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污染气体监测方法及资料分析

'污染气体监测方法及资料分析'
大气污染物的监测方法及资料分析--Thermo仪器在大气污染监测中的应用 严家德 大气物理与大气环境实验室主要内容n 1、何为大气污染,如何表征?n 2、常用检测方法n 3、基于Thermo的检测原理 q 仪器原理 q 数据采集方式n 4、实验要求1、何为大气污染?n 大气污染定义:当大气中,污染物质的浓度,达到有 害程度,以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的 条件,对人或物造成危害的现象 q 分类 :天然污染物和人为污染物。主要包括: n 颗粒物: 指大气中固体状物质,又称尘。 n 硫氧化物: 硫的氧化物的总称,包括二氧化硫,三氧化硫等。 n 碳的氧化物: 主要包括二氧化碳和一氧化碳。 n 氮氧化物: 是氮的氧化物的总称,包括氧化亚氮,一氧化氮, 二氧化氮,三氧化二氮等。 n 碳氢化合物: 是以碳元素和氢元素形成的化合物,如甲烷、乙 烷等烃类气体。 大气污染典型事件之一1952年伦敦烟雾事件另:O3是大气污染物?n 作用: q 1、防紫外线 q 2、消毒 q 3、解毒,臭氧能通过氧化反应有效去除有毒气体,如C0、S02、 芥子气等。 n 危害:低浓度的臭氧可消毒、解毒,但超标的臭氧则是个无形杀 手 q 刺激人的呼吸道,造成咽喉肿痛、胸闷咳嗽、引发支气管炎 和肺 气肿 q 会造成人的神经中毒,头晕头痛、视力下降、记忆力衰退 q 会对人体皮肤起到破坏作用,致使人的皮肤起皱、 出现黑斑 q 臭氧还会破坏人体的免疫机能,诱发淋巴细胞染色体病变,加速衰 老, 致使孕妇生畸形儿 q 复印机墨粉发热产生的臭氧及有机废气更是一种强致癌物质,它会 引发各类癌症和心血管疾病。 1、何为大气污染?n 大气污染程度的指示方法—AQI q 空气质量指数(Air Quality Index, AQI)是反映空 气污染物,如最常见的氮氧化物、悬浮粒子和二氧 化硫水平的一个指数,一般是根据实际污染物观测 值并用特定公式算出。 q 指数常被用来对公众发布“空气质量日报”,让人 们知道目前的空气质量,从而更妥善地规划行程和 工作。 q 各个国家或地区对空气污染指数的计算方法和规定 有所不同,称谓也稍有区别。 Air Quality Index O3(ppm) O3(ppm) PM PM 10 2.5 指数 级别 8小时平均值 1小时平均值 (μg/m3) (μg/m3) 0.00-0.059 - 0-54 0.0-15.4 0-50 良好 0.060-0.075 - 55-154 15.5-40.4 51-100 中等 0.076-0.095 0.125-0.164 155-254 40.5-65.4 101-150 有害健康(对敏感人群) 0.096-0.115 0.165-0.204 255-354 65.5-150.4 151-200 有害健康 0.116-0.374 0.205-0.404 355-424 150.5-250.4 201-300 非常有害健康   0.405-0.504 425-504 250.5-350.4 301-400 危险   0.505-0.604 505-604 350.5-500.4 401-500 危险 Air Quality Index CO SO2 NO2 指数 级别 (ppm) (ppm) (ppm) 0.0-4.4 0.000-0.034   0-50 良好 4.5-9.4 0.035-0.144   51-100 中等 9.5-12.4 0.145-0.224   101-150 有害健康(对敏感人群) 12.5-15.4 0.225-0.304   151-200 有害健康 15.5-30.4 0.305-0.604 0.65-1.24 201-300 非常有害健康 30.5-40.4 0.605-0.804 1.25-1.64 301-400 危险 40.5-50.4 0.805-1.004 1.65-2.04 401-500 危险 AQI and Health Implications Pollutant Specific Sensitive Groups-- When index above 100… n Ozone q People with lung disease, children, older adults, and people who are active outdoors are the groups most at riskn PM2.5 q People with heart or lung disease, older adults, and children are the groups most at riskn PM10 q People with heart or lung disease, older