PM2.5概述與自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)淺析

滕世長(zhǎng)　李冰菲

摘要：PM2.5作為目前普遍關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)越來(lái)越受到重視，文章從PM2.5的定義、組成及來(lái)源出發(fā)，簡(jiǎn)單介紹了PM2.5的特點(diǎn)和變化趨勢(shì)。并且從環(huán)境監(jiān)測(cè)角度，介紹了國(guó)內(nèi)外PM2.5監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀及發(fā)展歷程，并闡述了四種主流PM2.5監(jiān)測(cè)方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境空氣；PM2.5；自動(dòng)監(jiān)測(cè)

隨著2011年美國(guó)大使館公布PM2.5事件的發(fā)生，PM2.5已經(jīng)成為全社會(huì)普遍關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題，雖然PM2.5只是環(huán)境空氣中含量很少的組分，但它對(duì)空氣質(zhì)量及能見(jiàn)度等有著重要的影響。PM2.5粒徑小，含有大量有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，對(duì)人體健康和環(huán)境空氣質(zhì)量的影響大。2012年2月，國(guó)務(wù)院同意發(fā)布新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中增加了PM2.5濃度限值。

1 PM2.5的定義

指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm的顆粒物，也稱細(xì)顆粒物、可入肺顆粒物，它的直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20。

2 PM2.5的組成

PM2.5的組成十分復(fù)雜。PM2.5按組成可分為一次污染物和二次污染物。一次污染物包括元素碳EC、有機(jī)碳化合物OC（二 英、PCBs、PAHs、農(nóng)藥、VOCs、SVOCs）、礦物質(zhì)細(xì)粉、金屬氧化物（Pb、Cd、Hg、As、Zn等）、海鹽、細(xì)菌、病毒等；二次污染物包括NH4HSO4、（NH4）2SO4、NH4NO3是由SO2、NOx氧化反應(yīng)生成的，有機(jī)氣溶膠是由VOCs氧化生成。

3 PM2.5的來(lái)源

PM2.5主要來(lái)源于人為排放，包括一次排放和二次轉(zhuǎn)化生成。一次排放主要來(lái)自燃燒過(guò)程及粉塵、揚(yáng)塵。二次轉(zhuǎn)化是指由二氧化硫、氨、氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物等氣態(tài)前體物在大氣中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而生成。自然過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生少量PM2.5，如沙塵暴、火山灰、森林火災(zāi)、花粉、海鹽等。

其中EC、OC主要來(lái)源于煤、氣、油、生物質(zhì)等物質(zhì)燃燒不完全，以及石化、化工、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放等；SO42-、NO3-來(lái)源于SO2、NOx在空氣中被氧化生成的；NH4+來(lái)源于化肥釋放、生物質(zhì)分解；金屬氧化物來(lái)源于有色金屬冶煉、化工、鋼鐵、化石燃料燃燒、揮發(fā)出的金屬氧化物。

4 PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

PM2.5是近十多年來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)的一個(gè)新項(xiàng)目，不同于PM10監(jiān)測(cè)，PM2.5監(jiān)測(cè)受揮發(fā)性成分影響顯著，難度較大。

美國(guó)是開(kāi)展PM2.5監(jiān)測(cè)最早的國(guó)家，于1997年頒布標(biāo)準(zhǔn)，1998年開(kāi)展能力建設(shè)；歐盟2005年前后各成員國(guó)逐步開(kāi)展；日本2007年逐步開(kāi)展。

國(guó)內(nèi)2007年前后各城市試驗(yàn)性監(jiān)測(cè)，目前北京、上海、重慶、珠三角地區(qū)已經(jīng)形成了完善的PM2.5監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警體系，新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）的頒布和實(shí)行，極大的推進(jìn)了PM2.5監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)速度。

目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的主流PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)主要為以下四種，見(jiàn)圖1。

4.1 TEOM+FDMS等效方法

微量振蕩天平法（TEOM）是基于石英振蕩桿上的膜片負(fù)重改變而導(dǎo)致振蕩頻率變化的原理來(lái)測(cè)量顆粒物的質(zhì)量濃度。

由于空氣中水分對(duì)膜片稱重有較大的影響，所以采樣管系統(tǒng)必須加熱以維持一個(gè)較為穩(wěn)定的稱重濕度環(huán)境，這樣會(huì)造成受測(cè)量空氣中揮發(fā)性及半揮發(fā)性顆粒物的損失，因此，微量振蕩天平法必須加裝膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（FDMS）監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度，以校正測(cè)量偏差。

其聯(lián)用方法主要通過(guò)兩個(gè)階段的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)：

