物PM2.5(空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)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(zhì)量濃度的10%～70%，它已經(jīng)成為城市細(xì)顆粒物污染的主要成分[1]。根據(jù)存在形式的不同，將其劃分為有機(jī)碳(OC)、元素碳(EC)和碳酸鹽碳(CC)。OC是指以有機(jī)化合物形式存在的碳。EC是指單質(zhì)碳，即碳黑，它是由化石燃料或木材等物質(zhì)的不完全燃燒產(chǎn)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(zhì)量濃度遠(yuǎn)小于OC、EC的含量，因此往往忽略不計(jì)[2,3]。OC中富含致癌物質(zhì)和基因毒性誘變物，而EC具有較強(qiáng)的吸附能力，容易成為富集中心和化學(xué)反應(yīng)床，因此會(huì)對(duì)人類(lèi)的健康產(chǎn)生很大的威脅。另外，EC與溫室氣體一樣，通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射引起地面系統(tǒng)增溫[4-6]。

當(dāng)今，PM2.5已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，因此對(duì)其主要組分的OC、EC的連續(xù)監(jiān)測(cè)和研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要介紹美國(guó)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(shù)支持。

2儀器簡(jiǎn)介

2.1　儀器原理

RT-4型OCEC半連續(xù)分析儀是由一個(gè)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(guò)濾膜上，經(jīng)過(guò)設(shè)定的時(shí)間采集后，在氦氣(He)的非氧化環(huán)境中通過(guò)梯度升溫程序使?fàn)t溫逐步達(dá)到850 ℃，OC物質(zhì)被加熱揮發(fā)，同時(shí)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(jí)升溫至850 ℃，該過(guò)程中EC被徹底氧化分解為氣態(tài)氧化物；這兩個(gè)步驟中的分解產(chǎn)物都將隨著載氣經(jīng)過(guò)二氧化錳(MnO2)爐被轉(zhuǎn)化為二氧化碳(CO2)，由非分散紅外吸收法(NDIR)定量檢測(cè)。在整個(gè)分析的過(guò)程中有一束激光透射過(guò)石英濾膜，激光光束的最初吸收率被記錄下來(lái)，隨著溫度梯度的升高，激光的吸收率實(shí)時(shí)地記錄在數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，OC的任何碳化都會(huì)導(dǎo)致激光強(qiáng)度的減弱。當(dāng)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(qiáng)度也會(huì)回到最初水平。當(dāng)透射光的強(qiáng)度恢復(fù)到起始強(qiáng)度時(shí)，定義這一時(shí)間點(diǎn)為OC、EC 分割點(diǎn)，亦即此前檢測(cè)到的碳量為OC，其后檢測(cè)到的碳量為EC。在儀器每次分析結(jié)束前，通過(guò)外部的氦氣/甲烷(He/CH4)的混合氣對(duì)于儀器進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)行標(biāo)定后的標(biāo)準(zhǔn)濃度與實(shí)際的測(cè)量濃度經(jīng)過(guò)計(jì)算來(lái)修正每次測(cè)量的濃度結(jié)果。這樣也就使的每個(gè)采樣分析和標(biāo)定分析相關(guān)聯(lián)，來(lái)進(jìn)一步減少儀器所產(chǎn)生的誤差，使數(shù)據(jù)結(jié)果更加準(zhǔn)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(jìn)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(jì)算機(jī)連接口。用于傳輸計(jì)算機(jī)對(duì)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(shí)保證載氣輸出壓力在10 psi左右。

4：NDIR檢測(cè)器傳輸接口。用于把紅外檢測(cè)器的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

5：遠(yuǎn)程控制泵端口。用于輸出指令來(lái)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(xiàn)遠(yuǎn)程控制電源開(kāi)關(guān)，來(lái)控制泵與電磁閥的工作。

圖2　儀器的緩沖瓶

3日常維護(hù)要點(diǎn)

3.1　儀器的維護(hù)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(jí)減壓閥的壓力在10psi左右。如果鋼瓶氣的壓力接近250psi，就要進(jìn)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(jìn)行清理，重污染過(guò)后要進(jìn)行及時(shí)清理。

(4)溶蝕器：每半年更換溶蝕器內(nèi)活性碳網(wǎng)，以去除大氣中揮發(fā)性有機(jī)物對(duì)于監(jiān)測(cè)的影響。

(5)試漏和流量檢查：每半年進(jìn)行一次試漏測(cè)試和流量檢查。

3.2　儀器的校準(zhǔn)

為了確保儀器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，儀器每月都要使用標(biāo)準(zhǔn)的蔗糖溶液進(jìn)行外標(biāo)校準(zhǔn)。當(dāng)儀器更換了重要的部件后，如檢測(cè)器、標(biāo)準(zhǔn)氣體等，也要進(jìn)行校準(zhǔn)。具體的校準(zhǔn)方法如下：

(1)準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)蔗糖溶液：用天平稱(chēng)量1g蔗糖，并準(zhǔn)確地放入200mL容量瓶中，溶解并用去離子水稀釋?zhuān)芤簼舛葹?.103μg C/μL。倒出一部分標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校準(zhǔn)，把剩余的標(biāo)準(zhǔn)蔗糖溶液儲(chǔ)存在冰箱里。

(2)在儀器正常啟動(dòng)后，使用打孔器打出3個(gè)合適尺寸的石英膜片。

(3)分別把2個(gè)石英膜片按照平時(shí)采樣的要求豎直放置好，然后再將第3個(gè)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(shè)置Run-Clean Oven，將石英濾膜上的雜質(zhì)在高溫條件下清理干凈。