adults, and children and the groups most at riskn CO q People with heart disease are the group most at riskn SO2 q People with asthma are the group most at riskHow do I calculate the AQI from pollutant concentration data?ExampleSuppose a monitor records a 24- hour average fine particle CLow CHigh ILow IHigh Category 0 15.4 0 50 Good (PM2.5 ) concentration of 12.0 15.5 40.4 51 100 Moderate μg/m³. Calculate the AQI Unhealthy for 40.5 65.4 101 150 based on the table left. Sensitive Groups 65.5 150.4 151 200 Unhealthy 150.5 250.4 201 300 Very UnhealthyThe equation above results in an 250.5 350.4 301 400 HazardousAQI of: 350.5 500.4 401 500 Hazardous 50 ? 0 (12.0 ? 0) ? 0 ? 39 15.4 ? 0corresponding to air quality in the "Good" range.ExampleSuppose you have an 8-hour ozone value of 0.077 ppm, a PM2.5 value of 40.9 μg/m3, and a CO value of 8.4 ppm. Calculate the AQI based on the table behind. Breakpoints for the AQI Example 150 ?101 O : (.077 ?.076) ?101 ?104 3 .095 ?.076 150 ?101 PM : (40.9 ? 40.5) ?101 ?102 65.4 ? 40.5 100 ? 51 CO : (8.4 ? 4.5) ? 51 ? 90 9.4 ? 4.5 So, the AQI is 104, with ozone as the responsible pollutant. 2、大气污染检测方法n 1.常规检测-基于大气采样器n 2.基于差分吸收光谱仪(DOAS) n 3.基于Thermo热电气体分析仪大气采样器大气采样器n 由收集器、流量计和抽气动力系统三部分构成: q 收集器: n ①吸收管:主要用于吸取气态或蒸汽态的污染物 n ②滤料采样夹:用于采集烟尘和颗粒物 n ③固体颗粒采样管:管内可装硅胶、陶瓷碎片或其他固体颗粒, 用于采集气态或雾态污染物。 q 流量计: n 一般转子流量计测定空气流量。或装配流量自动控制部件,以 保证在采样期间空气流量的稳定。 q 抽气动力系统: n 真空抽气系统。通常用电动真空泵、刮板泵、薄膜泵、电磁泵 或其他抽气泵。电动真空泵抽气量大,可配置在大流量采样器 上。刮板泵、薄膜泵、电磁泵抽气量较小,但重量较轻,携带 方便,可配置在小流量采样器上。 差分吸收光谱(DOAS)仪差分吸收光谱(DOAS)仪n 差分吸收光谱技术(DOAS:Differential Optical Absorption Spectroscopy)是一种光谱监测技 术,其基本原理就是利用空气中的气体分子的 窄带吸收特性来鉴别气体成分,并根据窄带吸 收强度来推演出微量气体的浓度 。差分吸收光谱(DOAS)仪差分吸收光谱技术的优点主要有以下几点 q 1) 仪器设计可实现紫外到可见光谱区的扫描,从而用一台仪 器可实时检测多种微量气体。 q 2) 由于该方法是非接触性测量,因而可以避免一些误差源的 影响,比如检测对象的化学变化、采样器壁的吸附损失等。 q 3) 差分吸收光谱技术所测得的气体浓度是沿几百米到几公里 长的光路上的气体浓度的均值,因而可以消除某些非常集中的 污染排放源对测量的干扰,使得检测结果更具有代表性。 q 4) 差分吸收光谱技术在揭示空气中尚未发现的成分方面有很 大的潜力,这主要依赖于对光谱反演算法中剩余光谱成分的分 析。Thermo大气污染物检测仪基于Thermo的检测原理 n 1、仪器原理介绍 q 42i型NO-NO2-NOX气体分析仪 q 43i型SO2气体分析仪 q 48i型CO气体分析仪 q 49i型O3气体分析仪 n 2、数据采集仪器介绍42i型NO-NO2-NOX气体分析仪仪器介绍42i型NO-NO2-NOX气体分析仪n 基本原理 q 一氧化氮(NO)的检测 n 一氧化氮(NO)和臭氧(O3)发生反应会产生一种特有的发光,而 光的强度与NO的浓度成线性比例关系。 