基于便攜式檢測(cè)儀的空氣PM2.5濃度監(jiān)測(cè)與分析

【摘要】本文介紹了PM2.5的基本概念以及空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上介紹了PM2.5檢測(cè)裝置和各種檢測(cè)原理。檢測(cè)了不同氣候條件下，不同季節(jié)條件下，不同環(huán)境因素條件下空氣中PM2.5濃度。并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了有效的結(jié)論，為PM2.5濃度的檢測(cè)與分析理論打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】PM2.5；便攜式檢測(cè)儀；檢測(cè)方法；濃度檢測(cè)

引言

隨著目前電力、石油、汽車(chē)、化工等高污染、高耗能行業(yè)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的二氧化碳、二氧化硫、粉塵等排放物注入到大氣中，造成空氣質(zhì)量的急劇下降[1-2]。目前關(guān)注最多的，影響最大的就是PM2.5的問(wèn)題。PM2.5是指直徑小于或等于2.5微米的細(xì)顆粒物，其最大的特點(diǎn)是可以進(jìn)入人體的肺泡細(xì)胞，進(jìn)入血液循環(huán)，對(duì)人體健康可以造成巨大的威脅。最近兩年影響最大的就是北京的PM2.5的問(wèn)題，曾經(jīng)一度爆表，對(duì)首都的空氣質(zhì)量、交通、各個(gè)行業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成了巨大的負(fù)面影響。目前全國(guó)各大城市無(wú)一幸免，都或多或少的存在著PM2.5的威脅問(wèn)題。如何對(duì)PM2.5進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)以及基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析PM2.5的特點(diǎn)和規(guī)律，對(duì)于將來(lái)了解及治理PM2.5問(wèn)題是非常重要和關(guān)鍵的[3]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于PM2.5的研究起于初始階段，很多概念和方法仍在初步的探索當(dāng)中，各個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展的歷史不同，對(duì)于PM2.5的認(rèn)識(shí)盡相同，隨著民眾健康和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)對(duì)空氣質(zhì)量越發(fā)關(guān)注，PM2.5話(huà)題迅速升溫。在世界一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，得益于成熟的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和健全的大氣環(huán)境信息公開(kāi)制度，改善空氣質(zhì)量的成效顯著。美國(guó)在1997年率先提出監(jiān)測(cè)PM2.5標(biāo)準(zhǔn)。截至2010年底，美國(guó)和歐盟等主要發(fā)達(dá)國(guó)家已將PM2.5納入空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行強(qiáng)制性限制。如今，在倫敦、紐約、洛杉磯、東京和墨西哥城等大城市，地方政府都會(huì)監(jiān)測(cè) PM2.5數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)都會(huì)及時(shí)向民眾公布[4-6]。

因此本文主要研究PM2.5濃度監(jiān)測(cè)方法以及基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出的一些分析結(jié)論。

1、PM2.5基本介紹

1.1基本概念

PM2.5就是細(xì)顆粒物。在空氣動(dòng)力學(xué)的概念當(dāng)中，細(xì)顆粒物是指的直徑小于或者等于2.5微米顆粒物體。它的特征就是能長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣當(dāng)中，它的污染程度是與其濃度成正比的。PM2.5在空氣中的含量不大，但是對(duì)空氣能見(jiàn)度和質(zhì)量卻有著十分重要的影響。它活性強(qiáng)，容易攜帶有害物質(zhì)，因此能對(duì)人體健康造成巨大威脅[7-8]。2013年2月，全國(guó)的科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)正式將PM2.5的中文名稱(chēng)定為細(xì)顆粒物。細(xì)顆粒物在化學(xué)成分上主要包括以下部分：有機(jī)碳（OC）、元素碳（EC）、以及硫酸鹽。銨鹽、鈉鹽和硝酸鹽等鹽類(lèi)[9-10]。

1.2PM2.5的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)

目前采用最為廣泛的就是PM2.5檢測(cè)網(wǎng)公布空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)，24小時(shí)平均值標(biāo)準(zhǔn)分布如表1所示：

2、PM2.5的便攜式檢測(cè)儀及檢測(cè)方法介紹

2.1便攜式空氣質(zhì)量檢測(cè)儀

儀器選用國(guó)外原裝電化學(xué)傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)、報(bào)警可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。適用于石油、化工、天然氣、煤氣、冶金、市政等部門(mén)的有關(guān)工程的配套，檢測(cè)被測(cè)場(chǎng)所中有害氣體的濃度并報(bào)警，以避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。其技術(shù)參數(shù)如表2所示[11]：

