淺談PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)的幾種主流方法

毛達(dá)敬

摘 要：簡(jiǎn)單介紹了PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀、問(wèn)題，對(duì)目前幾種主流的自動(dòng)監(jiān)測(cè)PM2.5的方法原理以及優(yōu)劣做了闡述

關(guān)鍵詞：PM2.5；自動(dòng)監(jiān)測(cè)；原理

1 PM2.5監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀以及問(wèn)題

在公眾對(duì)改善環(huán)境空氣質(zhì)量需求的推動(dòng)下，大氣細(xì)顆粒物PM2.5作為基本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目納入《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012），PM2.5的監(jiān)測(cè)能力建設(shè)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布也隨之提上日程。根據(jù)“十二五”期間國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)能力建設(shè)“四步走”的發(fā)展規(guī)劃要求，省會(huì)城市、直轄市以及京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角等重點(diǎn)區(qū)域城市需于2012年底實(shí)現(xiàn)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布。截止2016年底，所有地級(jí)以上城市需分階段完成PM2.5的監(jiān)測(cè)能力建設(shè)和實(shí)時(shí)發(fā)布。

美國(guó)在1997年頒布監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，1998年開(kāi)展能力建設(shè)；歐盟、日本也都在2005年前后逐步開(kāi)展監(jiān)測(cè)；我國(guó)在2007年前后各城市進(jìn)行試驗(yàn)性監(jiān)測(cè)。

PM2.5監(jiān)測(cè)不同于PM10監(jiān)測(cè)，揮發(fā)性成分影響顯著，監(jiān)測(cè)難度較大。PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)不是一開(kāi)始就是成熟的方案，是一個(gè)探索和發(fā)展的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，所以監(jiān)測(cè)中存在一些問(wèn)題。2008年美國(guó)EPA批準(zhǔn)PM2.5監(jiān)測(cè)參比方法（手工）和等效方法（自動(dòng)），2009年開(kāi)始認(rèn)證通過(guò)目前市場(chǎng)主要的國(guó)外監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，期間歐美PM2.5監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)和未通過(guò)認(rèn)證的儀器混雜使用，帶來(lái)不少問(wèn)題；2011年前我國(guó)國(guó)內(nèi)沒(méi)有PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器生產(chǎn)廠商，國(guó)外提供商銷售部分沒(méi)有認(rèn)證的設(shè)備，導(dǎo)致各地區(qū)監(jiān)測(cè)差別較大。現(xiàn)階段按照國(guó)內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范的要求，對(duì)執(zhí)行環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的項(xiàng)目指標(biāo)的監(jiān)測(cè)儀器，均需通過(guò)環(huán)境管理部門(mén)的質(zhì)檢。

2 PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)的幾種主流方法原理

2.1 重量法

我國(guó)目前對(duì)大氣顆粒物的測(cè)定主要采用重量法。其原理是分別通過(guò)一定切割特征的采樣器，以恒速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中的PM2.5被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計(jì)算出PM2.5的濃度。計(jì)算顆粒物濃度時(shí)，對(duì)實(shí)測(cè)溫度、壓力下的體積均應(yīng)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下（0℃、101.3kPa）的體積。環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)中采樣技術(shù)規(guī)范要按照HJ/T194的要求執(zhí)行。

2.2 微量振蕩天平法

微量振蕩天平法是在質(zhì)量傳感器內(nèi)使用一個(gè)石英振蕩空心錐形管，在其振蕩端安裝可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特征和其質(zhì)量。當(dāng)采樣氣流通過(guò)濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質(zhì)量變化導(dǎo)致振蕩頻率的變化，通過(guò)振蕩頻率變化計(jì)算出沉積在濾膜上顆粒物的質(zhì)量，再根據(jù)流量、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度和氣壓計(jì)算出該時(shí)段顆粒物的質(zhì)量濃度。

采用微量振蕩天平法監(jiān)測(cè)時(shí)，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)性和半揮發(fā)性顆粒物的損失。因此采用微量振蕩天平法時(shí)，必須加裝膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度，以校正測(cè)量偏差。