第一階段，環(huán)境空氣通過(guò)膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)樣管的加熱干燥后進(jìn)入儀器，通過(guò)一段時(shí)間的連續(xù)采樣后，足夠的空氣中的顆粒物沉積在微量振蕩天平監(jiān)測(cè)儀濾膜上，測(cè)定濾膜上顆粒物的重量，從而計(jì)算出顆粒物的質(zhì)量濃度。

第二階段，通過(guò)膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)切換閥，環(huán)境空氣進(jìn)入膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的冷凝器，空氣中顆粒物包括的揮發(fā)性及半揮發(fā)性等組分（有機(jī)物和酸性成分等）被冷凝并被膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)過(guò)濾膜截留，通過(guò)冷凝器之后的純凈氣流再進(jìn)入微量振蕩天平監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量。由于此時(shí)氣樣不含顆粒物，因此微量振蕩天平監(jiān)測(cè)儀的濾膜不會(huì)增重，反而因?yàn)V膜上揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物的持續(xù)揮發(fā)，造成濾膜質(zhì)量的減輕，減輕的質(zhì)量即為揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物損失的質(zhì)量。

假設(shè)在第一和第二階段兩次相同時(shí)間的測(cè)量過(guò)程中，微量振蕩天平監(jiān)測(cè)儀濾膜上損失的質(zhì)量相等，將第一階段測(cè)得的顆粒物質(zhì)量濃度加上第二階段測(cè)得的揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物的損失量，即獲得校正后的顆粒物質(zhì)量濃度。

4.2 β+DHS等效方法

β射線法原理是根據(jù)顆粒物對(duì)C-14釋放的β射線的吸收強(qiáng)度進(jìn)行分析，顆粒物吸附到濾紙帶表面后，蓋革計(jì)數(shù)器通過(guò)測(cè)量采樣前β射線強(qiáng)度變化來(lái)計(jì)算吸附的顆粒物的濃度。

由于環(huán)境空氣中的水分對(duì)膜片和吸附顆粒物均有較大的影響，采樣管必須加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)（DHS），從而保持受測(cè)量氣流的濕度相對(duì)穩(wěn)定在合適測(cè)量水平。

這一方法基于兩個(gè)條件：儀器采樣濾膜帶質(zhì)地均一及環(huán)境空氣中PM2.5粒子物理化學(xué)特性均一，在現(xiàn)實(shí)中均不可能全部成立，難以完全達(dá)到理論上的對(duì)β射線強(qiáng)度衰減率相同的前提，因此該方法儀器測(cè)定數(shù)據(jù)存在一些方法上的偏差。

另外，儀器也難以完全避免環(huán)境空氣中的水分對(duì)測(cè)量的影響，尤其在較高濕度地區(qū)和濕度短期變化幅度較大的時(shí)候，該方法儀器測(cè)定數(shù)據(jù)也容易出現(xiàn)偏差。

4.3 光散射等效方法

光散射法測(cè)量質(zhì)量濃度是建立在微粒的Mie散射理論基礎(chǔ)上的。當(dāng)光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射光，在顆粒物性質(zhì)一定的條件下，顆粒物的散射光強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成正比。通過(guò)測(cè)量散射光強(qiáng)度，應(yīng)用轉(zhuǎn)換系數(shù)，得出顆粒物質(zhì)量濃度。

4.4 β+DHS+光散射等效方法

β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)聯(lián)用光散射方法儀器中，在β射線法加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)部分的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)光散射方法測(cè)量裝置，利用較為穩(wěn)定準(zhǔn)確的周期性（通常為30分鐘至1個(gè)小時(shí)）的β射線法測(cè)量數(shù)據(jù)為校準(zhǔn)，提供高時(shí)間分辨率（分鐘量級(jí)）的光散射方法測(cè)量值。

這一方法儀器的特點(diǎn)與β射線法加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)方法儀器基本相同，缺點(diǎn)也相同。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷增加，PM2.5的污染也日趨嚴(yán)重，隨著世界各國(guó)對(duì)PM2.5污染監(jiān)測(cè)和防治的重視，PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)也日趨完善，PM2.5全國(guó)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立將會(huì)使人們對(duì)PM2.5的產(chǎn)生、污染現(xiàn)狀、二次轉(zhuǎn)化、遠(yuǎn)距離輸送等方面有更明確的認(rèn)識(shí)，從而為PM2.5污染的預(yù)報(bào)、預(yù)警以及防控等決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

作者簡(jiǎn)介：滕世長(zhǎng)（1980-），男，漢族，出生于黑龍江省齊齊哈爾市，研究生學(xué)歷，工程師，環(huán)境監(jiān)測(cè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。