以下圖1為便攜式檢測(cè)儀的實(shí)物圖：

2.2檢測(cè)方法

中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站2012年5月下發(fā)的《PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器技術(shù)指標(biāo)與要求（試行）》確定了三種PM2.5的自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，分別是β射線(xiàn)方法儀器加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，β射線(xiàn)方法儀器加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)聯(lián)用光散射法，微量振蕩天平方法儀器加膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（FDMS）。5030-SHARP型β射線(xiàn)加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)聯(lián)用光散射方法PM2.5監(jiān)測(cè)儀價(jià)格，應(yīng)用β射線(xiàn)吸收法和光散射法對(duì)顆粒物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，Thermo Scientific 5030型顆粒物同步混合監(jiān)測(cè)儀運(yùn)用光散射法和β射線(xiàn)吸收法對(duì)M-10或PM-2.5顆粒物進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。濃度范圍：0-1，000μg/m3和0-10，000μg/m3，最低檢測(cè)限：<0.5μg/m3及2σ（1小時(shí)時(shí)間分辨率）準(zhǔn)確度：±5% （和24小時(shí)FRM比）跨漂：0.02%/天，小時(shí)精度：±2μg/m3<80μg/m3， ±5μg/m3>80μg/m3；

1、重量法

本方法主要是將PM2.5直接截留到一層很薄的濾膜之上，然后再用天坪進(jìn)行稱(chēng)重量，此種方法就是重量法。本方法中需要提到的一點(diǎn)就是，濾膜并不能把所有的PM2.5都收集起來(lái)，一些直徑非常小的顆粒物還是容易漏過(guò)，但是能把大部分的顆粒物收集起來(lái)。其原則是只要對(duì)于顆粒物直徑大于0.3微米的顆粒物能截取99%都是允許的。沒(méi)有截取的損失掉的那部分顆粒物對(duì)整體結(jié)果的影響并不是十分明顯，因?yàn)槟遣糠诸w粒物對(duì)于整個(gè)PM2.5的濃度共享量是非常小的。

利用重量法測(cè)量PM2.5濃度一般普遍的采用比較大流量的采樣器材，其原理主要是利用泵抽取一定量的氣體進(jìn)入空氣切割器當(dāng)中。其操作的原理就是將直徑小于30微米的顆粒物進(jìn)行不斷的分割和切割，這樣PM2.5顆粒物就可以隨著氣流經(jīng)過(guò)切割器的出口被阻留到了已經(jīng)稱(chēng)重的器皿上。根據(jù)對(duì)顆粒物采樣前后的質(zhì)量之差以及采樣顆粒物氣體的體積，可以計(jì)算出PM2.5的濃度。具體的計(jì)算公式為：

其中C代表的含義是PM2.5的質(zhì)量濃度，其表示的單位是mg/m3；W2表示的含義是采樣之后濾膜的質(zhì)量，其單位是mg；W1表示的含義是采樣之前濾膜的質(zhì)量，其單位是mg；F代表的含義是換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的采樣的流量，其單位是L/min；t代表的是采樣時(shí)間，其單位是min。

因此，重量法是一種最直接并且最有效的方法。它可以驗(yàn)證其它方法是否正確，但是重量法的弊端是需要人工來(lái)進(jìn)行稱(chēng)重，其程序非常繁瑣和復(fù)雜。如果要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)方法，就要用到另外的兩種方法。

2、射線(xiàn)吸收法

本方法的原理主要是將PM2.5收集到濾紙上面，然后用一束beta射線(xiàn)進(jìn)行照射，當(dāng)射線(xiàn)穿過(guò)濾紙或者顆粒物的時(shí)候，由于beta射線(xiàn)會(huì)被散射而發(fā)生衰減，其衰減的程度會(huì)根據(jù)PM2.5的重量而成正比。因此可以根據(jù)射線(xiàn)的衰減情況來(lái)測(cè)算出PM2.5的重量。Beta射線(xiàn)吸收的原理就是，當(dāng)原子核在發(fā)生著beta衰變時(shí)，會(huì)放出beta粒子，beta粒子實(shí)際上是一種移動(dòng)速度非?？斓膸щ姾傻牧Ｗ?，它的穿透能力超級(jí)強(qiáng)，當(dāng)它穿過(guò)一定厚度的物質(zhì)被吸收時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)隨著吸收層厚度的增加而逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫做β吸收。若吸收物質(zhì)的厚度比beta粒子的射程小得非常多的時(shí)，beta射線(xiàn)會(huì)被物質(zhì)所吸收掉。其表達(dá)的公式為：

該式之中，I0表達(dá)的含義就是濾紙沒(méi)有進(jìn)行吸附吸收物質(zhì)的時(shí)候，beta粒子的數(shù)量；

I表示的含義就是當(dāng)beta射線(xiàn)穿過(guò)物質(zhì)厚度為tm的濾紙時(shí)候，beta粒子的數(shù)量；μm表示的含義就是質(zhì)量吸收系數(shù)或者稱(chēng)為質(zhì)量衰減系數(shù)，其單位為cm2/mg；

