Picarro气体分析仪在HOMEChem 研究中对室内氨浓度的实时测量

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研究人员使用了 Picarro G2103 分析仪对氨的浓度进行测量,使我们能够探索诸如清洁、烹饪和入住等常见室内活动以及作为供暖、通风和空调系统对室内氨的浓度变化的影响

概述

氨(NH3)被美国有毒物质和疾病登记署归类为极其危险的物质,会对人体健康的造成负面影响。尽管在室外时氨的浓度通常为1-5 ppb,但在室内氨的浓度可能要高得多。室内氨的来源主要有:清洁产品的使用、烟草烟雾、建筑材料以及人类排放。氨与酸性气体以及漂白剂发生反应,会形成二次气溶胶物质,导致生态环境受到破坏、影响人类身体健康。

人们在室内的时间明显多于室外,人们大约90%的时间在家里、办公室或学校等室内建筑中度过,因此研究室内氨的浓度非常重要。由于氨具有高反应性、易溶于水、易吸附到各种表面等特点,导致很难测量出来,因此室内氨浓度的综合评价仍然是一个未被充分研究的课题。

方法

研究人员分别对冬季使用和不使用煤油加热器以及夏季使用和不使用空调的家庭中室内氨的浓度变化、办公楼内氨的浓度变化进行研究。

以前的研究通常是使用扩散取样器或带有剥离器的主动取样器来完成的,这些方法导致了许多限制,如较低的准确度和非实时测量。因此,需要提高室内测量的精度和高时间分辨率,以便能够确定影响室内动态氨浓度的因素。在此,研究人员使用了Picarro G2103分析仪对氨的浓度进行测量,使我们能够探索诸如清洁、烹饪和入住等常见室内活动以及作为供暖、通风和空调系统对室内氨的浓度变化的影响。该仪器使用光腔衰荡光谱(CRDS)分析技术来实时测量十亿分之(ppb)水平的氨。Picarro G2103分析仪放置在住宅的厨房里,位于冰箱上方,高度约2米,与炉子和烤箱的距离约为4米。仪器的入口很短,大约5厘米长,带有一个内嵌的特氟龙过滤器,以防止颗粒侵入仪器。

结果

图1总结了在以前的研究中观察到的氨浓度,表S1中给出了研究的更多细节。浓度值根据进行测量的季节和研究地点(学校、办公室或住宅)进行分类。除了一个以外,所有的数值都大于10 ppb,这个水平被认为是室外高浓度的氨。学校和办公室是氨浓度最高的地方,分别达到了440和103 ppb的最高值。家庭中的氨含量在8.1到67.7 ppb之间。 将之前研究中发现的家庭氨浓度与直方图指示的HOMEChem中发现的浓度进行比较。 直方图似乎与之前的结果一致,并提供了关于浓度值频率的额外信息。

图1.以前研究中发现的室内NH3浓度与HOMEChem实验中发现的室内NH3浓度的频率进行了比较。浓度值根据进行测量的季节(夏季或冬季)和指定的地点(学校、办公室和家庭)进行分类。

    表1汇总了在上述不同活动期间测量的最小、第10个百分位数、平均值、第90个百分位数和最大NH3浓度的值。这些活动包括背景测量、夜间高温、反应时间、烹饪活动、清洁活动和入住率。背景浓度平均为31.9 ppb,每一次活动都会引起氨浓度升高。

表1.测量期间的氨浓度的变化

    室内氨的浓度对房屋的室内温度有着很强的依赖性。 图2显示了两天不同的温度、相对湿度和氨浓度。图2a为空置背景的测量结果,房屋保持平均温度为25.3°C,相对湿度为57.8%,氨的平均浓度为31.9 ppb。图2B为夜间高温期间的测量结果,室内温度平均为32.7°C,相对湿度为49.1%,氨的平均浓度为65.4 ppb。夜间高温测量时的平均温度比背景测量时高出7.4°C,浓度提高了33.5 ppb。

图2.a)2018年6月15日为空置背景,将温度设置为~25.5°C;b)2018年6月24-25日为夜间高温,将温度设置为~32.2°C。

    在图2中,可以很容易地观察到暖通空调系统对氨的浓度的影响:当空调打开时,冷却盘管是湿的(因为冷却盘管的温度低于空气的露点温度),温度、相对湿度和氨的浓度都会下降。当空调关闭时,温度、相对湿度和氨的浓度会立即开始上升。

    图3显示了测量期间氨的浓度、室内温度和相对湿度的变化。上午10点。空调被关闭,温度从起始温度24.8°C持续上升到最终最高温度35.5°C。氨浓度也在上升,在白天期间,氨的浓度最高可达到91.6 ppb。然而在房屋冲洗期间,门窗被打开,低氨浓度的室外空气快速进入室内,室内氨的浓度迅速下降。请注意,在室内测量的氨浓度从未下降到典型的室外值,这表明室内氨的持续排放。因为在所有窗户和门打开的过程中氨的浓度都很高,这表明室内有大量的氨可以迅速释放到气相中以保持平衡。

图3. NH3响应时间活动期间的 浓度、温度和相对湿度。 黄色柱子显示了30分钟的房屋冲洗周期,即门窗打开的时间范围。

Observations and Contributions of Real-Time Indoor Ammonia Concentrations during HOMEChem

Laura Ampollini, Erin F. Katz, Stephen Bourne, Yilin Tian, Atila Novoselac, Allen H. Goldstein, Gregor Lucic, Michael S. Waring, and Peter F. DeCarlo

Environmental Science & Technology 2019 53 (15), 8591-8598

DOI: 10.1021/acs.est.9b02157

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