NO+O3→NO2+O2+hv q 总氮(NOX)的检测 n 样气通过一个被加热至约325℃的钼,则空气中的NO2被转换成NO, 再根据一氧化氮(NO)的检测的检测原理,得出总氮(NOX) q 二氧化氮(NO2)的检测 n NO2含量= NOX含量- NO含量仪器介绍42i型NO-NO2-NOX气体分析仪n 检测过程分析 q 1、环境空气样品通过取样口被吸入42i 型分析仪中。样品流过一根毛细管, 然后流到模式电磁阀。电磁阀把样品 直接送到反应室(NO模式)或者通过 NO2至NO转换器再送到反应室(NOx 模式)。 q 2、干燥空气通过干燥空气取样口进入 42i型分析仪,通过一个流量开关,然 后通过一个臭氧发生器。臭氧发生器 用于产生化学发光反应所需要的臭氧。 在反应室,臭氧与样品中的NO发生反 应产生受激NO2分子并发出一种特有 的光。封装在热电冷却器内的光电倍 增管(PMT)用于检测此反应中产生 的发光。仪器内的微机处理系统根据 光强算出NO的强度。 q 根据NO和NOx模式中计算出来的NO 和NOx浓度即可算出NO2的浓度。42i 型分析仪将NO、NO2和NOx的浓度输 出到前面板显示器和模拟输出,同时 这些数据还可通过串行或以太网接口 输出 q 反应后的气体从反应室排除后,通过 臭氧(O3)转换器移动到泵,然后通 过通风孔排出。仪器介绍43i型SO2气体分析仪仪器介绍43i型SO2气体分析仪 n 基本原理 q SO2分子在吸收了紫外辐射后会处于一 种受激活的高能量状态,然后又会不断 衰减到一个较低的能量状态,并发出另 一波长的紫外光。 SO2 + hυ1 → SO2 * → SO2 + hυ2 而这种紫外光的强度与SO2的强度相关。 因此可以通过检测光强从而检测空气中 要SO2的含量 仪器介绍43i型SO2气体分析仪n 检测过程分析 q 1、环境空气样品通过取样口被 吸入43i型分析仪中。样品流经一 个洗涤池,洗去其中含有的碳氢 化合物(Hydrocarbon) q 2、紫外灯泡发出的紫外光经透 镜作用聚集到一镜面光具,该光 具有只反射特定光的作用,最后 进入荧光腔 q 3、洗涤后的气流进行荧光腔, 由于紫外光的作用,SO2被激活 了。 q 4、当被激活的SO2能量降低时, 会发出特定的紫外光,该光线通 过波段滤光片被光电倍增管 ( PMT)检测后,转换成与SO2 浓度相关的电信号 q 5、反应后的气体经气流探头, 毛细管、移动到泵,碳氢化合物 洗涤池外壁后,通过通风孔排出仪器介绍48i型CO气体分析仪仪器介绍48i型CO气体分析仪 n 基本原理 q 48i型分析仪是利用一氧化碳(CO)对 波长为4.6μm的红外辐射有吸收的特性 而设计的。因为红外吸收是一种非线性 测量技术,所以必须把原始的分析仪信 号转换为线性输出后才能用于实际检测。 q 48i型分析仪利用内部存储校准曲线可 校准任何浓度范围的仪器输出,可实现 仪器输出的线性化 仪器介绍48i型CO气体分析仪n 检测过程分析 q 来自红外光源的红外线依次通过旋 转的滤光轮中的CO与N2滤光器。 然后通过一个窄带干扰滤光片进入 光具腔 q 样气通过采样口进入分析仪,然后 进入光具腔,进行红外辐射吸收 q 由于CO滤光器会吸收全部红外辐 射,而N2滤光器不吸收红外辐射, 因此红外光源发出的红外光经过 CO与N2滤光器、光具腔,最后到 达红外检测器 q 透出光具腔的红外辐射由红外检测 器检测,并转换成相应的电信号 q 48i型分析仪根据电信号在前面板 上显示CO浓度,模拟输出,还可 通过串联或以太网连接获取数据。仪器介绍49i型O3气体分析仪仪器介绍49i型O3气体分析仪 n 基本原理 q 49i型分析仪是利用臭氧(O3)分子对波长为 254 nm的紫外辐射有吸收的特性而设计的。紫 外辐射吸收的量可以通过Beer-Lambert定律来 表示: q 其中K为分子的吸收系数(308/cm) q L为长度(38cm) q C为抽样浓度(PPM) q I为吸收光强 q I0为参考光强仪器介绍49i型O3气体分析仪n 检测过程分析 q 样气从采样闷头进入49I分 析仪之后被分为2路:1用 来测定吸收光强;2经臭氧 洗涤池洗去臭氧后用来测 定参考光。 q 两路气体由较螺旋阀控制 分别进入CELLA和CELLB, 两个CELL的光强通过 detectors A 和 B测得. q 49I分析仪通过计算得到O3 浓度,并输出结果。