第一章 前言
1.4 大氣細微粒的監測檢測技術
1.4.3 連續自動 PM 質量濃度監測儀器
NO3-及Cl-的損失量分別為8、5 及 6 %。而那些由目前市面上常用之 PM2.5濾紙採 樣器所採集下來之鐵氟龍濾紙樣本於後續調理過程中微粒揮發的情況也值得本研 究加以評估。
除了上述手動的固氣分離器採樣器之外，TEOM-FDMS 也被許多研究用來即 時量測大氣的 PM 濃度並同時修正採樣過程中的採樣誤差(Grover et al. 2005;
Grover et al. 2006; Schwab et al. 2006; Wilson et al. 2006; Favez et al. 2007; Green et al. 2009; Grimm and Eatough 2009, Clements et al. 2012)。TEOM-FDMS 操作原理及 應用的相關研究將在下一小節作介紹。
由上述文獻可知，傳統濾紙採樣器所測出的PM2.5濃度值並無法反映大氣真實 的濃度，因此本團隊另一個研究重點微探討PM2.5質量濃度及化學成分於採樣過程 和濾紙後續調理過程中所產生的採樣干擾。此外，也將評估濾紙過濾速度以及濾 紙上微粒負荷量對於採集在樣本上之微粒揮發程度的影響。最後本研究也將比對 濾紙採樣器和TEOM-FDMS 的 PM2.5濃度量測結果，評估TEOM-FDMS 未來在本 國空品測站的適用性。
1.4.3 連續自動 PM 質量濃度監測儀器
連續自動監測儀器也是利用採樣進口移除大於截取氣動直徑(dpa50)的微粒 後，小於
d
pa50的微粒再由其下方的儀器進行即時量測。相較於手動採樣，連續自 動監測除了可提供即時的大氣微粒濃度數據，以進行法規的符合度比較及污染源 的推估研究外，也可作為空氣品質預報之用，讓一般市民可提前進行防護準備。我國目前所公告之周界空氣粒狀物標準自動監測方法有兩種，除了前述目前我國
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測站所採用的 BAM 之外，另一項技術則是震盪錐狀微量天平(tapered element oscillating microbalance, TEOM)。
TEOM 是由美國 R&P 公司(目前已併入 Thermo 公司)所發展的儀器(Patashnick and Rupprecht, 1991)。該儀器將微粒收集於特製之濾紙(TX 40)上，濾紙則置於一 震盪錐狀微量天平上，由於天平之震盪頻率與濾紙上微粒之質量大小有關且對於 質量改變相當敏感，故可藉由天平震盪頻率之量測，換算求得空氣中懸浮微粒質 量濃度，其偵測極限可達0.06 μg/m3。由於 TEOM 的測值易受到環境溫度及溼度 的影響，因此整個裝置會放置於一溫度約為50 0C (後來降至 30 0C)的恆溫箱中，但 是在這兩個溫度之下不是會造成大部分半揮發性微粒的損失(50 0C)就是溫度不足 以有效將氣流除溼(30 0C)。為了避免此情況發生，Meyer et al. (2000)發展了 SES-TEOM(sample equilibration system-TEOM)，該系統將 TEOM 維持在 30 0C，避 免半揮發性微粒損失，氣流水分則是利用進口端的乾燥管(nafion dryer)去除，但是 許多現場採樣比對的結果顯示 SES-TEOM 仍會造成部分的半揮發性物質的損失 (Schwab et al. 2006; Grover et al. 2005; Wilson et al. 2006)。
Patashnick et al. (2001)進一步發展出加裝靜電沉降器(electrostatic precipitator, ESP)的 D-TEOM (differential TEOM)。該系統每 6 分鐘啟動一次 ESP，持續開啟 6 分鐘後再關閉，並重複循環。當ESP 啟動時，微粒會完全被 ESP 收集，此時 TEOM 所測得之微粒質量改變，完全是由濾紙上半揮發性微粒揮發所造成之損失(負異常 生成物)或是氣流中有部分氣體吸附於濾紙上所造成的質量增加(正異常生成物)所 造成。因此將未啟動 ESP 時 TEOM 所測得的微粒質量，加上或減去啟動 ESP 時 TEOM 所測得之改變量，即可量測出實際環境中之微粒質量濃度。此方法已被證 實能正確測得含半揮發性微粒之微粒質量濃度(Hering et al. 2004; Jaques et al.
