环境空气PM2.5来源解析大流量采样器维护与质控
环境空气PM2.5来源解析大流量采样器维护与质控
陈彦宁，洪达驰，裴成磊，邝俊侠，黄祖照
（广州市环境监测中心站，广州，510030）
摘要为定量解析PM2.5的来源，广州市于2014年开展了环境空气细颗粒物PM2.5来源解析工作，并已实现常规业务化。在三个站点配置了PM2.5大流量采样器，用于PM2.5来源解析手工采样工作。详细介绍了大流量采样器的原理、使用和维护方法，总结了仪器运行中质量控制方面的经验，旨在能为PM2.5大流量采样器仪器的稳定运行和监测数据的完整可靠提供技术参考。
关键词PM2.5；大流量采样器；维护；质控
中图分类号TH707
Maintenance and Quality Control on Ambient Air PM2.5 High Volume Sampler for Source Apportionment
CHEN Yan-ning; HONG Da-chi; PEI Cheng-lei; KUANG Jun-xia; HUANG Zu-zhao
(Guangzhou Environmental Monitoring Center, Guangzhou, Guangdong 510030, China)
Abstract: For the quantitative resolution of atmospheric particles PM2.5, the work of source apportionment of PM2.5 in Guangzhou was carried out in 2014 and had been a conventional work. Ambient air PM2.5 high volume samplers had been set in three sites for the sources of PM2.5 analytical manual sampling work. The working principle and operational method and maintenanceof PM2.5 high volume sampler were summarized，the experience of quality control in the operation of the instrument were introduced as well. Hope to provide some technical references for the operation stability and data quality of those instruments.
Key word: PM2.5; high volume sampler; maintenance; quality control
环境空气PM2.5是指环境空气动力学直径小于或等于2.5μm的可吸入肺颗粒物，由于其粒径小，并可为毒性物质提供载体，对环境和人体健康产生很大影响[1]。目前已有多个城市开展了本地化的PM2.5来源解析工作[2][3]，广州市环境监测中心站自2014年起开展广州市环境空气PM2.5来源解析工作，并逐步实现了业务化，2016年在公园前、九龙镇、万顷沙3个采样点分别配置了大流量采样器和小流量多通道采样器。大流量采样器采用赛默飞世尔科技公司的HIVOL-CVBLD型仪器，但目前可借鉴的使用经验很少，给PM2.5源解析工作的顺利开展带来了诸多问题。本文对大流量采样器长期运维和质控过程中的关键的技术性问题进行了及时的分析和总结，以期能为PM2.5来源解析工作的顺利开展，保障数据的稳定可靠提供参考。
1 原理及运行
1.1 仪器工作原理
大流量采样器采用撞击式切割原理：当环境空气被吸入位于采样器顶部的进气口，空气首先会通过采样器内部的缓冲室，并经过40个加速喷嘴通道进入压缩室；在压缩室中，空气中环境空气动力学直径大于2.5μm的颗粒物会被预先涂抹在压缩室底部的硅油吸附；环境空气动力学直径小于或等于2.5μm的颗粒物就会弹起并掉落在采样滤膜上；最后，空气通过高转速抽气泵的出气口排出采样器。由于进气口的气体的流速是保证PM2.5颗粒物分离界限的重要因素，因此，保证实际采样的气体流速保持在预设气体的体积流速1.13m3/min(±5%)的误差范围之内非常重要。
赛默飞世尔科技公司的HIVOL-CVBLD型大流量采样器有几个重要的组件和配件：(1)大流量采样泵。该泵是大流量采样器的核心主件，具有高转速，功率高，电流大，噪声大等特点。(2)定时器。对采样器的采样时长和采样开始停止时间进行精确控制。(3)流量指示器。对采样过程中采样器流量的稳定性、连续性和流量的大小进行记录。(4)流量校准器。该校准器为全机械部件，通过测量校准器上的进气负压和大流量采样器本身得进气负压，配合测量时当地的气压气温，通过计算公式，得出实际的大流量采样器的采样气流速。