数据采集n 采集软件 q Iport数据采集软件n 采集方式 q 串口连接 q Modem连接 q TCP/IP连接基本界面采集软件n主要功能 q 实现远程控制 q 具有丰富的诊断信息 q 图形化功能以及下载功能 q 有动态数据交换机制(DDE) q 实现一对多的控制 q 打印功能以及固件升级功能串口连接串口连接Modem连接Modem连接Modem连接TCP/IP连接TCP/IP连接实验要求n 1、数据处理要求: q 根据研究目的,选择合适数据 q 对数据做质量控制,剔除异常n 2、数据分析要求 q 任取足够量的CO、SO2、NOx数据,分别做周变化曲线(取日平 均) q 取相同时段内足够量的O3、NO、NO2数据,分别做其日变化曲线 (取半小时平均) q 分析以上曲线变化原因 q 计算基于以上观测数据的AQI值n 3、参考 q 编写程序求解(Fortran、C、VB等) q 利用EXCEL相关功能求解(分类汇总、Time、Hour等函数)大气污染物的监测方法及资料分析--Thermo仪器在大气污染监测中的应用 严家德 大气物理与大气环境实验室主要内容n 1、何为大气污染,如何表征?n 2、常用检测方法n 3、基于Thermo的检测原理 q 仪器原理 q 数据采集方式n 4、实验要求1、何为大气污染?n 大气污染定义:当大气中,污染物质的浓度,达到有 害程度,以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的 条件,对人或物造成危害的现象 q 分类 :天然污染物和人为污染物。主要包括: n 颗粒物: 指大气中固体状物质,又称尘。 n 硫氧化物: 硫的氧化物的总称,包括二氧化硫,三氧化硫等。 n 碳的氧化物: 主要包括二氧化碳和一氧化碳。 n 氮氧化物: 是氮的氧化物的总称,包括氧化亚氮,一氧化氮, 二氧化氮,三氧化二氮等。 n 碳氢化合物: 是以碳元素和氢元素形成的化合物,如甲烷、乙 烷等烃类气体。 大气污染典型事件之一1952年伦敦烟雾事件另:O3是大气污染物?n 作用: q 1、防紫外线 q 2、消毒 q 3、解毒,臭氧能通过氧化反应有效去除有毒气体,如C0、S02、 芥子气等。 n 危害:低浓度的臭氧可消毒、解毒,但超标的臭氧则是个无形杀 手 q 刺激人的呼吸道,造成咽喉肿痛、胸闷咳嗽、引发支气管炎 和肺 气肿 q 会造成人的神经中毒,头晕头痛、视力下降、记忆力衰退 q 会对人体皮肤起到破坏作用,致使人的皮肤起皱、 出现黑斑 q 臭氧还会破坏人体的免疫机能,诱发淋巴细胞染色体病变,加速衰 老, 致使孕妇生畸形儿 q 复印机墨粉发热产生的臭氧及有机废气更是一种强致癌物质,它会 引发各类癌症和心血管疾病。 1、何为大气污染?n 大气污染程度的指示方法—AQI q 空气质量指数(Air Quality Index, AQI)是反映空 气污染物,如最常见的氮氧化物、悬浮粒子和二氧 化硫水平的一个指数,一般是根据实际污染物观测 值并用特定公式算出。 q 指数常被用来对公众发布“空气质量日报”,让人 们知道目前的空气质量,从而更妥善地规划行程和 工作。 q 各个国家或地区对空气污染指数的计算方法和规定 有所不同,称谓也稍有区别。 Air Quality Index O3(ppm) O3(ppm) PM PM 10 2.5 指数 级别 8小时平均值 1小时平均值 (μg/m3) (μg/m3) 0.00-0.059 - 0-54 0.0-15.4 0-50 良好 0.060-0.075 - 55-154 15.5-40.4 51-100 中等 0.076-0.095 0.125-0.164 155-254 40.5-65.4 101-150 有害健康(对敏感人群) 0.096-0.115 0.165-0.204 255-354 65.5-150.4 151-200 有害健康 0.116-0.374 0.205-0.404 355-424 150.5-250.4 201-300 非常有害健康   0.405-0.504 425-504 250.5-350.4 301-400 危险   0.505-0.604 505-604 350.5-500.4 401-500 危险 Air Quality Index CO SO2 NO2 指数 级别 (ppm) (ppm) (ppm) 0.0-4.4 0.000-0.034   0-50 良好 4.5-9.4 0.035-0.144   51-100 中等 9.5-12.4 0.145-0.224   101-150 有害健康(对敏感人群) 12.5-15.4 0.225-0.304   151-200 有害健康 15.5-30.4 0.305-0.604 0.65-1.24 201-300 非常有害健康 30.5-40.4 0.605-0.804 1.25-1.64 301-400 危险 40.5-50.4 0.805-1.004 1.65-2.04 401-500 危险 AQI and Health Implications Pollutant Specific Sensitive Groups-- When index above 100… n Ozone q People with lung disease, children, older adults, and people who are active outdoors are the groups most at riskn PM2.5 q People with heart or lung