撥開云中quot;霧quot;:論PM2.5監(jiān)測技術與形成機制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

*尹澤琦

(湖南省長沙市第一中學 湖南 410005)

撥開云中quot;霧quot;:論PM2.5監(jiān)測技術與形成機制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

*尹澤琦

(湖南省長沙市第一中學 湖南 410005)

霧霾問題是現(xiàn)今中國經(jīng)濟社會發(fā)展進程中面臨的一個重要挑戰(zhàn),如果長期得不到解決將會給中國帶來越來越大的社會、經(jīng)濟負擔.霧霾天氣是一種大氣污染狀態(tài),其中的PM2.5(直徑小于等于2.5μm的顆粒物)則被認為是造成霧霾天氣的quot;元兇quot;.本文全面分析PM2.5的監(jiān)測技術以及形成機制,并基于分析數(shù)據(jù)對PM2.5的監(jiān)測及防治的發(fā)展提出指導意見.

霧霾;PM2.5;監(jiān)測技術;前驅(qū)體

1.前言

近幾年里,機場因霧霾延誤、取消或轉(zhuǎn)場的航班的新聞比比皆是;城市交通因霧霾天氣能見度極低而癱瘓的報道已不再是獨家新聞;北京兒童醫(yī)院在嚴重霧霾天由于呼吸道感染的日就診數(shù)更是多達3000個.在中國,根據(jù)Aaron Cohen調(diào)查顯示每年2520萬人健康生命的損失中有123.4萬人是由于大氣污染而死亡.影響健康的風險因子有很多,然而這項具有里程碑意義的研究結果表明,空氣污染是當今世界首要風險因子之一,對中國和亞洲其他發(fā)展中國家的人們造成的影響最大.

在2005年,世界衛(wèi)生組織WHO就提出了PM2.5,PM2.5是霧霾的主要成分之一,它應環(huán)境空氣質(zhì)量標準所滿足的二級標準和24小時平均濃度限值分別為35μg/m3和75μg/m3.PM2.5的主要特點是比表面積較大,并且富集重金屬元素和有機污染物.作為可入肺顆粒,PM2.5會直接導致心血管病等疾病,增加慢性病患者的死亡率.PM2.5既是局地污染物,也是區(qū)域性及全球性污染物,人們展開了深入研究,人們對于它的認識目前只處于初級階段,還沒有系統(tǒng)的研究.同時,我國是全球PM2.5污染的高值區(qū)之一,這更加凸顯了我們必須采取有效行動以減少污染暴露.

本文主要對目前PM2.5前驅(qū)體、質(zhì)量及化學成分的監(jiān)測技術進行了總結,并且基于這些監(jiān)測技術對其形成機制的研究現(xiàn)狀進行了討論,最后希望針對分析結果去思考新的監(jiān)測方法、最后基于分析數(shù)據(jù)對PM2.5的防治提出指導意見.

2.PM2.5的監(jiān)測研究現(xiàn)狀

(1)PM2.5的前驅(qū)體監(jiān)測技術

監(jiān)測PM2.5前驅(qū)體的方法主要有化學方法和光學方法.化學方法主要包括電化學法、氣相色譜法、化學發(fā)光法等.光學方法包括非分散紅外光譜技術、非分散紫外光譜技術、激光誘導熒光技術.下面分別對這幾種方法的原理進行簡要的介紹:

①電化學法主要設計三電極的燃料電池,在一定溫度條件下工作電極產(chǎn)生的電流與SO2的濃度成正比.

②氣相色譜法主要應用先進的氣相色譜儀,分析沸點十分相近、十分復雜和濃度較低的多組分混合物.

③化學發(fā)光法應用化學發(fā)光池,化學發(fā)光輻射的總強度與NO、NO2分子數(shù)成正比.

④非分散紅外光譜技術是一種基于氣體吸收理論的方法,如CO、CO2、SO2等氣體在紅外波段都有自己的特征吸收吸收帶,特征吸收就如同指紋一樣具有可識別性,通過不同氣體在不同波段的吸收以及特征吸收帶對紅外能量的吸收便可識別氣體以及可以反映氣體濃度.

⑤非分散紫外光譜技術以測定SO2為例:SO2氣體吸收185～315nm區(qū)域的紫外光,吸收帶的中心波長為285nm,通過測量中心波長的紫外光,與標準配氣室的標準物質(zhì)比較,得到SO2測定結果.

⑥激光誘導熒光技術是一種可視化的、非接觸式的激光測量方法.

(2)PM2.5的濃度監(jiān)測技術

從2008年開始,美國環(huán)保署開展了對自動的PM2.5顆粒物監(jiān)測儀的認證工作,經(jīng)過美國環(huán)保署認可的PM2.5顆粒物監(jiān)測儀主要采用如下幾種技術:Beta射線法、Beta射線光濁度法、微量天平震蕩法,除此之外,人們常用的還有質(zhì)量法、光散射法以及壓電晶體頻差法.

(3)PM2.5的化學成分監(jiān)測技術從化學角度看,PM2.5不是單一的某種物質(zhì),而是固體和液體混合的微小顆粒物質(zhì).PM2.5的化學成分包括了無機和有機的成分.無機成分一般包括了C、N、S、K、Cl、Fe等無機元素,具體形式表現(xiàn)為炭黑、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽以及一些重金屬粒子.有機成分一般包括了烷烴、甲醛、一氯甲烷、多環(huán)芳烴等.常用的化學成分監(jiān)測技術有無機鹽在線測定和有機組分在線測定.

