海尔欣参与国家环境监测总站氨气分析设备测试
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背景概述

       为了推进国家环境空气氨气在线监测技术标准的制定工作,2020年底,应中国环境监测总站的邀请,海尔欣科技携HT-8700(国产)分别在北京和上海开展了大气氨自动监测设备对比测试实验,与数台进口、国产的氨气分析仪同台竞技,开展技术摸底实验。


     HT-8700是海尔欣自主研发的一款基于量子级联激光吸收光谱原理(QCLAS)的高灵敏大气痕量氨气分析仪。它采用独一无二的开放式光腔设计,避免了采样管路对氨气分子的吸附和迟滞效应。不到100W的仪器功耗,非常适合在无电网区域的偏僻台站和移动载具上部署和观测。

图1. HT-8700具备IP67设计防水标准可直接安装于监测站楼顶露天环境


在北京总站,工作人员测试了在不同标气浓度下仪器的响应情况。



图2.北京环境监测总站标气测试响应曲线

可以看出仪器从高浓度回落至零点附近的时间响应非常快,这也是直接光谱测量方法相比传统的间接化学发光法的优势之一。通过对配气浓度和测量浓度进行线性拟合,得到仪器在0 - 700ppb测量范围内的测量/标气线性斜率为0.9983、R2 为0.99929。



图3. 0 - 700ppb范围线性拟合

在上海环境监测站室内环境,工作人员将HT-8700横向安装,测试了在低浓度范围0--200ppb之内的仪器性能。


图.4 横向安装的HT-8700


图5. 0 - 200ppb浓度阶梯测试曲线


通过图5曲线可以看出仪器的线性和稳定性。对配气浓度和测量浓度进行线性拟合,可以得到斜率为0.98,R2 为0.99957。

图6. 0 - 200ppb线性拟合

北京总站和上海总站的测试结果表明,在不同安装方式和高浓度和低浓度标准气体的测试下,HT-8700分析仪具有良好的线性度和准确度。用户可以根据不同应用场景,选择合适的安装方式进行测量。如:车载时可选择横向安装,野外氨通量观测时可选择纵向安装,当主风向稳定时,也可选择横向安装。
接下来,分别测试了零点噪声,24H零点漂移,80%量程漂移及量程噪声,20%量程漂移及20%量程精密度。

零点噪声:1小时数据检查HT-8700E的零点噪声。

图7.  1小时数据零点噪声

根据HJ654-2013 中零点噪声及最低检出限的测试方法测试零点噪声及检出限。
经过计算:零点噪声S0:0.06ppb    检出限RDL:0.12ppb。



漂移:按 HJ654-2013 的测试要求计算 24h的零点漂移、20%量程漂移和80%量程漂移。测试如下图。


图8. 80%量程(160ppb)24h漂移

图9. 20%量程(40ppb)24h漂移

根据图8和图9测试结果,可以看到20%量程漂移和80%量程漂移均小于2%。说明HT-8700具有良好的重复性和稳定性。

测试结果:


         零点噪声:S0: 0.06ppb
        检出限RDL:0.12ppb
        响应时间*:2min
        20%量程漂移:0.67%
        20%量程精密度:2.15%
        80%量程漂移:2.37% 
        80%量程噪声:1.22ppb



此外,HT-8700也与基于激光腔衰荡(CRDS)原理的某进口知名品牌的痕量氨分析仪在室内进行了数据比对。


图10. HT-8700和进口CRDS仪器测试对比


从图10的对比数据中,我们可以看出HT-8700与基于激光腔衰荡CRDS原理的进口仪器的结果非常接近,双方的变化趋势,测量精度和响应时间也相当一致。
从本质上来讲,HT-8700既是一台氨气浓度分析仪,其特有的高频测量性能也使其具备利用涡动协方差(Eddy Covariance)技术实现氨通量的测量的能力。对于氨气这类活性强,本地化特性明显的分子,通量测量是观测氨排放源(Source)与汇(Sink)的重要方法,逐渐成为国际上对氨观测的流行方法。因此,用户选择HT-8700系列产品,可以实现在大气边界层特定观测条件下,大气氨本底浓度与氨排放(沉降)通量数据的同时获取。

小课堂:


为什么要如此关注大气中的氨气?
氨气是一种一直被忽略的、被低估的、有毒的、碱性的、减排压力很大的气体;
因为没有太多温室效应,没有纳入到温室气体排放的监测中;
因为不参与光化学反应,对平流层臭氧空洞没有什么影响;
因为80%以上的排放源来自于农业化肥的施用以及畜牧业的生物排泄,而未纳入到工业排放监控中去;
因为农业的发展和人民生活水平的提高,需要更多的农产品和更多的蛋奶禽肉,因此离不开更多化肥的施用和畜牧业的发展;
因为更多的生鲜储存需要更多的制冷剂,而无水液氨是一种重要的工业制冷剂;
而农业的无组织排放过于分散、单位规模小,以及当前的仪器不能满足监测大气氨浓度的需求,让氨气一直没有得到应有的重视和监控;
而实际上氨气作为大气中唯一的碱性气体,极易和大气中的SO2和NOX反应形成二次无机气溶胶,是很多城市大气颗粒物,也就是雾霾的主要元凶之一;
而氨常常是大气氮沉降的最大单一来源,既可以干沉降的方式,也可以雨水形成湿沉降的方式重新回到地表,是造成土壤酸化和水体富营养化的主要因素,对环境、人体和动物的健康造成长期影响,极大的降低了生物多样性。


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