大流量采样器的日常手工采样还需要用到大石英滤膜，石英滤膜主要用于碳组份分析、离子分析、有机化合物分析等，符合PM2.5来源解析工作的要求[4]，同时，也正是由于PM2.5来源解析工作对多种物质进行分析的要求，增大了对PM2.5颗粒物样品的需求量，才必须要使用大流量采样器和大石英滤膜进行采样。手工采样的操作人员在每日采样结束后，要利用空闲的一个小时进行滤膜更换；由于石英滤膜易碎，在更换时应使用镊子轻夹滤膜边缘区域，并放入空白锡纸中封好，最后放入自封袋，以便样品的保存、运输、称重、分析等工作的顺利进行。
1.2 运行设置
在大流量采样器首次进行采样工作前，要对定时器的系统时间进行设定；同时在大流量采样器往后的每次采样工作前，都需要对采样起止时间进行设置。并在每次采样工作结束后，进行采样数据读取。定时器的设置及操作步骤如下：（1）设定定时器时间，按照：SETUP→ConFIGURE →SET DATE→SET TIME完成定时器设定器。（2）设定采样时间，按照：TIMNER→DATE→TIME→DURATION→SAVE and EXIT完成采样时间设定。进行采样开始时间和采样持续时间设置完成后，采样重复次数一般不修改，默认为0。注意，仪器操作人员需下移光标至“SAVE and EXIT”，按“ENT”确认保存才可成功保存采样时间设定。（3）读取采样数据，按照：TIMER →DATA →VIEW CURRENT/PASTSAMPLE顺序可顺利读取采样信息。（4）电机手动开关测试：SETUP→DIAGNOSTICS→MOTOR。在日常的临时、短时开机或者频繁开机测试的时候，可使用定时器对采样泵电机的手动开关控制功能。同时要注意，在开启采样器电机之前要检查电机是否紧固，一定要避免电机启动后因外壳没有固定而出现自旋、缠绕导线等危险情况。
2 维护和质控
仪器长时间运行过程中，还需要对仪器的进样口、膜托架、流量记录器等关键部位进行维护，以保证采样正常运行，样品的数据准确和可靠，主要包括：采样器进样口的清洁维护，流量指示器的维护以及采样泵的维护等。
2.1 清洁维护
大流量采样器的每次采样之前，在打开关闭进样口、更换大石英滤膜等操作的过程中，都存在颗粒物、石英纤维掉落等可能。这些非采样过程产生的颗粒物和杂质，会对颗粒物采样的样品产生干扰。因此，必须对这些部位进行清洁维护。在每一次采样前，都要对大流量采样器的垫圈、膜托架表面、膜托架垫圈等部位进行清洁维护。在清洁过程中，维护人员需戴手袋，使用镊子夹住棉花蘸酒精对这些部位上可能粘附的颗粒物、石英滤膜碎片等进行清洁，避免其对采样结果造成影响。在每一个季度的采样工作开启前，都要对大流量采样器的切割器中的白色垫圈进行积尘清洁，并涂上新的硅油，以保证对大颗粒物的吸附。若遇下雨天气，还需对采样器的电线和所有连接管路进行干燥和防水维护。
2.2 流量指示器的维护
流量指示器为大流量采样器采样流量的连续性和稳定性记录提供重要的依据。定期维护流量指示，使其在正常误差范围内工作，就是对采样所得样品有效性的重要依据的保证。仪器维护人员在每天采样结束后要及时更换流量记录表；并在每个采样季度或采样30天后更换流量指示器的记录笔，以保证记录的流量曲线清晰可见。在采样器停止工作时或更换流量记录图纸时，要轻按笔架，抬起笔头。在使用流量指示器和分析流量表时，应该明确：由于流量指示器为机械式仪器，所记录的流量数据一般误差较大。仪器维护人员或采样人员可通过观察流量记录表上的圆曲线是否圆滑、曲线是否在中间断开等特征，对大流量采样器采样过程的稳定性进行感性判断，而不可将流量记录表上的圆曲线所记录的流量数据作为精确计算的依据。
2.3 质量控制
2.3.1流量校准
采样流量是大流量采样器最重要的参数，采样泵是大流量采样器的核心部件，其抽力的正常稳定直接影响采样流量的稳定性以及样品的有效性，大流量采样泵的质控主要是大流量采样泵流量校准。在更换大流量采样泵后，或者每一季度的采样工作进行前，都需要对大流量采样泵的流量进行校准。
流量测量是获取大流量采样泵工作流量的重要方法，也是流量校准工作开始之前必须要进行的工作，流量误差测量所需仪器包括：大流量采样器、石英滤膜、压力计、流量调节器，流量测量步骤如下：（1）压力计悬挂于采样器机身右侧，连接采样器与压力计右活塞气孔，检查是否漏气。（2）打开采样器机身六个螺丝扣，掀开并卡住采样器上半部，取出采样器内部滤网保护盖，安装石英滤膜。注意石英滤膜毛面朝上，格子面朝下；滤膜夹四角上的螺丝旋扭要扭紧固定好滤膜，同时要注意旋钮下要检查是否垫上了黑色胶圈。（3）手动开启采样器电动机。等待电机热机，流量稳定后，记录压力计上升液柱与下降液柱读数和、当前环境温度（Tc）、当前大气压（P）等。（4）拆下石英滤膜，装上流量调节器，取另一配置好的压力计悬挂于采样器机身左侧。连接流量调节器与压力计右活塞气孔，检查是否漏气。（5）调节流量调节筒上旋钮，使右侧压力计液柱上升到约为14.4mm。此时记录左侧压力计读数。仪器操作人员应该注意，液柱读数越大，液柱变化对应旋钮的灵敏度越强。调整旋钮时需小心，避免液柱超出量程。（6）逆时针旋转调节筒上旋钮，以1-1.5mm水柱为间隔，向下再取4个点，进行两侧压力计读数记录。
2.3.2误差计算过程