disease, older adults, and children are the groups most at riskn PM10 q People with heart or lung disease, older adults, and children and the groups most at riskn CO q People with heart disease are the group most at riskn SO2 q People with asthma are the group most at riskHow do I calculate the AQI from pollutant concentration data?ExampleSuppose a monitor records a 24- hour average fine particle CLow CHigh ILow IHigh Category 0 15.4 0 50 Good (PM2.5 ) concentration of 12.0 15.5 40.4 51 100 Moderate μg/m³. Calculate the AQI Unhealthy for 40.5 65.4 101 150 based on the table left. Sensitive Groups 65.5 150.4 151 200 Unhealthy 150.5 250.4 201 300 Very UnhealthyThe equation above results in an 250.5 350.4 301 400 HazardousAQI of: 350.5 500.4 401 500 Hazardous 50 ? 0 (12.0 ? 0) ? 0 ? 39 15.4 ? 0corresponding to air quality in the "Good" range.ExampleSuppose you have an 8-hour ozone value of 0.077 ppm, a PM2.5 value of 40.9 μg/m3, and a CO value of 8.4 ppm. Calculate the AQI based on the table behind. Breakpoints for the AQI Example 150 ?101 O : (.077 ?.076) ?101 ?104 3 .095 ?.076 150 ?101 PM : (40.9 ? 40.5) ?101 ?102 65.4 ? 40.5 100 ? 51 CO : (8.4 ? 4.5) ? 51 ? 90 9.4 ? 4.5 So, the AQI is 104, with ozone as the responsible pollutant. 2、大气污染检测方法n 1.常规检测-基于大气采样器n 2.基于差分吸收光谱仪(DOAS) n 3.基于Thermo热电气体分析仪大气采样器大气采样器n 由收集器、流量计和抽气动力系统三部分构成: q 收集器: n ①吸收管:主要用于吸取气态或蒸汽态的污染物 n ②滤料采样夹:用于采集烟尘和颗粒物 n ③固体颗粒采样管:管内可装硅胶、陶瓷碎片或其他固体颗粒, 用于采集气态或雾态污染物。 q 流量计: n 一般转子流量计测定空气流量。或装配流量自动控制部件,以 保证在采样期间空气流量的稳定。 q 抽气动力系统: n 真空抽气系统。通常用电动真空泵、刮板泵、薄膜泵、电磁泵 或其他抽气泵。电动真空泵抽气量大,可配置在大流量采样器 上。刮板泵、薄膜泵、电磁泵抽气量较小,但重量较轻,携带 方便,可配置在小流量采样器上。 差分吸收光谱(DOAS)仪差分吸收光谱(DOAS)仪n 差分吸收光谱技术(DOAS:Differential Optical Absorption Spectroscopy)是一种光谱监测技 术,其基本原理就是利用空气中的气体分子的 窄带吸收特性来鉴别气体成分,并根据窄带吸 收强度来推演出微量气体的浓度 。差分吸收光谱(DOAS)仪差分吸收光谱技术的优点主要有以下几点 q 1) 仪器设计可实现紫外到可见光谱区的扫描,从而用一台仪 器可实时检测多种微量气体。 q 2) 由于该方法是非接触性测量,因而可以避免一些误差源的 影响,比如检测对象的化学变化、采样器壁的吸附损失等。 q 3) 差分吸收光谱技术所测得的气体浓度是沿几百米到几公里 长的光路上的气体浓度的均值,因而可以消除某些非常集中的 污染排放源对测量的干扰,使得检测结果更具有代表性。 q 4) 差分吸收光谱技术在揭示空气中尚未发现的成分方面有很 大的潜力,这主要依赖于对光谱反演算法中剩余光谱成分的分 析。Thermo大气污染物检测仪基于Thermo的检测原理 n 1、仪器原理介绍
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