PM2.5概述與自動監(jiān)測技術(shù)淺析

滕世長　李冰菲

摘要：PM2.5作為目前普遍關(guān)注的環(huán)境問題，已經(jīng)越來越受到重視，文章從PM2.5的定義、組成及來源出發(fā)，簡單介紹了PM2.5的特點和變化趨勢。并且從環(huán)境監(jiān)測角度，介紹了國內(nèi)外PM2.5監(jiān)測的現(xiàn)狀及發(fā)展歷程，并闡述了四種主流PM2.5監(jiān)測方法的原理及優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：環(huán)境空氣；PM2.5；自動監(jiān)測

隨著2011年美國大使館公布PM2.5事件的發(fā)生，PM2.5已經(jīng)成為全社會普遍關(guān)注的環(huán)境問題，雖然PM2.5只是環(huán)境空氣中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量及能見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間長、輸送距離遠(yuǎn)，對人體健康和環(huán)境空氣質(zhì)量的影響大。2012年2月，國務(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，有機氣溶膠是由VOCs氧化生成。

3 PM2.5的來源

PM2.5主要來源于人為排放，包括一次排放和二次轉(zhuǎn)化生成。一次排放主要來自燃燒過程及粉塵、揚塵。二次轉(zhuǎn)化是指由二氧化硫、氨、氮氧化物和揮發(fā)性有機物等氣態(tài)前體物在大氣中通過化學(xué)反應(yīng)而生成。自然過程也會產(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、機動車尾氣排放等；SO42-、NO3-來源于SO2、NOx在空氣中被氧化生成的；NH4+來源于化肥釋放、生物質(zhì)分解；金屬氧化物來源于有色金屬冶煉、化工、鋼鐵、化石燃料燃燒、揮發(fā)出的金屬氧化物。

4 PM2.5自動監(jiān)測技術(shù)

PM2.5是近十多年來環(huán)境監(jiān)測的一個新項目，不同于PM10監(jiān)測，PM2.5監(jiān)測受揮發(fā)性成分影響顯著，難度較大。

美國是開展PM2.5監(jiān)測最早的國家，于1997年頒布標(biāo)準(zhǔn)，1998年開展能力建設(shè)；歐盟2005年前后各成員國逐步開展；日本2007年逐步開展。

國內(nèi)2007年前后各城市試驗性監(jiān)測，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、預(yù)報、預(yù)警體系，新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）的頒布和實行，極大的推進(jìn)了PM2.5監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)速度。

目前國內(nèi)外普遍采用的主流PM2.5監(jiān)測技術(shù)主要為以下四種，見圖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測量顆粒物的質(zhì)量濃度。

由于空氣中水分對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較為穩(wěn)定的稱重濕度環(huán)境，這樣會造成受測量空氣中揮發(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態(tài)測量系統(tǒng)（FDMS）監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度，以校正測量偏差。

其聯(lián)用方法主要通過兩個階段的測量來實現(xiàn)：

第一階段，環(huán)境空氣通過膜動態(tài)測量系統(tǒng)進(jìn)樣管的加熱干燥后進(jìn)入儀器，通過一段時間的連續(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)測儀濾膜上，測定濾膜上顆粒物的重量，從而計算出顆粒物的質(zhì)量濃度。

第二階段，通過膜動態(tài)測量系統(tǒng)切換閥，環(huán)境空氣進(jìn)入膜動態(tài)測量系統(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（有機物和酸性成分等）被冷凝并被膜動態(tài)測量系統(tǒng)過濾膜截留，通過冷凝器之后的純凈氣流再進(jìn)入微量振蕩天平監(jiān)測儀進(jìn)行測量。由于此時氣樣不含顆粒物，因此微量振蕩天平監(jiān)測儀的濾膜不會增重，反而因濾膜上揮發(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間的測量過程中，微量振蕩天平監(jiān)測儀濾膜上損失的質(zhì)量相等，將第一階段測得的顆粒物質(zhì)量濃度加上第二階段測得的揮發(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C-14釋放的β射線的吸收強度進(jìn)行分析，顆粒物吸附到濾紙帶表面后，蓋革計數(shù)器通過測量采樣前β射線強度變化來計算吸附的顆粒物的濃度。

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

這一方法基于兩個條件：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)實中均不可能全部成立，難以完全達(dá)到理論上的對β射線強度衰減率相同的前提，因此該方法儀器測定數(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)境空氣中的水分對測量的影響，尤其在較高濕度地區(qū)和濕度短期變化幅度較大的時候，該方法儀器測定數(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會產(chǎn)生散射光，在顆粒物性質(zhì)一定的條件下，顆粒物的散射光強度與其質(zhì)量濃度成正比。通過測量散射光強度，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射線法加動態(tài)加熱系統(tǒng)部分的基礎(chǔ)上，增加了一個光散射方法測量裝置，利用較為穩(wěn)定準(zhǔn)確的周期性（通常為30分鐘至1個小時）的β射線法測量數(shù)據(jù)為校準(zhǔn)，提供高時間分辨率（分鐘量級）的光散射方法測量值。

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

5 結(jié)束語

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，隨著世界各國對PM2.5污染監(jiān)測和防治的重視，PM2.5監(jiān)測技術(shù)也日趨完善，PM2.5全國監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立將會使人們對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，從而為PM2.5污染的預(yù)報、預(yù)警以及防控等決策提供強有力的技術(shù)支持。

作者簡介：滕世長（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)測專業(yè)領(lǐng)域。