CN113884614B - 一种环境空气光氧化二次颗粒物生成潜势评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境空气光氧化二次颗粒物生成潜势评价装置及方法，所述装置包括：气源输送室，与所述气源输送室及环境气体进行选择性连通的、设有光源发生装置和光解效率测定设备的反应室，与所述反应室经流量控制器连通的标准气体室，与所述反应室及环境气体进行选择性连通的分析组件，所述分析组件包括粒径谱仪、颗粒物化学组分监测仪及气体分析仪。本发明可对环境中气体光氧化二次颗粒物的生成潜势进行准确评价。
Description
技术领域
本发明涉及污染物评价方法和装置的技术领域。
背景技术
人类活动和自然排放的大气污染物即一次污染物可通过复杂的大气光化学反应、自由基反应以及颗粒物表面多相反应生成气态和颗粒态二次污染物，这些反应在大气中构成复杂的非线性化学过程，其生成的二次污染物在环境影响及控制上与一次污染物相比有很大的差异。
近年来，由于一次排放得到有效地控制，二次转化生成的细颗粒物(PM2.5) 占比呈上升趋势，使城市地区大气污染日益显著地呈现区域性、复合型特征，并成为环境空气质量持续改善最主要的制约因素。
现有技术针对环境中气态污染物的二次污染颗粒物生成潜势主要通过对其前体物的检测分析、并基于已有烟雾箱模拟实验的研究结果进行估算，但现有分析条件对于环境中不同气态污染物的种类和浓度检测有限，尤其是针对VOCs，不能反应大气环境的真实情况，难以得到准确的估算或评价结果。
发明内容
本发明的目的是提供一种可对环境中气体光氧化二次颗粒物的生成潜势进行准确评价的装置及方法。
本发明首先公开了如下的技术方案：
一种环境空气光氧化二次颗粒物生成潜势评价装置，其包括：
气源输送室，与所述气源输送室及环境气体进行选择性连通的、设有光源发生装置和光解效率测定设备的反应室，与所述反应室经流量控制器连通的标准气体室，与所述反应室及环境气体进行选择性连通的分析组件，所述分析组件包括粒径谱仪、颗粒物化学组分监测仪及气体分析仪。
根据本发明的一些优选实施方式，所述标准气体室包括SO2标准气体存放室、 NO2标准气体存放室及NH3标准气体存放室。
根据本发明的一些优选实施方式，所述气体分析仪包括SO2分析仪、NOx分析仪及NH3分析仪。
根据本发明的一些优选实施方式，所述粒径谱仪包括静电分级器及凝聚粒子计数器。
根据本发明的一些优选实施方式，所述颗粒物化学组分监测仪可测得有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、氯化物中一种或多种的质量浓度。
根据本发明的一些优选实施方式，所述SO2分析仪通过紫外荧光法进行分析测定。
根据本发明的一些优选实施方式，所述NOx分析仪通过化学发光法和/或吸收光谱法进行氮氧化合物分析测定。
根据本发明的一些优选实施方式，所述NH3分析仪通过红外吸收光谱法进行分析测定。
根据本发明的一些优选实施方式，所述评价装置具体包括：气源输送室，与所述气源输送室依次经第一流量控制器、湿度控制器、第一三通阀连通的、含有控温箱体及光解效率测定设备的反应室，与所述反应室分别经第二～第四流量控制器连通的第一～第三标准气体室，与所述反应室分别经第二三通阀及第三三通阀连通的粒径谱仪及颗粒物化学组分监测仪，与所述反应室分别经第四～第六三通阀连通的第一～第三气体分析仪。
根据本发明的一些优选实施方式，所述评价装置还包括：设置于所述反应室的控温箱体外部的第一温湿度监测装置、设置于其箱体内部的第二温湿度监测装置，设置于所述控温箱体内部的光源发生装置，设置于所述反应室内的第一循环风扇和第二循环风扇，其中所述第一循环风扇靠近所述反应室与所述标准气体室的连通口，所述第二循环风扇靠近所述反应室与所述粒径谱仪及所述颗粒物化学组分监测仪的连通口。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第一～第四流量控制器中的一个或多个采用质量流量计、浮子流量计、针阀或比例电磁阀中的一种或多种。