(5)當(dāng)前爐溫度降低到90℃以下時(shí)，取出石英襯管，使用10μL進(jìn)樣器取標(biāo)準(zhǔn)蔗糖溶液，小心地把標(biāo)準(zhǔn)蔗糖溶液滴到石英襯管前端水平放置的第3個(gè)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(diǎn)擊軟件界面上的分析按鈕start analysis。

(7)等待分析結(jié)束后，重復(fù)第5步和第6步程序6次。

(8)查看6次結(jié)果，剔除結(jié)果中的異常數(shù)據(jù)，分析異常原因，然后計(jì)算幾個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，作為最后的實(shí)測(cè)值，與理論值進(jìn)行比較，如果超出規(guī)定的±5%，則相應(yīng)調(diào)整儀器的校準(zhǔn)系數(shù)[8]。

3.3　日常運(yùn)行中的注意事項(xiàng)

(1)在每次更換完石英濾膜后，要進(jìn)行清爐的操作，以清除掉濾膜上的雜質(zhì)，保障監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確有效。并在清爐過(guò)后，進(jìn)行空白值測(cè)試，保證空白值的濃度在0.3 μg C以?xún)?nèi)。

(2)定期檢查儀器內(nèi)部的壓力、前后爐溫度、激光顯示值等各項(xiàng)參數(shù)，保障儀器的正常運(yùn)行。當(dāng)激光顯示值偏低的時(shí)候，可適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行石英襯管的清理和激光檢測(cè)器的清理。

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

(4)定期要進(jìn)行數(shù)據(jù)的備份和處理工作，如發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的再分析。使用數(shù)據(jù)分析軟件查看異常數(shù)據(jù)的圖譜，以確定當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(5)注意實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度，以防室內(nèi)外溫差過(guò)大導(dǎo)致采樣管路冷凝水，同時(shí)避免空調(diào)直吹采樣管路。

4常見(jiàn)故障和解決方法

4.1　前爐溫度或后爐溫度顯示不正確

當(dāng)發(fā)現(xiàn)儀器的前爐或后爐溫度顯示不正確，首先應(yīng)該判斷是加熱爐絲的故障還是測(cè)溫?zé)犭娕嫉墓收稀Ｈ绻l(fā)現(xiàn)儀器的前爐或者后爐應(yīng)該加熱到850℃，卻還保持在室溫上下，沒(méi)有升溫的跡象，由此可以判斷應(yīng)該是加熱爐絲的問(wèn)題。如果發(fā)現(xiàn)儀器的前爐溫度或者后爐溫度顯示-1000 ℃，可以判斷應(yīng)該是測(cè)溫?zé)犭娕嫉膯?wèn)題。

4.2　檢測(cè)器數(shù)值跳動(dòng)

當(dāng)儀器在分析過(guò)程中，其N(xiāo)DIR檢測(cè)器輸出值跳動(dòng)范圍非常大，且圖譜上的檢測(cè)出現(xiàn)的峰值上下變化幅度大，應(yīng)該判斷為檢測(cè)器故障，進(jìn)行檢測(cè)器的更換。

4.3　采樣流量不正常

當(dāng)儀器的采樣流量低的時(shí)候，應(yīng)該檢查泵是否在正常工作狀態(tài)。如果泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，可進(jìn)行泵的負(fù)壓測(cè)試，以確保泵的抽力滿(mǎn)足采樣要求。同時(shí)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的流量計(jì)進(jìn)行流量檢查，以確定是流量傳感器的問(wèn)題還是儀器內(nèi)部氣路出現(xiàn)阻塞的情況發(fā)生。

4.4　軟件時(shí)常報(bào)錯(cuò)，程序無(wú)法運(yùn)行

儀器的工作軟件應(yīng)該安裝在Windows英文版的操作系統(tǒng)下。如果安裝在中文操作系統(tǒng)里，有可能軟件時(shí)常出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)信息，導(dǎo)致儀器無(wú)法正常工作，更換英文操作系統(tǒng)就能解決。

4.5　內(nèi)標(biāo)的CH4峰出現(xiàn)問(wèn)題

如果在儀器分析結(jié)束前，沒(méi)有出現(xiàn)用于內(nèi)標(biāo)的CH4峰，可能是由于控制內(nèi)標(biāo)峰的電磁閥出現(xiàn)故障，未能使內(nèi)標(biāo)氣進(jìn)入管路到達(dá)檢測(cè)器進(jìn)行分析。如果是內(nèi)標(biāo)峰出現(xiàn)了延遲、拖尾的現(xiàn)象，可能是由于管路漏氣導(dǎo)致CH4氣沒(méi)能按時(shí)到達(dá)檢測(cè)器進(jìn)行分析。

5結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)Sunset公司的RT-4型OCEC半連續(xù)分析儀器，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)、外大氣綜合觀測(cè)中最廣泛使用的OC、EC在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器。該儀器利用熱、光透射的原理，運(yùn)行維護(hù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。本文通過(guò)對(duì)該儀器安裝使用和常見(jiàn)故障處理方法的總結(jié)，有助于使環(huán)境監(jiān)測(cè)人員了解和熟悉OC、EC的自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高對(duì)其日常維護(hù)的水平，從而為在更大的范圍內(nèi)開(kāi)展OC、EC的自動(dòng)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)上的支持。

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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(jiǎn)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(cè)與分析工作，E-mail：anxinxin2002@163.com。