PM2.5概述與自動監測技術淺析

滕世長　李冰菲

摘要：PM2.5作為目前普遍關注的環境問題，已經越來越受到重視，文章從PM2.5的定義、組成及來源出發，簡單介紹了PM2.5的特點和變化趨勢。并且從環境監測角度，介紹了國內外PM2.5監測的現狀及發展歷程，并闡述了四種主流PM2.5監測方法的原理及優缺點。

關鍵詞：環境空氣；PM2.5；自動監測

隨著2011年美國大使館公布PM2.5事件的發生，PM2.5已經成為全社會普遍關注的環境問題，雖然PM2.5只是環境空氣中含量很少的組分，但它對空氣質量及能見度等有著重要的影響。PM2.5粒徑小，含有大量有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，對人體健康和環境空氣質量的影響大。2012年2月，國務院同意發布新修訂的《環境空氣質量標準》中增加了PM2.5濃度限值。

1 PM2.5的定義

指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm的顆粒物，也稱細顆粒物、可入肺顆粒物，它的直徑還不到人的頭發絲粗細的1/20。

2 PM2.5的組成

PM2.5的組成十分復雜。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、農藥、VOCs、SVOCs）、礦物質細粉、金屬氧化物（Pb、Cd、Hg、As、Zn等）、海鹽、細菌、病毒等；二次污染物包括NH4HSO4、（NH4）2SO4、NH4NO3是由SO2、NOx氧化反應生成的，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化生成。一次排放主要來自燃燒過程及粉塵、揚塵。二次轉化是指由二氧化硫、氨、氮氧化物和揮發性有機物等氣態前體物在大氣中通過化學反應而生成。自然過程也會產生少量PM2.5，如沙塵暴、火山灰、森林火災、花粉、海鹽等。

其中EC、OC主要來源于煤、氣、油、生物質等物質燃燒不完全，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、揮發出的金屬氧化物。

4 PM2.5自動監測技術

PM2.5是近十多年來環境監測的一個新項目，不同于PM10監測，PM2.5監測受揮發性成分影響顯著，難度較大。

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

國內2007年前后各城市試驗性監測，目前北京、上海、重慶、珠三角地區已經形成了完善的PM2.5監測、預報、預警體系，新修訂的《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）的頒布和實行，極大的推進了PM2.5監測網絡的建設速度。

目前國內外普遍采用的主流PM2.5監測技術主要為以下四種，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重改變而導致振蕩頻率變化的原理來測量顆粒物的質量濃度。

由于空氣中水分對膜片稱重有較大的影響，所以采樣管系統必須加熱以維持一個較為穩定的稱重濕度環境，這樣會造成受測量空氣中揮發性及半揮發性顆粒物的損失，因此，微量振蕩天平法必須加裝膜動態測量系統（FDMS）監測PM2.5質量濃度，以校正測量偏差。

其聯用方法主要通過兩個階段的測量來實現：

第一階段，環境空氣通過膜動態測量系統進樣管的加熱干燥后進入儀器，通過一段時間的連續采樣后，足夠的空氣中的顆粒物沉積在微量振蕩天平監測儀濾膜上，測定濾膜上顆粒物的重量，從而計算出顆粒物的質量濃度。

第二階段，通過膜動態測量系統切換閥，環境空氣進入膜動態測量系統中的冷凝器，空氣中顆粒物包括的揮發性及半揮發性等組分（有機物和酸性成分等）被冷凝并被膜動態測量系統過濾膜截留，通過冷凝器之后的純凈氣流再進入微量振蕩天平監測儀進行測量。由于此時氣樣不含顆粒物，因此微量振蕩天平監測儀的濾膜不會增重，反而因濾膜上揮發性和半揮發性顆粒物的持續揮發，造成濾膜質量的減輕，減輕的質量即為揮發性和半揮發性顆粒物損失的質量。

假設在第一和第二階段兩次相同時間的測量過程中，微量振蕩天平監測儀濾膜上損失的質量相等，將第一階段測得的顆粒物質量濃度加上第二階段測得的揮發性和半揮發性顆粒物的損失量，即獲得校正后的顆粒物質量濃度。

4.2 β+DHS等效方法

β射線法原理是根據顆粒物對C-14釋放的β射線的吸收強度進行分析，顆粒物吸附到濾紙帶表面后，蓋革計數器通過測量采樣前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加熱系統（DHS），從而保持受測量氣流的濕度相對穩定在合適測量水平。

這一方法基于兩個條件：儀器采樣濾膜帶質地均一及環境空氣中PM2.5粒子物理化學特性均一，在現實中均不可能全部成立，難以完全達到理論上的對β射線強度衰減率相同的前提，因此該方法儀器測定數據存在一些方法上的偏差。

另外，儀器也難以完全避免環境空氣中的水分對測量的影響，尤其在較高濕度地區和濕度短期變化幅度較大的時候，該方法儀器測定數據也容易出現偏差。

4.3 光散射等效方法

光散射法測量質量濃度是建立在微粒的Mie散射理論基礎上的。當光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時會產生散射光，在顆粒物性質一定的條件下，顆粒物的散射光強度與其質量濃度成正比。通過測量散射光強度，應用轉換系數，得出顆粒物質量濃度。

4.4 β+DHS+光散射等效方法

β射線加動態加熱系統聯用光散射方法儀器中，在β射線法加動態加熱系統部分的基礎上，增加了一個光散射方法測量裝置，利用較為穩定準確的周期性（通常為30分鐘至1個小時）的β射線法測量數據為校準，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射線法加裝動態加熱系統方法儀器基本相同，缺點也相同。

5 結束語

隨著工業化進程的不斷增加，PM2.5的污染也日趨嚴重，隨著世界各國對PM2.5污染監測和防治的重視，PM2.5監測技術也日趨完善，PM2.5全國監測網絡的建立將會使人們對PM2.5的產生、污染現狀、二次轉化、遠距離輸送等方面有更明確的認識，從而為PM2.5污染的預報、預警以及防控等決策提供強有力的技術支持。

作者簡介：滕世長（1980-），男，漢族，出生于黑龍江省齊齊哈爾市，研究生學歷，工程師，環境監測專業領域。