根据本发明的一些优选实施方式，所述湿度控制器包括加湿装置及湿度探头。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第一～第六三通阀的制备材料选自聚四氟乙烯、可溶性聚四氟乙烯或不锈钢中的一种或多种。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第一和/或第二温湿度监测装置包括温湿度探头及数据采集***。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第一和/或第二循环风扇的制备材料选自聚四氟乙烯和/或可溶性聚四氟乙烯。
根据本发明的一些优选实施方式，所述反应室的制备材料选自聚四氟乙烯和 /或可溶性聚四氟乙烯。
根据本发明的一些优选实施方式，所述控温箱体可对箱体内部温度实现10-40 ℃范围内的调控。
根据本发明的一些优选实施方式，所述气源输送室采用无油空压机和/或无油干泵进行气源产生和输送。
根据本发明的一些优选实施方式，所述光源发生装置采用紫外灯管、氙灯、自然光源中的一种或多种。
根据本发明的一些优选实施方式，所述光解效率测定设备采用光解光谱仪和 /或滤光辐射仪。
本发明进一步提供了一种环境空气光氧化二次颗粒物生成潜势评价方法，其包括：
使环境空气在与大气连通的反应室内持续进行光氧化反应，得到二次生成转化的颗粒物，其中所述反应室内的环境条件与实际环境条件接近，所述实际环境条件包括空气温度、湿度，空气中含有的SO2、NOx、和NH3的浓度；
当所述光氧化反应完成后，测定所述反应室内的气体中SO2，NOx，NH3的浓度变化情况；所述反应室内的所述二次生成转化的颗粒物的粒径分布和质量浓度；所述二次生成转化的颗粒物的化学组分中硫酸盐、硝酸盐、铵盐及有机组分的质量浓度；
根据各测定数据，确定所述颗粒物的最大粒径、其中各组分的最大质量浓度，根据得到的颗粒物总质量浓度的最大值，得到环境空气在特定条件下的光氧化二次颗粒物生成潜势。
优选的，所述生成潜势为颗粒物粒径及各组分的质量浓度不再上升时，得到的颗粒物总质量浓度与光照前测得的反应室内环境空气中颗粒物的质量浓度的差值。
本发明进一步提供了一种通过所述评价装置进行环境空气光氧化二次颗粒物生成潜势评价的方法，其包括：
通过设置于所述气源输送室与所述反应室之间的第一三通阀、第一流量控制器、湿度控制器，将所述气源输送室与所述反应室连通，根据设置于所述反应室内、外的第一、第二温湿度监测装置通过湿度控制器及控温箱体调控所述反应室内的温湿度与环境保持一致；
在进气过程中，通过设置于反应室与所述粒径谱仪及所述颗粒物化学组分监测仪之间的第二三通阀及第三三通阀，使其连通；
在进气过程中，通过设置于所述反应室与SO2分析仪、NOx分析仪、NH3分析仪之间的第四～第六三通阀，使各气体分析仪与所述反应室断开、与环境空气连通，测定环境空气中的SO2，NOx和NH3浓度；
在进气结束后，断开所述气源输送室与所述反应室，通过所述第四～第六三通阀使所述各气体分析仪与所述反应室连通，测定所述反应室中SO2、NOx和NH3浓度；
通过设置于SO2标准气体室、NO2标准气体室及NH3标准气体室与所述反应室之间的第二～第四流量控制器控制SO2标准气体、NO2标准气体及NH3标准气体进入所述反应室内的浓度，使所述反应室内的SO2、NOx和NH3的浓度与其在环境空气中的浓度一致；
在测定时，打开所述光源发生装置、所述光解效率测定设备、所述粒径谱仪和所述颗粒物化学组分监测仪，记录所述反应室中颗粒物的浓度及其化学组分的质量浓度，确定二次颗粒物的生成潜势。
本发明可对环境空气光氧化二次颗粒物的生成潜势进行直接测定，避免了间接估算带来的估算偏差，可以更真实的衡量大气中活性物种在日间对细颗粒物生成的贡献，且其可以较好的满足大气环境监测、分析等方面的需求。
附图说明
