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环境在线监测仪:准确推算光化学烟雾污染

品牌专栏中国仪表网2009年05月27日 08:41人气:708

     在今年全国两会举行的“当前环境保护形势和任务”专题采访中,环境保护部副部长张力军解释说,“近年来,全国特别是珠三角、长三角和京津冀地区的灰霾天气有所增加,尤其是珠三角地区,灰霾天气已占到了全年天数的一半或一半以上。”“细颗粒是造成灰霾天气的主要原因,由于近些年来大中城市机动车保有量迅速增长,机动车排放迅速增加,空气中PM2.5这种细颗粒的累积就越来越多,由此造成大气灰霾天气比较频繁。”
  张力军说,现在的空气污染指数是10年前制定的,当时只考虑了二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物这三项指标,而与灰霾天气密切相关的PM2.5细颗粒和臭氧等指标没有包含在内,这就导致了监测部门公布的空气优良状况不等于老百姓感觉到的蓝天白云。环保部正准备增加臭氧、PM2.5等细颗粒的一些指标,同时还要考虑适当增加大气能见度的指标,以保证监测的指标和人民群众的感官指标尽可能地一致。

  “其实,臭氧作为灰霾天气和光化学烟雾的重要指标因素之一,除了经光化学反应生成外,大气还会自然形成,或者从平流层的臭氧‘逃逸’到对流层。因此,依据臭氧来判断光化学烟雾污染还存在一定的不确定性;而过氧酰基硝酸酯(PANs)在自然界不能产生,基本是因人为污染形成的。通过监测其在空气中的浓度,以及根据当时的大气条件,就能准确推算出是否发生光化学烟雾污染。”北京大学环境科学与工程学院副教授张剑波解释说。

  确定空气污染标志物

  “PANs除了是光化学烟雾的重要指示剂,它本身具有强氧化性,比臭氧具有更大的毒性,会刺激人的眼睛、使动植物基因发生突变、造成农作物减产;尤其是对运动员的心肺等呼吸器官具有很大的危害;还能进行远距离传输,危害远方没有被污染的空气。而过氧丙酰硝酸酯(PPN)的化学性质与过氧乙酰硝酸酯(PAN)相似,但是其毒性比PAN高5倍。”张剑波说。

  对PAN和PPN这样的空气污染物,必须要有相应的仪器对之进行监测,因此,研发PANs在线监测仪器成为当务之急。课题组设计研发的PANs在线监测仪器,主要构成部件包括自动进样系统、分析系统、在线标定系统和在线分析系统。在仪器气路的最末段设有采样泵,为采样提供动力。专家点评:

  无论是PAN还是PPN等的污染,一般是夏天高于冬天,那是由于夏天天气热,在有利的光照条件下,污染物形成的速度快;此外,在静风等不利的气象条件下,污染的浓度也比较高。

  PANs污染主要来源于工业生产和汽车尾气,在马路上,我们能看见一些蓝色的烟雾,其中就可能有PANs等。因此,有时候我们感觉天很蓝,但是喉咙等呼吸系统却不舒服。在当前城市机动车数量猛增,排放的污染物成为城市污染的主要来源时,对PANs等进行监测,研究其污染的具体情况和变化规律,是今后采取相关对策的基础。

  5分钟获得监测结果

  在“2009中国国际节能减排和新能源科技博览会”上,记者看见了所展示的高度电子化的“PANs在线监测仪”。不到一人高,比电脑显示器略宽的PANs在线监测仪,可以自动抽入空气,进入仪器后进行气体分离,电子捕获其中的污染物,进行分析,全程仅5分钟,一张污染物的气谱峰值表就完整地显示在电脑屏幕上了。

  张剑波解释说,课题组研发的PANs在线监测仪器,将空气样品通过一根PFA(四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚共聚物)管导入设备,导入流量由质量流量计控制。每隔5分钟,六口阀门自动启动,将空气样品吹入毛细管色谱柱。而采用恒温装置保持色谱柱柱温与监测器温度在恒定状态。同时热解循环温度设置较高,将空气样品中的PANs热解,达到“零模式”,即使空气样品达到可认为其中不含有PANs的状态。因此,在不需“零气”的情况下,利用空气样品和PANs标准气体,完成对仪器的在线标定,获得了标准值。专家点评:

