空气质量监测中标准状态对测定结果的影响及建议

李虹杰，孙 焰，祁士华，李恺骅，范新峰，李金平

1.武汉市天虹仪表有限责任公司，湖北 武汉 430223 2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074

空气质量监测中标准状态对测定结果的影响及建议

李虹杰1，孙 焰2，祁士华2，李恺骅1，范新峰1，李金平1

1.武汉市天虹仪表有限责任公司，湖北 武汉 430223 2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074

环境空气质量标准中各种污染物的浓度限值是评价、考核空气质量状况的基本依据。为了保证在不同时空、不同环境状况下监测数据的可比性，各个国家或组织在制定的空气质量标准中对标准状态(温度和压力)进行了定义。但是，由于标准状态定义不同，即使是同一环境状况下的同一实测结果进行标化计算后的污染物浓度也不相同，达不到可比性的基本原则。因此,建议中国在未来修订空气质量标准所采用的标准状态，进一步与国际接轨。

标准状态；环境空气；质量标准；浓度限值

环境空气质量标准是国家空气质量管理工作的出发点和归结点[1]，旨在保护环境，保护人体健康，防治大气污染，中国环境空气质量标准的形成、制定、实施以及发展与大气污染状况的变化形势、控制目标和国情相适应，并且是与中国环境立法和环境事业同步发展的[2]。

中国新的环境空气质量标准调整了污染物项目及限值，增设了PM2.5平均浓度限值和臭氧8 h平均浓度限值；收紧了PM10等污染物的浓度限值；收严了监测数据统计的有效性规定，将有效数据要求由原来的50%～75%提高至75%～90%；更新了二氧化硫、二氧化氮、臭氧、颗粒物等污染物项目的分析方法；明确了标准分期实施的规定。总体而言，实现了与国际的接轨，但污染物浓度的计量标准与其他国家有不同，不同标准状态下气体体积不同，其空气质量浓度会有所区别，不利于学术上的相互比对。

20世纪以来，国内外环境空气质量标准已取得新的进展，很多学者通过对国外环境基准体系框架的构成和已有研究成果的分析，提出了中国环境空气质量基准研究框架与体系的构建[3-4]。但主要是就污染物项目、标准形式及浓度阈值等进行分析比较，对于是否在同一气体状态却鲜有提及。在不同气体状态下，污染物浓度阈值也将会有所区别，因此本文主要通过对不同国家的气体标准状态进行研究来分析其对浓度的影响，以期为未来中国空气质量浓度计量的标准状态的修订提出意见和建议。

1 环境体系中气体标准状态

关于气体标准状态的确切含义是“某种纯气体或混合气体中所含某些组分的标准状态, 就是指假想的有效压力等于101.325 kPa时该纯气体或该组分单独存在的理想气体的状态”。温度没有特别指明，因此对温度可以有无限多个物质的标准态[5]。

标准条件的温度和压力是在标准的实验测量的条件下建立的，允许不同数据间的比较。一般常用的标准是国际理论与应用化学联合会(IUPAC)和美国国家标准与技术研究院(NIST)建立的，但并不被普遍接受。

在化学上，IUPAC建立了2个标准[6]：标准温度和压力(STP)是指温度为273.15K(0 ℃)，绝对压力为100 kPa；标准环境温度和压力(SATP)是指温度为298.15K(25 ℃)，绝对压力为100 kPa。不同组织机构和国家的标准状态的建立都有所区别，表1是各组织机构建立的标准状态。

表1 不同组织机构定义的标准状态

美国环保署规定环境空气中无机化合物测定的标准状态为298 K，101.325 kPa[20]，美国、日本和国家全球监测系统内的标准状态是指25 ℃，101.325 kPa[21]。在化学热力学中, IUPAC推荐优先选择298.15 K作为参考温度,目前在有关化学手册中查到的几乎都是25 ℃下的标准状态数据[22]。中国《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中指出中国的标准状态是温度为273 K，压力为101.325 kPa[23]。

2 标态的定义对颗粒物污染评价的影响

《环境空气颗粒物(PM2.5)手工监测方法(重量法)技术规范》(HJ 656—2013)中标准状态为273 K，压力为101.325 kPa，美国《Compendium of Methods for the Determination of Inorganic Compounds in Ambient Air》中指出颗粒物浓度计量标准状态为298 K(25 ℃)，101.325 kPa(760 mmHg)，在同一工况条件下用不同温度的标准状态计算的颗粒物浓度值不同。浓度是关于T的一个函数，因此在273 K下浓度计量值会比298 K的浓度计量值高出9.16%，见公式(1)。