图1为一种具体的所述评价装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
参照图1，一种具体的环境空气光氧化二次颗粒物生成潜势评价装置包括：气源输送室1，与气源输送室1依次经第一流量控制器2、湿度控制器3、第一三通阀4连通的、含有控温箱体12及光解效率测定设备11的反应室10，与所述反应室10分别经第二～第四流量控制器23、25、27连通的第一～第三标准气体室24、 26、28，与所述反应室10分别经第二三通阀13及第三三通阀15连通的粒径谱仪14及颗粒物化学组分监测仪16，与所述反应室10分别经第四～第六三通阀17、 19、21连通的第一～第三气体分析仪18、20、22；其还包括：设置于反应室10 的控温箱体12外部的第一温湿度监测装置5、设置于其箱体12内部的第二温湿度监测装置7，设置于控温箱体12内部的光源发生装置6，设置于反应室10内的第一循环风扇8和第二循环风扇9，其中第一循环风扇8靠近反应室10与所述标准气体室的连通口，第二循环风扇9靠近反应室10与所述粒径谱仪14及颗粒物化学组分监测仪16的连通口。
在具体的实施方式中，第一～第三标准气体室分别存放SO2标准气体、NO2标准气体及NH3标准气体；第一～第三气体分析仪分别为SO2分析仪、NOx分析仪及NH3分析仪。
其中，具体实施中，
气源输送室1可采用如无油空压机、无油干泵等进行气源产生和输送，且与大气连通以将环境空气转移至反应室10内。
第一～第四流量控制器2、23、25、27可采用如质量流量计、浮子流量计、针阀或比例电磁阀等流量控制设备。
湿度控制器3可采用如通过纯净水鼓泡法或加湿器(如FC-200-780-7MP， Perma-Pure)加湿、并通过湿度探头进行湿度测定的装置，其可将气源气体加湿到指定湿度。
第一～第六三通阀4、13、15、17、19、21可采用如经聚四氟乙烯(PTFE)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)或不锈钢等材料制成的三通阀。
第一和/或第二温湿度监测装置5、7可采用如含有温湿度探头及数据采集***的现有或自制装置；
光源发生装置6可采用如可启动或关闭紫外灯管(<420nm)、氙灯等、或可遮蔽或开放的自然光源。
第一和/或第二循环风扇8、9优选采用如聚四氟乙烯(PTFE)或可溶性聚四氟乙烯(PFA)制成的风扇。
反应室10优选由聚四氟乙烯(PTFE)或可溶性聚四氟乙烯(PFA)材料制成。
光解效率测定设备11可采用如光解光谱仪或滤光辐射仪(如J(NO2)滤光辐射仪)，其控温箱体12优选采用可对箱体内部温度实现10-40℃范围内调控的材料制成。
粒径谱仪14可采用通过静电分级器进行颗粒物尺寸测量、并采用凝聚粒子计数器进行颗粒物浓度测定的现有或自制装置。
颗粒物化学组分监测仪16可采用可测得有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物等物种质量浓度的现有或自制装置。
SO2分析仪18可采用通过紫外荧光法等进行SO2分析的现有或自制检测设备。
NOx分析仪20可采用通过化学发光法、吸收光谱法等进行氮氧化合物分析的现有或自制检测设备。
NH3分析仪22可采用通过红外吸收光谱法等进行NH3分析的现有或自制检测设备。
通过上述装置进行环境空气光氧化二次颗粒物生成潜势测定的方法包括：
首先打开第一、第二温湿度监测装置5和7，气源输送室1，流量控制器2，第二循环风扇9，由第一温湿度监控装置5测定此时的环境空气温湿度，并通过第一三通阀4使与环境空气连通的气源室输送室1通过湿度控制装置3后与第一三通阀4的一个出口处的环境空气连通、与反应室10断开，以对待进入反应室 10内的环境空气进行湿度调节，使其与第一温湿度监控装置5测定的环境空气温湿度一致，其后切换第一三通阀4使湿度调节完成的环境空气进入含有控温箱体12和光解效率测定设备11的反应室10内，并通过温湿度监测装置8测定反应室 10内的温度和湿度，进一步通过控温箱体12调控反应室内的温度湿度与环境空气保持一致；