微量振蕩天平法顆粒物監(jiān)測(cè)儀由采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機(jī)組成。環(huán)境空氣樣品經(jīng)過(guò)采樣頭和PM2.5切割器后，成為符合技術(shù)要求的顆粒物樣品氣體。樣品氣體隨后進(jìn)入配置有膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（FDMS）的微量振蕩天平法監(jiān)測(cè)儀主機(jī)，通過(guò)一端固定，另一端裝有濾膜的空心錐形管，顆粒物被收集在濾膜上。在工作時(shí)空心錐形管是處于往復(fù)振蕩的狀態(tài)，它的振蕩頻率會(huì)隨著濾膜上收集的顆粒物的質(zhì)量變化發(fā)生變化，儀器通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量頻率的變化得到采集到的顆粒物質(zhì)量，然后根據(jù)收集這些顆粒物時(shí)采集的樣品體積計(jì)算得出樣品的濃度。采用該方法的監(jiān)測(cè)儀器，精度較高，技術(shù)較復(fù)雜，維護(hù)工作量大，膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（FDMS）需定期返廠更新，該方法設(shè)備在長(zhǎng)期濕度高的地區(qū)受較大影響。

2.3 β射線法

β射線法原理是根據(jù)顆粒物對(duì)碳-14釋放的β射線的吸收強(qiáng)度進(jìn)行分析，顆粒物吸附在濾紙帶表面后，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)算吸附的顆粒物濃度。

采用β射線法監(jiān)測(cè)時(shí)，由于空氣中水分對(duì)膜片和吸附顆粒物均有較大的影響，所以采樣管必須加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，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。因此，β射線法必須加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度，以最大限度減少對(duì)顆粒物監(jiān)測(cè)的影響。

β射線法顆粒物監(jiān)測(cè)儀由采樣頭、PM2.5切割器、樣品動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機(jī)組成。在樣品動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)中，樣品氣體的相對(duì)濕度被調(diào)整到35%以下。樣品氣體進(jìn)入儀器主機(jī)后顆粒物被收集在可以自動(dòng)更換的濾膜上。濾膜的兩側(cè)分別設(shè)置了β射線源和β射線檢測(cè)器。隨著樣品采集的進(jìn)行，在濾膜上收集的顆粒物越來(lái)越多，顆粒物質(zhì)量也隨之增加，此時(shí)β射線檢測(cè)器檢測(cè)到的β射線強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減弱。由于β射線檢測(cè)器的輸出信號(hào)能直接反應(yīng)顆粒物的質(zhì)量變化，儀器通過(guò)分析該質(zhì)量變化，結(jié)合同時(shí)段內(nèi)采集的樣品體積，最終得出采樣時(shí)段的顆粒物濃度。采用該方法監(jiān)測(cè)儀器，精度較低，技術(shù)較簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小。

2.4 光散射法

光散射法測(cè)量質(zhì)量濃度的原理是建立在微粒的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)，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)，求得顆粒物質(zhì)量濃度。光通過(guò)顆粒物質(zhì)時(shí)，對(duì)于數(shù)量級(jí)與使用光波長(zhǎng)相等或較大的顆粒，光散射是光能衰減的主要形式。

光散射法由于容易受顆粒物折射性、形態(tài)以及成分的影響，其測(cè)量準(zhǔn)確性不好，所以單獨(dú)采用光散射法測(cè)量PM2.5的儀器較少，國(guó)內(nèi)外廠商一般運(yùn)用該方法結(jié)合其它方法來(lái)進(jìn)一步提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。比如，采用β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)聯(lián)用光散射方法，因?yàn)樵黾恿斯馍⑸錅y(cè)量裝置，利用較為穩(wěn)定準(zhǔn)確的周期β射線法測(cè)量數(shù)據(jù)為校準(zhǔn)，來(lái)提供高時(shí)間分辨率的光散射方法測(cè)量值，其精確度水平處在微量振蕩天平加膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)儀器與β射線法加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)儀器之間，檢出限和精度理論上均接近微量振蕩天平加膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)方法儀器。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段我國(guó)PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備認(rèn)證還是空白，但已經(jīng)在籌措建設(shè)認(rèn)證平臺(tái)。2011年12月環(huán)境保護(hù)部頒布《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定重量法》（HJ618-2011），為PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)等效方法設(shè)備提供了基準(zhǔn)的參比方法。自動(dòng)方法需要與手工基準(zhǔn)方法比對(duì)是國(guó)際通用方法，具有權(quán)威性。

參考文獻(xiàn)

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