  从上世纪80年代,北京大学就开始PANs的监测工作,当时,主要是采用抽气袋子、针筒等,通过冷冻、富集等方式进行手工监测,存在时间周期长、过程损失大和人力成本高等缺点,但是作为重要的空气污染指标物,PANs需要长时间的连续采样监测,通过获得长期的污染数据来研究大气污染问题,因此,性能优良的在线监测仪器显得尤为重要。

  此外,在空气中,PANs毒性比臭氧大,但是其大气中的浓度一般比臭氧低很多,因此,该课题组研发的PANs在线监测仪,能在5分钟内监测一个空气样本,检测限达到了5—15pptv(千亿分之一),即比臭氧的浓度量级ppbv(十亿分之一)低出1000倍。

  今后将对仪器进行改进,使之更小型化,携带更方便,并增强仪器的稳定性,实现能同样精确地测定PANs的其他同系物。

  北京奥运会空气污染监测

  2008年5月和7—9月间,课题组在北京运行监测仪对PANs进行了监测。通过初步分析发现,与机动车限行前的PANs污染水平相比,其中PAN和PPN分别下降了18%%和14%%,由此可见,机动车限行措施在一定程度上可以缓解空气污染的加剧。

  具体来说,从2008年7月1日到9月30日的监测情况来看,PAN和PPN的日均浓度一般都比较低。监测发现,7月1日到奥运前,PAN和PPN出现了明显的积累过程,在个别不利的天气条件下达到高值,而在7月21日到24日之间,持续保持了整体的高浓度水平,而整个奥运监测期间的重污染天也出现在这个过程中,PAN和PPN在7月23日都达到最大值;在机动车限行前后,PANs整体污染水平较高,有两个典型的污染过程;而进入8月,PANs浓度水平整体下降,机动车等限行对污染物削减的作用表现突出,特别是在有利的天气条件下。不过这个期间也出现了个别天的污染情况。值得注意的是,个别天PANs有个浓度抬升的过程,需结合气象和其他污染物来深入研究这一过程所表明的污染实质。专家点评:

  为了进一步验证仪器的稳定性和可靠性,课题组还于2008年10月至11月将PANs在线监测仪运往广东省江门市的大气监测超级站,参加珠江三角洲大气观测的技术示范活动。而PANs在线监测仪在整个观测期间表现良好,实现了对PANs污染过程的完整捕捉,表现出了典型的光化学污染特征,日变化明显,与美国大气海洋局的仪器具有较好的一致性。

  本报记者:李禾课题描述:PAN和PPN的在线监测与标定点评专家:张剑波(北京大学环境科学与工程学院副教授)

  ■数字863

  国家重大能源专项东安微型燃机迈向产业化

  经过6年课题攻关、近亿元科技投入,国家“863”重大能源专项———100千瓦微型燃机日前在东安集团完成总体方案设计,正式进入实验机试制阶段,这标志着这一项目开始向工程化和产业化方向迈进。

  据悉,100千瓦微型燃机是我国适应能源安全需要将推广的“分布式供能”的核心设备,这个以天然气和燃油为原料的高新技术产品,既可以在电网无法覆盖、地广人稀的边远地区使用,也可以在城市重要场所形成能源岛,独立供应冷、热、电,不仅排放低,还将能源综合利用率由传统供能系统的35%%提高到80%%左右。

  作为这一课题的主体单位,东安集团从2003年开始与中国科学院工程热物理研究所和西安交通大学组成联合体共同研发,先后完成了四个核心部件和三个关键系统的设计制造与试验,初步具备100千瓦微型燃机的制造能力,并完成总体方案设计,相应的产业化基地建设也正在实施中。

(本文来源:科技日报转载请注明出处
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