在进气过程中，通过第二三通阀13及第三三通阀15使与其相连的粒径谱仪 14及颗粒物化学组分监测仪16与反应室10连通，以使测定中可对产生的颗粒物的粒径分布与组成进行测定；
在进气过程中，通过第四～第六三通阀17、19、21使SO2分析仪18、NOx分析仪20及NH3分析仪22与反应室10断开、与环境空气连通，由此测定环境空气中SO2，NOx，NH3浓度；
反应室进气结束后，关闭流量控制器2，通过三通阀17、19、21使各分析仪 18、20、22与反应室10连通，由此测定反应室中SO2、NOx、NH3浓度，确保光照前，SO2，NOx，NH3浓度与环境浓度接近，其调节方式可如：通过流量控制器23、25、27分别控制SO2标准气体、NO2标准气体及NH3标准气体进入反应室10内的浓度；
测定时，打开光源发生装置6、光解效率测定设备11、粒径谱仪14、颗粒物化学组分监测仪16，记录反应室10中颗粒物浓度及关键化学组分质量浓度变化，并根据粒径谱仪14，颗粒物化学组分监测仪16的读数，确定环境空气在特定条件下光化学反应二次颗粒物的生成潜势。
具体的，评价方法可包括：
在接近实际环境条件下(控制温度、湿度，SO2、NOx、NH3的浓度)，使反应室内的气体进行光氧化反应，颗粒物开始二次生成转化；
测定时，通过SO2分析仪18、NOx分析仪20及NH3分析仪22与反应室10 相连实施测定反应室内气体中SO2，NOx，NH3的浓度的变化情况；
通过颗粒物粒径谱仪14测定反应室内颗粒粒径分布，数浓度等实时信息；通过颗粒物化学组分监测仪16的读数获得光氧化反应产生的颗粒物的化学组分硫酸盐，硝酸盐，铵盐，有机组分等的含量；
根据颗粒物粒径谱仪14，确定颗粒物增长的最大粒径，同时结合颗粒物化学组分监测仪16测得的各组分能达到的最大质量浓度信息，得到环境空气在特定条件下的光氧化二次颗粒物生成潜势。
实施例1
本实施例提供一种环境空气光氧化二次颗粒物生成潜势评价装置及方法，其具体步骤如下；
首先，标定环境中SO2，NOx，NH3的浓度：将与SO2，NOx，NH3监测设备连接的三通管改变管路流向，使SO2，NOx，NH3监测设备与大气环境连接，使 SO2，NOx，NH3监测设备分别测定环境空气中SO2，NOx，NH3的浓度，分别为 10ppbv，20ppbv，15ppbv；同时，由第一温湿度监控装置5测定此时的环境空气温湿度，25℃，相对湿度50％。
进气：打开气源将环境空气依次通过第一流量控制器，调节进气流量，气体通过湿度控制***，使得进气湿度控制为50％，最终通过三通阀进入到反应室中；同时开启温湿度监测装置和循环风扇，通过调节控温箱体控制反应室温度为25 ℃。
测量反应前浓度：反应室进气结束后，三通管改变管路流向测定反应室中 SO2，NOx，NH3浓度，通过流量控制器精准向反应室内加入SO2，NOx，NH3气体，确保光照前，SO2，NOx，NH3浓度与环境浓度接近(分别为10ppbv，20ppbv， 15ppbv)；打开颗粒物粒径谱仪测定反应室内颗粒粒径分布，数浓度，总质量浓度等实时信息(50nm-300nm，104#/cm3,5μg/m3)，记录为反应初始条件；打开颗粒物化学组分监测仪获得反应前颗粒物的化学组分硫酸盐，硝酸盐，铵盐，有机组分等的含量；
开始测定：打开光源、光解效率测定设备，记录反应室中SO2，NOx，NH3监测设备所得到的实时浓度，监测颗粒物粒径谱仪，颗粒物化学组分监测仪读数，直至颗粒物总质量浓度不再上升，颗粒物化学组分监测仪测得的质量浓度也不再上升，颗粒物粒径谱仪所测得的颗粒物总质量浓度(50μg/m3)扣除光照前测得的环境颗粒物质量浓度(45μg/m3)即为特定环境空气在条件下的二次细颗粒物生成潜势值。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种环境空气光氧化二次颗粒物生成潜势评价方法，其特征在于，其使用如下的评价装置：该装置包括：气源输送室，与所述气源输送室及环境气体进行选择性连通的、设有光源发生装置和光解效率测定设备的反应室，与所述反应室经流量控制器连通的标准气体室，与所述反应室及环境气体进行选择性连通的分析组件，所述分析组件包括粒径谱仪、颗粒物化学组分监测仪及气体分析仪；其中，所述标准气体室包括SO2标准气体存放室、NO2标准气体存放室及NH3标准气体存放室，所述气体分析仪包括SO2分析仪、NOx分析仪及NH3分析仪；