Beta射線(xiàn)吸收原理測(cè)量PM2.5在國(guó)際上目前比較流行的方法就是beta射線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)儀。該儀器可以利用抽氣泵對(duì)大氣進(jìn)行恒流采樣來(lái)進(jìn)行。

3、微量振蕩天坪法

其主要實(shí)現(xiàn)的方法和步驟就是利用一頭粗一頭細(xì)的空心玻璃管，將粗頭的部位固定住，將細(xì)頭裝濾芯?？諝鈴拇诸^的部分進(jìn)入，從細(xì)頭的部分流出，因此PM2.5就被截留在濾芯上面。它們?cè)陔妶?chǎng)的作用之下，細(xì)頭部位以一定的頻率進(jìn)行振蕩，振蕩的頻率與細(xì)頭重量的平方根之間成反比。因此，根據(jù)振蕩頻率的變化，就可以計(jì)算出收集到的PM2.5的重量，根據(jù)這樣可以計(jì)算空氣中PM2.5的濃度[12]。

3、案例實(shí)測(cè)

本文主要對(duì)不同天氣狀況下，不同環(huán)境條件下，不同時(shí)間段，不同季節(jié)條件下的PM2.5濃度進(jìn)行檢測(cè)和觀察，以得出分析結(jié)論。

3.1不同天氣狀況下的PM2.5濃度

針對(duì)某個(gè)城市的不同天氣狀況下的PM2.5濃度進(jìn)行檢測(cè)，假設(shè)其它的因素都相同，包括季節(jié)、周邊環(huán)境、溫度、時(shí)段等等都相同，單純考慮不同的氣候狀況下PM2.5的濃度。下面比較幾組測(cè)量結(jié)果，其測(cè)量結(jié)果如表3所示：（單位μg/m3）

通過(guò)檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，晴天檢測(cè)的平均值是84.5，雨天檢測(cè)的結(jié)果是48，陰天的檢測(cè)結(jié)果是111，而風(fēng)天的檢測(cè)結(jié)果是63。雖然風(fēng)天檢測(cè)的結(jié)果與風(fēng)的大小相關(guān)，雨天的檢測(cè)結(jié)果與雨的大小相關(guān)，晴天的檢測(cè)結(jié)果與太陽(yáng)的照射程度相關(guān)，但是總體趨勢(shì)是雨天的PM2.5濃度最小，其次是風(fēng)天，再就是晴天，濃度最大的是陰天。其原因是，雨天下雨的時(shí)候有利于空氣的清潔，能帶走一部分細(xì)顆粒物，風(fēng)天的時(shí)候，刮風(fēng)能帶走一部分顆粒物，最明顯的就是北京地區(qū)每次大風(fēng)之后，顆粒物的濃度下降很多。晴天條件下，因?yàn)闆](méi)有雨水的洗刷作用以及風(fēng)的作用，所以PM2.5的濃度比雨天和風(fēng)天下大一些。PM2.5濃度最大的就是陰天，主要是因?yàn)殛幪鞐l件下，空氣濕度比較大，不利于PM2.5的擴(kuò)散，容易使PM2.5形成和沉積。

3.2不同環(huán)境下PM2.5的濃度

針對(duì)某個(gè)城市的不同環(huán)境狀況下的PM2.5濃度進(jìn)行檢測(cè)，假設(shè)其它的因素都相同，包括季節(jié)、周邊環(huán)境、溫度、時(shí)段等等都相同，單純考慮不同的氣候狀況下PM2.5的濃度。其考慮的場(chǎng)所主要為火電廠(chǎng)，公園，馬路三處場(chǎng)所。公園里面樹(shù)木較多，馬路上車(chē)輛較多。下面比較幾組測(cè)量結(jié)果，其測(cè)量結(jié)果如表4所示：（單位ug/m3）

通過(guò)檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，電廠(chǎng)環(huán)境下的檢測(cè)結(jié)果平均值是193，馬路環(huán)境下的檢測(cè)結(jié)果平均值是98，公園環(huán)境下的檢測(cè)結(jié)果平均值是50。因此可以看出，電廠(chǎng)檢測(cè)的空氣質(zhì)量最差，馬路邊檢測(cè)結(jié)果次之，檢測(cè)結(jié)果最好的就是公園里。電廠(chǎng)、馬路、公園三個(gè)環(huán)境是三種典型的代表。電廠(chǎng)代表的是工廠(chǎng)類(lèi)，馬路邊代表的是汽車(chē)尾氣排放的環(huán)境，公園代表的是利于空氣凈化的環(huán)境。由此可以看出，電廠(chǎng)對(duì)于PM2.5的共享程度大于汽車(chē)尾氣，其原因是因?yàn)殡姀S(chǎng)排放大量的二氧化硫和粉塵?；痣姀S(chǎng)的燃料是煤，煤的不完全燃燒和肆意排放會(huì)給空氣質(zhì)量帶來(lái)比較惡劣的影響。其次就是汽車(chē)，汽車(chē)尾氣排放二氧化硫、一氧化氮等排放物，對(duì)于空氣中PM2.5的貢獻(xiàn)量也比較大。相反，森林等環(huán)境下，空氣質(zhì)量最好，原因就是綠色植物有利于PM2.5顆粒物的沉降和分解。