(1)

式中：C标为标况下颗粒物浓度，μg/m3；Δm为颗粒物总质量,μg；V标为标况下气体体积，m3；V工况为实际工况条件下的体积，m3；P标况为标准状态下的大气压强，kPa;P工况为实际工况状态下的大气压强，kPa;T工况为实际工况下的温度，K；T标况为标准状态所定义的温度，K。

假设在中国与美国使用同一采样器测量大气中颗粒物的浓度，采样累计V工况=24 m3,P工况=P标况=101.325 kPa,T工况=273 K，Δm=1 800 μg。

若将标准状态定义为T标况=298 K(25 ℃)，P标况=101.325 kPa ,在此标准状态下计算出的颗粒物的浓度：

按照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)将标准状态定义为T标况=273 K(0 ℃)，P标况=101.325 kPa，计算标准状态下的浓度：

显然，在同样的颗粒物工况浓度下，最终公布的标况浓度却不同，相比之下，在298 K下浓度计量值会比273 K下的浓度计量值低8.39%。即在273 K下浓度计量值会比298 K下的浓度计量值高9.16% 。

3 温度定义对气体污染物浓度的影响

现今大部分气体检测仪器测得的气体浓度是体积浓度(ppb),而《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)规定气体污染物浓度单位为μg/m3,因此在进行计量结果时需要换算。但不同标准状态下其计量结果不同。表2体现了1 ppb气体污染物在不同温度状态下的质量浓度。

表2 1 ppb气体污染物在不同温度状态下的质量浓度 μg/m3

从表2可知，不同气体污染物不同温度标准状态下其质量浓度是不同的，与标准状态的温度和气体污染物的相对分子质量有关。当标准状态温度越高时，其1 ppm的质量浓度越小，化合物相对分子质量越大，质量浓度越大。在不同温度的标准状态下对气体污染物的计量结果与颗粒物的计量结果相同，实质是关于标准状态温度的变化，标准状态为273 K，101.325 kPa比标准状态为298 K，101.325 kPa下计量浓度高9.16%。因此温度差异会对气体污染物造成与颗粒物相同的影响。

PV=nRT

(2)

(3)

式中：P为气体压强，Pa；V为气体体积，m3；n为气体物质的量,mol；T为体系温度，K；R为比例系数，常数为8.314 J/(mol·K)；C为气体浓度，g/m3；m为气体质量，g；M为相对分子质量，g/mol。

气体污染物的标定采用标准气来进行，标准气均采用的是体积浓度单位(ppm或ppb)，这样在换算成质量浓度时，会因使用的参考温度不同，换算出的系数也不一样。

4 标态定义对标准中污染物浓度限值的影响

美国、欧盟等发达国家和组织相关标准与中国《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中污染物浓度限值都主要是参考WHO空气质量准则浓度标准确定的，但是美国、欧盟的空气质量浓度的计量标准和中国有所区别。中国标准状态定义为273 K，101.325 kPa，而美国、日本等环境控制标准状态为298 K，101.325 kPa，也就是说，标准中应用的浓度限值相同，实际上监测浓度标化计算后的浓度有差异。

中国空气质量标准在273 K状态下规定的浓度限值，若按298 K标态修正的话，则需乘以系数0.916，或者说，中国的标准限值在数值相同的情况下，比相关国家或组织限值的严格程度要高9.16%。

将PM2.5、PM10，SO2、NO2和O3等几种常见污染物进行比较来讨论温度不同对浓度阈值的影响，见表3。现将美国、欧盟、日本、WHO和中国的浓度阈值在同一标准状态下进行比较，美国、WHO等空气质量标准的制定是以保护公众健康为准则，美国的空气质量标准分初级和次级，初级对象主要是公众健康，次级是自然环境，初级与中国二级标准相适应，因此选取初级阈值进行对比分析[24]。

表3 环境空气质量标准中主要污染项目浓度限值的对比[25-27] μg/m3

注：“—”表示无此项。

图1进一步展示了不同国家或组织空气质量浓度阈值的对比情况。如图1(a)所示，若按照298 K，101.325 kPa计算，中国二级标准相对于美国、欧盟、日本均偏高，中国一级标准低于日本及欧盟，日均值低于美国，年均值高于美国。

如图1(b)所示，若按统一标准状态换算，中国二级标准将略低于美国，一级标准低于欧盟、日本和美国，二级标准低于WHO过渡期第一阶段目标值，一级标准日均值低于WHO准则值。