3.PM2.5形成機制研究

(1)PM2.5的化學成分及前驅(qū)體

通過監(jiān)測技術可以了解到PM2.5的具體化學成分及前驅(qū)體,PM2.5主要的來源是煤的燃燒、汽車尾氣,還有一些其它的因素.煤燃燒過程中會產(chǎn)生大量不易燃燒的粒子,并夾帶著未完全燃燒的碳,形成細小固體顆粒,這些細顆粒不但會形成氣溶膠,還會催化SO2形成SO3.煤的燃燒會產(chǎn)生SO2,SO2會與空氣中的H2O反應,還會被空氣中的氧化性物種?OH、H2O2、O3氧化,形成H2SO4,而H2SO4的形成被認為是形成PM2.5的關鍵步驟.汽車尾氣含有未完全燃燒形成的CO、VOCs(揮發(fā)性有機化合物),VOCs及其次生產(chǎn)物組成了PM2.5中的有機碳成分,VOCs會與?OH可以催化生成NO2,汽車尾氣也會產(chǎn)生SO2.汽車點火還會制造quot;閃電高溫quot;條件,使尾氣中的NO轉(zhuǎn)變?yōu)镹O2.此外建筑行業(yè)的施工粉塵、粘結劑和添加劑,城市廢棄物燃燒產(chǎn)生的顆粒物,熱電廠的不完全燃燒和廢棄金屬也會產(chǎn)生一些顆粒狀污染物.

綜上所述,PM2.5形成的前驅(qū)體主要有SO2、SO3、NO、NO2、VOCs等,關于這些前驅(qū)體的在線監(jiān)測是很重要的,可以對PM2.5的形成源頭進行分析,也可以推測PM2.5的化學形成機理.

(2)PM2.5的形成機制

霾目前的形成機制主要歸因于氣溶膠的形成,氣溶膠可分為一次氣溶膠和二次氣溶膠.一次氣溶膠顆粒,主要有兩種來源:自然來源(如礦物沙塵、海鹽和生物質(zhì)顆粒)和人為來源(如化石燃料和生物質(zhì)燃燒過程形成的廢氣和碳黑粒子),一次氣溶膠粒子通常粒徑大、質(zhì)量濃度高,但數(shù)濃度低,對霾的貢獻有限,主要受排放強度的控制.二次氣溶膠顆粒主要指污染源排放入大氣中的氣體經(jīng)化學反應后,產(chǎn)生蒸汽壓較低的物質(zhì),一部分轉(zhuǎn)化為二次氣溶膠粒子,一部分生成臭氧,二次氣凝膠是構成霾的主要物質(zhì),相對濕度決定了二次粒子的生成和低空積累.除了成核過程,低揮發(fā)性有機物在顆粒表面的沉積改變粒子的大小和親水性,即氣體-粒子轉(zhuǎn)化過程(gas-to-particleprocess).因此,低揮發(fā)物質(zhì)的聚集將極大加速PM2.5甚至PM10的形成.

4.總結與展望

由于PM2.5成分復雜、各種檢測方法特點各異,而且中國不同地方的自然環(huán)境差異也較大,因此還沒有統(tǒng)一的檢測標準方法和儀器設備.而且很多優(yōu)良的國外進口監(jiān)測儀器由于國內(nèi)獨特的自然環(huán)境、氣候條件、污染源等原因而不能正常使用.因此目前PM2.5在線監(jiān)測還存在比較多的問題.盡快制定相應的國標和提高儀器的使用性能至關重要.

PM2.5的在線監(jiān)測對于解決PM2.5污染問題十分重要,通過在線監(jiān)測PM2.5的前驅(qū)體、濃度、化學成分可以了解PM2.5的來源以及形成機理從而評估一個地方的大氣質(zhì)量好壞,來對該地的環(huán)境治理、產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供指導意見.未來隨著自然環(huán)境、氣候條件的多樣化以及污染源的增多,PM2.5的在線監(jiān)測將會受到更大的挑戰(zhàn),提高監(jiān)測儀器的性能以及不斷改進監(jiān)測方法至關重要.通過在線監(jiān)測可知,PM2.5的來源主要是煤的燃燒和汽車尾氣,控制汽車尾氣的排放、減少工廠廢氣的排放、提高治理大氣污染的技術,盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結構的轉(zhuǎn)型升級,這些對于治理PM2.5很重要,因此從源頭上扼殺PM2.5的產(chǎn)生需要對癥下藥.發(fā)展新能源技術:加強對于核能、太陽能、風能、潮汐能、地熱能等新能源的研發(fā),減少化石能源的直接燃燒利用;發(fā)展新能源汽車:汽車已經(jīng)成為人類社會不可缺少的代步工具,因此不能通過單一的限制出行的方法來減少汽車尾氣的排放.

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尹澤琦(2000-),男,湖南省長沙市第一中學;研究方向:化學專業(yè).

Clouds Are Cleared: Research Status and Development of PM2.5 Monitoring Technology and Formation Mechanism

Yin Zeqi
(Changsha No.1 Middle School of Hunan Province, Hunan, 410005)

Haze problem is an important challenge in the process of economic and social development in China today, and if it is not solved in the long term, it will bring more and more social and economic burden to China. Haze weather is a state of air pollution, and PM2.5 (particles with a diameter of less than 2.5 mu m) is considered to be the root cause of haze. This paper comprehensively analyzes the monitoring technology and formation mechanism of PM2.5, and provides guidance for the development of PM2.5 monitoring and control based on the analysis data.

haze;PM2.5;monitoring technology;precursor

T

A