3.3不同季節(jié)條件下PM2.5的濃度

針對(duì)某個(gè)城市的不同環(huán)境狀況下的PM2.5濃度進(jìn)行檢測(cè)，假設(shè)其它的因素都相同，考慮春夏秋冬四個(gè)季節(jié)。下面比較幾組測(cè)量結(jié)果，其測(cè)量結(jié)果如表5所示：（單位ug/m3）

通過(guò)檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，春季的檢測(cè)結(jié)果是85，夏季的檢測(cè)結(jié)果是48，秋季的檢測(cè)結(jié)果是86，冬季的檢測(cè)結(jié)果是114?？梢钥闯鱿募镜目諝庾詈茫杭竞颓锛镜目諝赓|(zhì)量次之，兩者差不多；空氣質(zhì)量最差的是冬季。這和冬天PM2.5濃度往往較大的現(xiàn)象相吻合。其原因就是溫度因素以及氣候變化特點(diǎn)對(duì)PM2.5濃度的影響較大，還有一點(diǎn)就是冬季北方大多燃燒暖氣，火電廠(chǎng)發(fā)電較多，因此導(dǎo)致大量的燃煤燃燒，使得PM2.5濃度急劇上升，這一點(diǎn)在我國(guó)北方表現(xiàn)尤為明顯。此時(shí)，隨著北風(fēng)南下，會(huì)導(dǎo)致南方的PM2.5濃度也隨著提高。夏季的時(shí)候，是豐水季節(jié)，一般依靠水力發(fā)電，會(huì)減少火電機(jī)組的發(fā)電，這樣燃煤會(huì)減少，比較利于空氣質(zhì)量的提升。而春節(jié)和秋季往往是介于冬季和夏季之間的水平。

4、結(jié)論

本文利用便攜式PM2.5檢測(cè)裝置對(duì)不同氣候條件下，不同環(huán)境條件下，不同季節(jié)條件下的PM2.5濃度進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。其分析的結(jié)論是PM2.5的影響因素比較多。主要的影響因素是化工廠(chǎng)、電廠(chǎng)、汽車(chē)尾氣、綠化等因素有關(guān)。影響PM2.5的客觀條件就是氣候因素，包括雨天、風(fēng)、晴天、陰天等等。

通過(guò)本文的基于便攜式PM2.5濃度檢測(cè)的結(jié)果以及對(duì)比分析的圖表數(shù)據(jù)，可以分析影響PM2.5濃度本質(zhì)的原因在哪里。

大氣中PM2.5濃度與風(fēng)速、氣溫、降水等因素有關(guān)。

風(fēng)速：風(fēng)速較大時(shí)，可以降低PM2.5濃度；反之，PM2.5容易積聚。

氣溫：近地面氣溫較高時(shí)，大氣對(duì)流作用加劇，可以降低PM2.5濃度；反之，大氣出現(xiàn)逆溫層時(shí)，PM2.5不易擴(kuò)散。

降水：降水有利于降低PM2.5濃度。利于水汽凝結(jié)，形成云霧和降水；削弱部分太陽(yáng)輻射和阻擋地面輻射，影響氣溫；污染大氣，降低能見(jiàn)度。另外風(fēng)雨可降PM2.5濃度風(fēng)雨會(huì)有效降低PM2.5濃度。下雨天，雨水會(huì)把空氣中的PM2.5“帶”下來(lái)，使空氣變得干凈。大風(fēng)天，雖然影響出行，但有利于空氣質(zhì)量改善。在風(fēng)的作用下，PM2.5濃度得到稀釋?zhuān)諝赓|(zhì)量也會(huì)提升。

關(guān)于工廠(chǎng)周邊以及馬路邊PM2.5濃度較高的原因是因?yàn)?，工廠(chǎng)周邊及馬路上排放大量的二氧化硫、粉塵等污染物，這些是導(dǎo)致PM2.5形成的根本因素。因此結(jié)合本文的研究結(jié)論可以知道，PM2.5形成的因素是復(fù)雜的、多元化的。

本文的檢測(cè)方法和檢測(cè)結(jié)論對(duì)于PM2.5的研究具有十分重要的意義。