且包括如下的评价过程：
通过设置于所述气源输送室与所述反应室之间的第一三通阀、第一流量控制器和湿度控制器将所述气源输送室与所述反应室连通，根据设置于所述反应室内、外的第一、第二温湿度监测装置通过湿度控制器及控温箱体调控所述反应室内的温湿度与环境保持一致；
在进气过程中，通过设置于所述反应室与所述粒径谱仪及所述颗粒物化学组分监测仪之间的第二三通阀及第三三通阀，使其连通；
在进气过程中，通过设置于所述反应室与SO2分析仪、NOx分析仪、NH3分析仪之间的第四～第六三通阀，使各气体分析仪与所述反应室断开、与环境空气连通，测定环境空气中的SO2，NOx和NH3浓度；
在进气结束后，断开所述气源输送室与所述反应室，通过所述第四～第六三通阀使所述各气体分析仪与所述反应室连通，测定所述反应室中SO2、NOx和NH3浓度；
通过设置于SO2标准气体室、NO2标准气体室及NH3标准气体室与所述反应室之间的第二～第四流量控制器控制SO2标准气体、NO2标准气体及NH3标准气体进入所述反应室内的浓度，使所述反应室内的SO2、NOx和NH3的浓度与其在环境空气中的浓度一致；
在测定时，打开所述光源发生装置、所述反应室、所述粒径谱仪和所述颗粒物化学组分监测仪，记录所述反应室中颗粒物的浓度及其化学组分的质量浓度，确定二次颗粒物的生成潜势。
2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，其中，所述粒径谱仪包括静电分级器及凝聚粒子计数器；和/或，所述颗粒物化学组分监测仪可测得有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、氯化物中一种或多种的质量浓度；和/或，所述SO2分析仪通过紫外荧光法进行分析测定；和/或，所述NOx分析仪通过化学发光法和/或吸收光谱法进行氮氧化合物分析测定；和/或，所述NH3分析仪通过红外吸收光谱法进行分析测定。
3.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，其还包括：所述评价装置还包括设置于所述反应室内的第一循环风扇和第二循环风扇，其中所述第一循环风扇靠近所述反应室与所述标准气体室的连通口，所述第二循环风扇靠近所述反应室与所述粒径谱仪及所述颗粒物化学组分监测仪的连通口。
4.根据权利要求3所述的评价方法，其特征在于，其中，所述第一～第四流量控制器中的一个或多个采用质量流量计、浮子流量计、针阀或比例电磁阀中的一种或多种；和/或，所述湿度控制器包括加湿装置及湿度探头；和/或，所述第一～第六三通阀的制备材料选自聚四氟乙烯、可溶性聚四氟乙烯或不锈钢中的一种或多种；和/或，所述第一和/或第二温湿度监测装置包括温湿度探头及数据采集***；和/或，所述第一和/或第二循环风扇的制备材料选自聚四氟乙烯和/或可溶性聚四氟乙烯；和/或，所述反应室的制备材料选自聚四氟乙烯和/或可溶性聚四氟乙烯；和/或，所述控温箱体可对箱体内部温度实现10-40℃范围内的调控。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的评价方法，其特征在于，其中，所述气源输送室采用无油空压机和/或无油干泵进行气源产生和输送；和/或，所述光源发生装置采用紫外灯管、氙灯、自然光源中的一种或多种；和/或，所述光解效率测定设备采用光解光谱仪和/或滤光辐射仪。
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