2004)。TEOM-FDMS 亦為了有效監測大氣中含半揮發性微粒之微粒質量濃度所設 計，其原理和D-TEOM 類似。如圖 1. 5 所示，TEOM-FDMS 將進入系統的流量利 用分向閥以每6 分鐘的頻率在基線流(base flow)及參考流(reference flow)兩個頻道 之間做切換。基線流會將微粒直接導入TEOM 中測其質量，此時的情況和未開啟 ESP 的 D-TEOM 相同，而當系統切換至參考流時，微粒會被導入一個被維持在 4 0C 的石英濾紙中，以過濾含有半揮發性物質的所有微粒，最後再進入 TEOM，此時
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TEOM 所測得的質量改變量即和開啟 ESP 之 TEOM 的情況類似，完全是由半揮發 性微粒的揮發或氣體吸附所造成。利用參考流的變化量對基線流的量測結果做修 正，TEOM-FDMS 即可測得正確的質量濃度。Grover et al. (2005)實場測試的結果 也顯示TEOM-FDMS 的量測結果和 D-TEOM 一樣優越。D-TEOM 已停產，市面上 販售的微粒質量濃度即時監測儀器以TEOM-FDMS 為主，目前該儀器也已被美國 環保署列入聯邦等似方法中，分別為僅可對 PM2.5做即時監測，型號為 1405-F 的 監測器(EQPM-0609-181)，以及可同時對 PM2.5-10 及 PM2.5 做即時監測，型號為 1405-DF 的監測器(EQPM-0609-182)。
圖1. 5 TEOM-FDMS 示意圖。
TEOM-FDMS
之相關研究Schwab et al. (2006)利用三部自動即時監測器及一部FRM手動PM2.5採樣器於 美國紐約州的皇后區(Queens)和艾笛生鎮(Addison)進行大氣PM2.5微粒質量濃度之 評估，並比對各個監測器及採樣器的結果。其中該研究所使用的即時監測器包括
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TEOM-FDMS、TEOM及BAM。另外，該研究也利用物種組成趨勢網絡(Speciation Trends Network，STN)監測和匯集細微粒的質量濃度及化學成份。
圖1. 6(A)及(B)分別為Schwab et al. (2006)於2004年利用FDMS及BAM和FRM 採樣器於皇后區之PM2.5質量濃度的比較結果。由該圖可看出FRM所採集到的質量 濃度均低於FDMS及BAM之測值，平均約低了25 %。圖1. 7則為在另一採樣地點，
艾笛生鎮之PM2.5質量濃度之比較結果。由該圖也可看出TEOM-FDMS所測得的 PM2.5質量濃度較FRM採樣器高出約10 %。Schwab et al. (2006)認為上述誤差均是由 揮發性物質在手動採樣過程揮發所致，而艾迪生鎮則是因附近大氣環境中的揮發 性物質較少使得TEOM-FDMS和FRM採樣器結果間的差異較小。
圖1. 6 (A)TEOM-FDMS 和 FRM 採樣器及(B)BAM 和 FRM 採樣器於美國紐約市皇 后區量測之PM2.5質量濃度的比較結果(Schwab et al. 2006)。
圖1. 7 TEOM-FDMS 和 FRM 採樣器於美國紐約市艾笛生鎮的 PM2.5質量濃度之比 較結果(Schwab et al. 2006)。
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圖1. 8則為TEOM-FDMS及TEOM兩種監測器的測值和FRM採樣器之採樣結果 在整年度的差異比較，圖中虛線表示TEOM-FDMS和FRM比較結果，實線表示 TEOM和FRM比較結果，而兩者皆以FRM為比較基準。由結果可看出TEOM-FDMS 之測值在全年度均高於FRM手動採樣器之採樣結果，主要是由於TEOM-FDMS可 修正採樣過程中揮發性物質揮發所造成的負向誤差所致。由圖中實線則可看出 FRM採到的微粒質量濃度在整年度均高於TEOM的測值，其中在冬季時誤差較 大，而夏季時之誤差較小，Schwab et al. (2006)認為造成此現象之原因為TEOM內 的操作溫度為50℃，遠高於FRM手動採樣器內的溫度，使得微粒較容易揮發，而 在冬季時，此溫差會更大，造成更多微粒揮發，進而使得TEOM和FRM手動採樣 器在冬季時的測值差異較大。
圖1. 8 TEOM-FDMS 及 TEOM 和 FRM 採集器於 2004 年度之質量濃度差異變化情 形(Schwab et al. 2006)。
Clements et al. (2012)於美國科羅拉多州內進行鄉村與都市粗微粒來源與人體 健康研究計畫(Colorado Coarse Rural Urban Sources and Health study, CCRUSH)，探 討粗微粒質量濃度(PM2.5-10)對人體健康的影響。該研究分別在丹佛市內選擇兩個都 市站(Edison與Alsup)以及在格裏利市內選擇兩個鄉村站(Maplewood與McAuliffe) 進行採樣，所使用的儀器為TEOM-FDMS (Model 1405-DF, Thermo)，該儀器可同
時對PM10-2.5與PM2.5的質量濃度作即時監測並同時修正採樣誤差。該研究也利用非
參數回歸(Nonparametric Regression, NPR)對採樣數據進行分析，探討不同地區的
PM10-2.5及PM2.5與風速及風向之間的關係。
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Clements et al. (2012)的研究結果顯示，四個測站的PM2.5濃度介於7.7至9.2
µg/m3，PM2.5-10濃度則是介於9至15.5 µg/m3，而此兩種濃度均以丹佛市內的兩個都
市站測值較高。圖1. 9(a)及(b)為四個測站PM2.5及PM2.5-10測值的日平均變化趨勢，
其中結果可看出PM2.5-10的日變化趨勢較PM2.5大，其中又以Alsup測站的PM10-2.5濃 度日變化趨勢最大，Clements et al. (2012)推測造成此現象之原因為Alsup測站位於 工業區，較易受到工業活動所排放出之粗微粒影響所致。
圖1. 9 四個測站的(a)PM2.5與(b)PM10-2.5的中位數質量濃度(µg/m3)隨時間的變化圖 (Clements et al. 2012)。
Alsup 這個都市測站中的人口與交通均密集，且工業發達，而藉由 PM 與風向 的NPR 分析，可以判斷污染源的方向。圖 1. 10(a)及(b)為 Alsup 測站 PM2.5及PM2.5-10
濃度和風向及風速的 NPR 分析結果，由該圖可看出，當吹西南風時，Alsup 測站 則會偵測到較高的PM2.5濃度，Clements et al. (2012)推測可能是因為該測站西邊的 高速公路揚起的砂石所導致。另外觀察風速的影響則可發現，當風速增加時，PM2.5
濃度會因稀釋效應而降低，然而PM10-2.5濃度則會因微粒在揚起效應(re-suspension effects)而增加。其他三個測站也有類似的結果。
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圖 1. 10 Alsup 測站的(a)PM2.5及(b)PM10-2.5與風速、風向關係之 NPR 分析結果 (Clements et al. 2012)。