（1）计算中参数说明。在流量校准操作中，我们得到了4个原始参数，分别是：①环境温度：Tc； = 2 \* GB3 ②大气压（千帕）：Pc； = 3 \* GB3 ③采样器左侧压力计读数参数：△H； = 4 \* GB3 ④采样器右侧压力计读数数据：Pf（in H20）/英寸水柱。其中 = 1 \* GB3 ①、 = 2 \* GB3 ②、 = 4 \* GB3 ④换算成以下单位： = 5 \* GB3 ⑤环境绝对温度：Ta（=Tc+273）；⑥大气压（mmHg）：Pa（=Pc×7.5）；⑦采样器右侧压力计读数数据：Pf（mmHg）(=Pf（in H20）/13.6*25.4)。
（2）实际体积流量的计算。结合下表，在实际体积流量参数下找到所对应的常数 m和常数b。其中m为斜率，b为截距。
表1 大流量采样器流量数据制表
将 = 3 \* GB3 ③、 = 5 \* GB3 ⑤、 = 6 \* GB3 ⑥和常数m、b代入以下公式，计算可得参数 = 8 \* GB3 ⑧采样器实际体积流量Qa：
（1）
其中
是采样器左侧压力计读数参数，Ta是环境绝对温度，Pa是以mmHg为单位的大气压。
（3）压力比的计算与理论体积流量的查询。结合 = 6 \* GB3 ⑥、 = 7 \* GB3 ⑦，根据公式（2）计算可得参数 = 9 \* GB3 ⑨压力比P0/Pa：
（2）
其中Pf 是采样器右侧压力计读数数据，Pa是以mmHg为单位的大气压。
最后，找到不同采样器所对应的不同的流量查询表格，结合 = 1 \* GB3 ①、 = 9 \* GB3 ⑨，可查到对应的理论体积流量：QL。
（4）误差的最终计算。根据公式（3）计算误差：
（3）
重复流量校准操作，确认误差，最终可得误差统计表。表2为广州市环境监测中心站2015年12月对两台大流量采样器进行的流量误差计算结果，结果表明两台大流量采样器误差均在±5%以内，性能符合要求。在统计表中，最后一列就是流量误差E；H和Pf(H2O)分别是流量调节筒和大流量采样器所测得的负压水柱。
表2误差统计表
|
采样器 |
T |
Pa（hPa) |
Pa(mmHg) |
H |
Qa |
Pf(H2O) |
Pf(Hgmm) |
P0/Pa |
Look up |
% |
|
|
P9356 |
1 |
8 |
101.16 |
758.762 |
3.4 |
1.106 |
28.2 |
52.6676 |
0.931 |
1.101 |
-0.005 |
|
2 |
9 |
102.16 |
766.263 |
3.5 |
1.119 |
19.85 |
37.0728 |
0.952 |
1.127 |
0.0073 |
|
|
3 |
10 |
103.16 |
773.764 |
3.65 |
1.139 |
23.1 |
43.1426 |
0.944 |
1.117 |
-0.019 |
|
|
4 |
11 |
104.16 |
781.264 |
3.6 |
1.128 |
25.4 |
47.4382 |
0.939 |
1.111 |
-0.015 |
|
|
5 |
12 |
105.16 |
788.765 |
3.42 |
1.096 |
28.74 |
53.6762 |
0.932 |
1.114 |
0.0164 |
|
|
P9358 |
1 |
17 |
102 |
765.063 |
3.59 |
1.149 |
18.05 |
33.711 |
0.956 |
1.147 |
-0.002 |
|
2 |
17 |
102 |
765.063 |
3.55 |
1.143 |
20.4 |
38.1 |
0.95 |
1.139 |
-0.003 |
|
|
3 |
17 |
102 |
765.063 |
3.5 |
1.134 |
22.39 |
41.8166 |
0.945 |
1.133 |
-0.001 |
|
|
4 |
17 |
102 |
765.063 |
3.45 |
1.126 |
25.28 |
47.2141 |
0.938 |
1.124 |
-0.002 |
|
|
5 |
17 |
102 |
765.063 |
3.43 |
1.123 |
27.73 |
51.7899 |
0.932 |
1.116 |
-0.006 |
2.3.3流量校准
若误差超出允许范围，调节大流量采样泵的继电器，调整大流量采样泵的电机转速，进行流量调节，并通过压力计水柱的上升或下降、大流量采样泵噪声的大小来判断转速高低。
3 结束语
广州市环境监测中心站于2014年使用环境空气PM2.5大流量采样器进行PM2.5来源解析工作，目前已经实现了长期的业务化运行，完成了2016年第一季度PM2.5来源解析工作。在长期的运维和质控中总结了相关的问题，提出了相应的解决方法，在实际应用中取得了较好的效果。
参考文献：
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[4] 郑玫，张延君，闫才青，朱先磊，James J.Schauer，张远航。中国PM2.5来源解析方法综述[J]. 北京大学学报（自然科学版），2014,50（6）：1141-1143
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