PM10高流量采样器.docx
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PM10高流量采样器
弘光科技大學環工系空氣污染實驗
PM10(高流量採樣器)
一、目的:
利用PM10高流量採樣器,採集空氣中小於10μm之微粒,是否符合空氣品質標準以判定是否有害,並以離子層析(IC)分析微粒中陰離子種類與濃度。
二、原理:
2.1PM10原理
美國環保署於1987年宣布以PM10代替TSP當為空氣品質標準中之微粒項目,PM10意義微小於10μm之微粒濃度,其標準為在24小時之採樣下,PM10濃度不得大於150mg/stdm3,由於小微粒能進入至人體之呼吸道,因此PM10之數據就顯得非常重要。
本實驗所用之儀器為高流量PM10採樣器(圖一),空氣由入口處吸入經由噴嘴加速,大於10μm之微粒會因慣性作用撞擊在塗grease的衝擊板上,而小於10μm之微粒跟隨流線經由venttube撞擊在濾紙由濾紙收集。
因為氣體流速與收進微粒之粒徑有關,為了收集小於10μm之微粒此設計之流量須維持在1.13m3/min(40ft3/min),流量則由濾紙下方的臨界流孔(criticalorifice)控制。
2.2離子層析儀原理
離子層析法是一種可以分離各種陰離子或陽離子之層析法,其原理為以離子交換樹脂當作靜相,分析物離子與流洗液得離子在樹脂上進行離子交換平衡反應,利用不同離子對離子交換樹脂的親和力之不同而達到分離的目的。
此實驗是藉陰離子交換層析法來分離樣品中的陰離子,並以電導度計來偵測之。
所使用的分離管柱是裝填有低容量(lowcapacity)之陰離子或陽離子交換樹脂,但由於所使用之流洗液(Eluent)是容易解離的陰離子電解質溶Na2CO3/NaHCO3,而且其濃度又比待測離子大很多,所以偵測到的分析離子訊號都要比流洗液所產生的背景訊號為小,因此分析結果的誤差就相當大,也無法分析濃度較低的待測離子。
為了解決此一問題通常是在分離管柱之後、電導度偵測器之前多加一個抑制裝置(Suppressor),它能有效的將流洗液轉變成微弱電解質,當此弱電解質溶液流過電導度計偵測時,只會微量解離,故產生較小之導電度,而且此導電度又為一定值,故可再儀器上歸零。
然而當分析離子經過分離管分離後,再流經抑制器時,分析離子將被轉變成更強的電解質HCl,故更容易被電導度計偵測到。
Separator:
2Anex─Cl-+Na2CO32-→Anex2CO32-+2Cl-+2Na+……………
(1)
Suppesor:
Catex-H++Na++Cl-→Catex-Na++HCl……………………….
(2)
2Catex-H++2Na++CO32-→2Catex-Na++H2CO3………………(3)
一般來說,半徑較大及所帶電荷較多之離子,其與離子交換樹脂之親和力較強,所以滯留時間較長。
傳統抑制管柱(Suppressor)使用一段時間就需週期性再生,相當麻煩、費時,如今有一種薄膜抑制器(MembranceSupperssor),它可以連續使用而不需再生。
分析陰離子時,此薄膜為陽離子交換薄膜,由於流洗液與抑制器再生液(regenerant)在此離子交換半透薄膜(M)內外兩邊以反方向相對地連續流動,流洗液中的陽離子(如Na+)即可與再生液(H2SO4)中的H+透過陽離子交換薄膜而進行交換,因此當流洗液Na2CO3/NaHCO3及分析物離子Na+,Cl-流過薄膜抑制器後,會被分別轉換成H2CO3和HCl。
離子層析法乃是使待測溶液通過充填樹脂之分離管,離子與樹脂產生交換作用而吸附於樹脂交換基之上,此時加入流洗液沖提,使其脫離交換基,再度變成自由離子,再不斷重複此一吸附-沖提循環作用。
由於溶液中離子電荷數,離子半徑及質量等因素,對樹脂之親和力會產生差異,親和力越大越容易吸附,且越難沖提,因此造成通過分離管所需之時間不同,並且各自形成離子群,此時再測量其總導電值,便可做定性、定量分析。
空氣樣品中的待測陰離子,隨碳酸鈉及碳酸氫鈉流洗液流經一系列之離子交換層析管時,因其與低容量之強鹼性交換樹脂間親和力不同而被分離。
分離後之待測陰離子再流經一高容量之陽離子交換樹脂之抑制裝置。
而被轉換成具高導電度酸之型態,流洗液則轉換成低導電度之碳酸,經轉換後之待測陰離子再流經電導度偵測器,即可依其滯留時間及波峰面積予以定性及定量。
三、實驗設備:
3.1採樣設備
1.PM10高流量採樣器
2.8''×10''濾紙
3.濾紙放置盤
4.矽膠油(grease)
5.鑷子
3.2分析設備
1.離子層析儀(IC)
2.注射針
3.注射針過濾頭
3.3IC儀器組件
型號:
DX-100IonChromatogrphy,DionexUSA
分析管柱:
AS4-HC
保護管柱:
AG4-HC
偵測系統:
比導電度偵測器
流洗液:
1.8mMNa2CO3/1.7mMNaHCO3
輔助氣體:
高純度氮氣(99.99%)
氮氣壓力:
5-10psi(大約5psi)
SampleLoop:
25μl
管柱壓力(Psi):
約1050psi
EluentNitrogenPressure:
7Psi
3.4藥品
1.乙醇(LC級)
2.過氯酸(LC級)
3.Na2CO3
4.NaHCO3
3.5藥品製備
3.5.1製備10-4N過氯酸
10-4N過氯酸(精取0.0164ml過氯酸定量2L)
過氯酸原始濃度:
70%
3.5.2陰離子流洗液配製
精稱0.1428gNaHCO3及0.1908gNa2CO3,加純水溶解,並稀釋至1000ml,及配成1.8mMNa2CO3/1.7mMNaHCO3流洗液,在以0.45μm濾膜過濾。
四、實驗方法:
4.1PM10採樣步驟
1.打開題蓋取出衝擊板,噴上矽膠油(grease),如衝擊板已髒,則需先清洗。
2.將濾紙稱重為W0。
3.將8''×10''之濾紙裝至採樣器上。
4.將儀器送至採樣地點。
5.插上110volt電源開始採樣,記錄採樣時間T0。
6.採樣時間24小時,採樣完畢後記錄時間下T1。
7.將濾紙稱重為W1。
4.2萃取步驟
1.將濾紙切成6片,再放進萃取瓶中
2.用LC級的乙醇潤溼
3.加入10-4N的過氯酸萃取(依照濾紙大小做量的調整)
4.經磁波震盪約10分鐘
5.使用小濾頭於注射針頭前,以防萃取液中物質阻塞IC管柱
4.3IC開關機步驟
4.3.1DIONEXDX-100開機步驟
1.打開氮氣鋼瓶,將氣體壓力調至90~100psi。
a.必保持在90~100psi,以作動InjectionValve。
b.測陰離子則用陰離子流洗液,測陽離子則換成陽離子流洗液。
2.打開系統電源。
3.壓下HighLimit,至指示燈跳至所欲設定之最高限壓。
4.選擇Range--10。
5.啟動Pumpon。
6.開啟SRSControlleron。
a.若Eluent桶子為重新裝置,請同時打開bypass螺絲直到無氣泡為止,再鎖上。
但啟動幫浦前,請把SRSControlleroff,避免電解空氣,造成Suppressor損傷。
7.等系統平衡直至Bassline穩定即可開始分析檢體。
8.啟動積分器:
a.開啟電源
b.attent設為1024
c.CHATSPEED設為1
d.PT=10000
9.注入未知濃度的萃取液
4.3.2DIONEXDX-100關機步驟
1.關掉SRSControlleroff。
2.將Pumpoff。
3.關掉氮氣鋼瓶。
4.將殘餘氣體放掉。
5.將電源關掉。
4.4檢量線製作
1.利用已知濃度之五個(包括0ppm)或更多個標準溶液,做出濃度與面積的關係取線,再利用線性迴歸以求出一條直線,此線便稱為檢量線,而後在測未知濃度之樣品時,利用其面積在先前求出之檢量線找出濃度資料,唯應注意樣品之濃度不能超過最大濃度之標準液,因為檢量線之製作符合皮爾定律,但超過最大濃度之標準液時,亦即以超出檢量線範圍。
2.用office2000之Excel程式,繪製檢量線─
a.先執行Excel程式,並輸入標準品之濃度及面積。
b.於圖表精靈之【圖表類型】中,選用﹝XY散佈圖﹞,按『下一步』。
c.於【圖表選項】中,輸入及勾選各參數。
d.於【圖表選項】之『格線』中,將選項空白。
e.選定圖表放置之位置,按『完成』。
f.初步之檢量線,可將滑鼠指標移至各標題,連按左鍵兩次進入修改。
4.5實驗流程
1.取兩張濾紙(空白樣品及真實樣品),分別秤重並紀錄重量為W0。
2.取其一張濾紙置入PM10高流量採樣器中連續採樣8小時,其二則作為採樣背景值。
3.完成採樣8小時之濾紙,置入恆溫箱中繼續橫溫24小時,秤重並紀錄重量為W1。
4.將濾紙裁剪成適當大小,以LC級乙醇完全潤濕後。
5.再以10-4N的過氯酸淹蓋濾紙,利用超音波震盪15~20分鐘。
6.將所得溶液注入離子層析儀(IC)中,並作定性及定量分析。
五、實驗結果:
5.1紀錄:
採樣日期:
採樣地點:
採樣流量(Q):
採樣時間(Δt):
採樣前濾紙重(g)
採樣後濾紙重(g)
採集樣品
空白試驗
顆粒計算:
濃度計算:
利用檢量線換算溶液中各陰離子濃度並換算成氣膠中離子濃度:
離子種類
溶液濃度(mg/L)
氣膠中離子濃度(mg/mg)
百分比(%)
六、問題討論:
1.何謂PM10?
2.此次採樣結果為何?
實驗結果是否超過美國空氣品質標準?
3.當採樣流量過大或過小時,對實驗結果有何影響。
4.何謂criticalorifice?
5.由氣膠中陰離子濃度比較台中(或中部)地區相關採樣分析文獻資料,說明本次實驗與文獻資料之差異性與原因。
圖一、PM10高流量採樣器示意圖
圖二、IC離子層析儀示意圖