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ARA N-FRM | 一款滿足美國 EPA 參考方法性能要求的便攜式空氣采樣器

時間:2021-11-26 14:26:23作者:admin1

美國 EPA 在野火事件期間研究了 5 個非監(jiān)管的小型過濾采樣器，發(fā)現(xiàn) ARA N-FRM 采樣器的準(zhǔn)確度很高，并且可以滿足美國 EPA 聯(lián)邦參考方法性能要求。今天，我們通過解讀美國環(huán)境保護署（EPA）和美國林務(wù)局（USFS)在《Atmospheric Environment 》雜志上發(fā)表題為“Evaluation of small form factor, filter-based PM2.5 samplers for temporary non-regulatory monitoring during wildland fire smoke events ”的研究論文，了解一下ARA N-FRM在大氣 PM2.5監(jiān)測中非常高的準(zhǔn)確度和精密度。

研究背景

美國的野火事件和相關(guān)的空氣污染顆粒物排放在過去的二十年里一直在增加。據(jù)估計，每年野火造成的 PM2.5 總量多達整個美國大陸的 25%，美國西部的一半。而長期監(jiān)管 PM2.5 的監(jiān)測站點集中在較大的人口中心，因此在許多情況下，受煙霧影響的更偏遠(yuǎn)的小型人口中心通常缺乏足夠的空氣質(zhì)量觀察數(shù)據(jù)。

在這篇文章中，作者在典型的環(huán)境和模擬近場到中場野地火災(zāi)煙霧條件下評估了幾種市售的針對PM2.5的小型采樣器（SFFFS）的準(zhǔn)確性，以便在規(guī)定和野火事件期間用于臨時部署。

研究方法

文內(nèi)作者首先簡單介紹了3個品牌5種型號配置針對PM2.5的小型采樣器。每個儀器的規(guī)格信息如下表所示：

然后每個采樣器都按照 EPA 候選等效方法測試規(guī)范（40 CFR Part 53）中的詳細(xì)說明進行性能評估。在野火環(huán)境下和模擬野地火災(zāi)暴露測試期間，通過與美國環(huán)保署設(shè)計的FRM PM2.5采樣器（Tisch PM2.5 FRMs）進行比較，研究了每個 PM2.5 SFFFS 的準(zhǔn)確度、配置精度、斜率、截距、決定系數(shù) (r2) 和 ΔPM2.5（FRM PM2.5 - SFFF
PM2.5）；使用TSI公司3321型空氣動力粒度儀（APS）每隔5分鐘監(jiān)測環(huán)境氣溶膠粒度分布。環(huán)境測試在北卡羅來納州研究三角公園的環(huán)境保護局環(huán)境空氣創(chuàng)新研究場所(AIRS)進行，模擬荒地火災(zāi)煙霧暴露測試在美國林務(wù)局(USFS)落基山火災(zāi)科學(xué)實驗室位于密歇根州米蘇拉的大型燃燒室研究設(shè)施進行。最后進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

研究結(jié)果

1、環(huán)境測試

環(huán)境測試是在環(huán)境保護局空氣污染研究現(xiàn)場進行的共32個采樣日，在該研究現(xiàn)場，Tisch PM2.5 FRM與5個SFFFS一起部署且同時進行采集，用于性能評估。

在32個采樣日內(nèi)，Tisch FRM平均每日PM2.5濃度為7.62±2.60μg m− 3，只有四天超過24小時濃度10μg m− 3。ARA N-FRM對32個所有樣本天數(shù)均返回為有效，而MiniVol有兩個樣本無效（一個樣本未在整個樣本持續(xù)時間內(nèi)運行，另一個樣本的計算PM2.5濃度為32高，表明存在潛在的過濾器污染問題），Omni FT有一個樣品無效（計算出的樣品濃度為2倍，表明存在潛在的過濾器污染問題）。N-FRM平均濃度為7.49±2.70μg m−3 ，平均準(zhǔn)確度為97.3±1.9%，這兩個值都是研究中的最佳值。詳見下表：

FRM對小型采樣器pm 2.5(μg·m-3)的散點圖

由圖可知：N-FRM精度為1.3±1.2%，平均ΔPM2.5僅為0.1±0.2μg m− 3，N-FRM在周圍環(huán)境實驗結(jié)果中性能比其他的SFFF好。

儀器通過內(nèi)部質(zhì)量流量計維持體積流量以及環(huán)境溫度和壓力校正的能力。只有N-FRM與 FRM 以相同的 16.7 Lpm 流速運行，可以和FRM一樣極大限度地減少揮發(fā)性和半揮發(fā)性氣溶膠組分中潛在損失的不確定性。

2、室內(nèi)煙霧測試
燃燒室試驗由USFS燃燒研究中心的31個靜態(tài)燃燒室組成。 APS 在31個靜態(tài)燃燒室獲得的數(shù)據(jù)中，PM2.5質(zhì)量峰值在大約0.75和1.5μm的空氣動力學(xué)直徑處呈三模態(tài)質(zhì)量分布——高濃度陰燃燃燒的狀態(tài) 。實驗中平均氣溶膠粒徑分布的箱須圖如下圖所示：

以美國環(huán)保署的FRM作為參考值，SFFFS測試準(zhǔn)確度從高到低依次為FRM(98.2±1.4%)、LFR-6 (97.5±2.6%)，URG(96.4±4.5%)，Omni FT(96.3±3.8%)，和MiniVol(94.1±5.0%)。詳見下表：

與環(huán)境測試結(jié)果一致，室內(nèi)測試發(fā)現(xiàn)N-FRM在現(xiàn)場具有極佳的準(zhǔn)確度和精密度，LFR-6平均ΔPM2.5低于其他的SFFFS。ARA N-FRM和ARA LFR-6取樣器的性能表明，當(dāng)部署用于高濃度野火煙霧事件時，它們都能夠提供可接受且準(zhǔn)確的PM2.5質(zhì)量濃度測量。

研究結(jié)論

本研究中的所有取樣器在測定環(huán)境和煙霧環(huán)境中的PM2.5總濃度方面表現(xiàn)良好，ARA N-FRM更是可以達到EPA PM2.5 FRM質(zhì)量測量精度性能的標(biāo)準(zhǔn)。此外，與傳統(tǒng)的FRM采樣器相比，其成本更低，部署更方便，可以有效的用于科學(xué)監(jiān)管PM2.5濃度相關(guān)數(shù)據(jù)采集的工作。
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