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監測原理介紹

大氣的狀態是變幻莫測的,空氣品質也隨著污染物移動而有所變化。藉由不同測項分析儀器即時收集相關數據定時紀錄,再經由軟硬體設備進行品質管制,並進一步計算數值並提供正確、發布可靠的資訊,藉此有效掌握空氣污染物的變化及流向、以利後續的趨勢推估與預測。

一氧化碳 (CO) -紅外線法

一氧化碳 (CO) 分析儀是利用非散射性紅外線吸收原理所設計的儀器,其原理為利用 CO 會吸收 4700nm 左右波長的紅外線,藉由紅外線發射前與接受後的強度差異改變,去定量出空氣中 CO 的濃度,因為紅外線吸收程度與CO的濃度有比例關係,吸收度越高,相對所測量空氣中的 CO 濃度也越高。

當空氣樣品開始分析時,系統會將空氣引進樣品反應室內,然後照射紅外線,再量測紅外線的強度,空氣樣品分析結束後,樣品氣體回流,經過觸媒單元去除 CO 氣體,再進入反應室,此時反應室裝的氣體為零點氣體(不會吸收紅外線的氣體),也就是說,所量測的紅外線吸收度是零。由此比對先、後進入反應室的紅外線吸收度。樣品氣體進入反應室之前,會先通過一個除濕器及過濾器,因為大氣中會含有水氣及懸浮微粒,這兩種物質也會吸收紅外線,會干擾 CO 的分析,必須去除才不至於造成干擾。

臭氧 (O3) 紫外光吸收法

臭氧 (O3) 分析儀是一部利用紫外光 (UV) 吸收原理設計的儀器。臭氧會吸收在 254nm 波長左右的紫外燈光,當系統啟動紫外燈光照射樣品氣體時,如果氣體內含有臭氧分子時,那接收紫外燈光後的強度會降低。發射前跟接受後的紫外燈光強度差異與臭氧的濃度成比例關係,所以在這樣的比例關係下,便可以用來定量空氣中臭氧的濃度,也就說吸收程度越高,則空氣中的臭氧濃度越高。

在大氣狀態下的混合空氣中,經常含有也會吸收波長 254nm 紫外光的物質,例如二氧化硫 (SO2) 及芳香族化合物這樣常見的物質,我們稱為干擾物。在分析氣體時,系統會選擇性讓氣體通過一個臭氧去除器(使用氧化錳),沒有通過去除器的氣體,所測量出的吸收度是所有會吸收 UV 的氣體,氣體裡面可能有臭氧或者沒有。而有通過臭氧去除器的氣體,所分析出來的吸收度是不包含臭氧的。所以通過去除器與未通過兩者之間的吸收度差異,就是臭氧的吸收度。如果兩者之間的差異過低或者沒有差異,那很可能表示樣品空氣中沒有臭氧,或是濃度過低超出儀器能分析的極限。

氮氧化物 (NOx )-化學發光法

氮氧化物 (NOx) 分析儀根據化學發光法作為設計原理。此原理是利用臭氧與一氧化氮進行氣相反應,使得一氧化氮活化成二氧化氮。而二氧化氮回復較低能量狀態時,會放射出螢光,波長為 500~3000nm 左右,最大強度大概在 1100nm 波長。

儀器利用這種原理,將臭氧放入反應室與一氧化氮進行反應,然後再測量反應後的螢光強度。而螢光強度與一氧化氮的濃度成比例,套入公式計算後便能得知濃度。

而如果要測量空氣中的總氮氧化物,則要將氣體樣品送入轉換器(由鉬元素製作),將氣體中的二氧化氮轉化成一氧化氮後,再進行與臭氧的活化反應。由此便可得知,空氣樣品透過轉換器就能測出總氮氧化物濃度,不經過轉換器在分析的話,可得到一氧化氮濃度。總氮氧化物扣除一氧化氮則為二氧化氮的濃度。

二氧化硫 (SO2) -紫外光螢光法

二氧化硫分析儀器是根據吸收紫外燈光後,當回到穩定狀態時發出螢光原理,二氧化硫會吸收 200~240nm 波長的紫外光,當 SO2 分子吸收紫外光後,在降回基態時會產生 300~400nm 波長的螢光,而產生出來的螢光總量與 SO2 成正比,所以利用此特性來分析空氣中 SO2 的濃度。

大氣中的氣體樣品透過真空泵採樣送至系統內。氣體樣品中經常含有碳氫化合物,會干擾 SO2 的濃度分析,必須先將樣品透過去除器,移除碳氫化合物,才能將氣體樣品送至反應室內進行分析。紫外燈光會先透過一個鍍鋅的鏡片,能將 214nm 波長的紫外光分離出來,集中於反應室與 SO2 反應。反應後產生的螢光會集中於光電倍增管,最後再轉換成電子訊號,經處理系統運算出空氣中 SO2 濃度。

懸浮微粒(PM10)-貝他射線法

貝他射線分析儀能有效分析空氣中粒狀物濃度,能長時間自動連續性的進行空氣中粒狀物監測。儀器設計原理是根據貝他射線通過濾紙衰減量不同,再由系統計算出粒狀物濃度。大氣中的氣體樣品透過空氣泵引至系統內,在進入分析系統內之前,會先經過採樣系統,此系統可分為採樣口、篩分器及加熱裝置,目的在於決定進入分析系統的粒徑大小,例如 PM10 或 PM2.5 ,以及避免水分的干擾。

當氣體樣品進入系統內會透過特殊材質(如:玻璃纖維)的濾紙,將空氣中的粒狀物收集。系統內有裝置放射性元件(例如用 14C 作為放射物質)用來發射輻射脈衝,當輻射穿過濾紙後會由計數器裝置接收,用來計數脈衝強度。

濾紙在收集粒狀物之前會先測量空白濾紙的輻射強度,這樣便可得知濾紙收集粒狀物前後的差異,而強度的差異與粒狀物質量成比例,因此系統便由此計算出空氣中粒狀物 (PM10 或 PM2.5) 濃度。

懸浮微粒 (PM10) -質量慣性法

以質量慣性法所設計的分析儀器,可以用來測量空氣中粒徑在 10 微米(μm)以下之粒狀污染物(PM10)濃度。其原理是利用微量天平(震盪原理)去量測濾紙重量,而濾紙則是直接裝置在天平,當空氣樣品通過濾紙時(濾紙後面有排氣的管路),濾紙會因收集了空氣中的 PM10 而產生重量改變,藉由此重量的變化,系統便能運算出空氣中 PM10 的濃度。空氣透過泵浦引進系統內進行分析之前,需要透過採樣器的輔助,將空氣中非 PM10 的物質以及會干擾分析的水氣給予去除。