中国SO2日平均浓度一级标准是参考WHO过渡期第二阶段目标值设定的，如图1(c)所示，若在同一标准状态下对比，中国一级标准浓度值将低于WHO过渡期第二阶段目标值，一级标准相对于美国、日本及欧盟偏低，二级标准值高于美国、日本和欧盟。

如图1(d)所示，若按照同一标准状态(298 K，101.325 kPa)换算，可知其值均低于美国、欧盟及WHO，日均值低于日本。因此，在同一标准状态下，中国NO2浓度标准严于美国、欧盟及WHO。

如图1(e)所示，O3浓度值高于美国和欧盟，将其在同一标准状态下换算，二级标准高于美国和欧盟，一级标准值高于欧盟，与美国持平。

图1 不同国家或组织空气质量浓度阈值的对比

总体而言，中国以公众健康为保护对象的二级标准与WHO准则相差较远。不同标准状态下其空气质量浓度不同，当把中国空气质量浓度值采用与别国相同的标准状态进行换算，中国空气质量浓度值均低于参考的WHO目标值，其NO2浓度标准严于美国、欧盟，PM2.5浓度值标准严于美国。因此，在不同标准状态下将空气质量浓度进行对比分析可能导致判断结果有误，需要在同一标准下进行计量后再判断。

5 中国实际温度

中国2015年年均温度为10.5℃，其中冬季(2014年12月—2015年2月)平均温度为-2.3 ℃，春季(3—5月)平均温度为11.4 ℃，夏季(6—8月)平均温度为21.2 ℃，秋季(9—11月)平均温度为10.7 ℃。中国年平均温度高于0 ℃，除冬季外，季度平均温度均高于0 ℃[28]。图2为中国1961—2015年全国平均温度变化情况。由图2可知，平均温度均高于8 ℃，且呈不断走高趋势，因此将中国空气质量浓度在标准状态298 K，101.325 kPa下进行换算是可行的。这也将有利于各国污染物浓度进行对比，与国际接轨。

图2 1961—2015年全国平均温度历年变化

6 结论

在进行大气环境监测时，为进行比较和统计，都是将不同工况污染物浓度换算成同一温度下(一般是标况)的大气污染物浓度进行计量。不同国家或组织定义的气体标准状态有所区别，其气体质量浓度也不同。在标准状态为273 K，101.325 kPa条件下其气体质量浓度比标准状态为298 K，101.325 kPa高9.16%。不管是颗粒物浓度值还是气体污染物浓度值，在与国际进行接轨时都可以采用系数修正的方式进行修正，再与国际进行比较。

各国环境空气质量标准主要是参考WHO目标值确定的，中国环境空气质量标准中规定其标准状态为273 K，101.325 kPa，美国、日本等规定的标准状态为298 K，101.325 kPa。在同一标准状态下，中国空气污染物浓度阈值低于WHO参考值，其NO2浓度标准严于美国、欧盟，PM10、PM2.5浓度标准严于美国，但若根据各国标准状态进行对比，中国NO2浓度限值和欧盟相同，PM2.5与美国持平。这种由于标准状态不同导致的差异最终会导致对比结果的失真。

中国年平均温度在8℃以上，高于0 ℃，适用于298 K，101.325 kPa标准状态，建议中国能够修订空气质量标准及相关气体检测方法中的标准状态。

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Discussion and Advices on the Influence of the Standard Condition on the Results in the Air Condition Monitoring

LI Hongjie1,SUN Yan2,QI Shihua2,LI Kaihua1,FAN Xinfeng1,LI Jinping1

1.Wuhan Tianhong Instruments Co.,Ltd,Wuhan 430223,China 2.School of Environmental Sciences, China University of Geosciences,Wuhan 430074,China

Concentration limits for various pollutants is the fundamental basis to assess the air conditions in the ambient air quality standards. So, to ensure the comparability of the monitoring data in different space and environmental conditions, each country and organization made definition for their own standard condition (temperature and pressure). However, due to the different definition of standard condition, even under the same environmental conditions, the actual measurement results of the pollutants’ concentration after standardized are different, which can not reach the principle of comparability. Therefore, we suggest that China should combine with the international in reformulating standards in the future.

standard condition；ambient air;quality standard;concentration limits

2016-05-21;

2016-08-22

李虹杰(1955-)，男，湖北武汉人，学士，正高级工程师。

范新峰

X830

A

1002-6002(2016)05- 0089- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.17