大氣細顆粒物在線監測關鍵技術及產業化

桂華僑

隨著工業化、城鎮化的快速推進，我國大氣污染形勢嚴峻，高濃度大氣細顆粒物導致我國霧霾頻發、大氣能見度下降，嚴重影響大多數城市空氣質量達標和人體健康。為準確掌握大氣細顆粒物污染現狀，正確認識大氣細顆粒物的來源，快速準確地測量大氣細顆粒物質量濃度、成分、粒徑譜分布和大氣能見度，是我國大氣環境科學研究和業務監測所面臨的急迫需求。

霧霾治理亟需技術支撐。早在十多年前，中科院合肥物質科學研究院研究員劉建國和他的項目組已預測到中國可能會出現嚴重的霧霾天氣，于是先期開展大氣細顆粒物在線監測技術研究和科技攻關。項目圍繞國家大氣細顆粒物污染在線監測技術需求，通過承擔國家863重大項目課題等任務，從認識大氣細顆粒物的來源和對環境、氣候、健康影響的角度，開展了系統的大氣細顆粒物理化和消光特征的在線監測方法研究，在PM2.5粒徑切割和動態加熱采樣、寬粒徑譜多道快速分析、大氣能見度前向光散射測量反演、碳組分熱解臨界溫度選取等關鍵技術方面取得突破，設計了一整套大氣細顆粒物高靈敏探測技術工程化解決方案，解決了大氣細顆粒物多參數準確、快速、在線監測的技術難題，開發了系列設備測控和數據分析軟件，自主研制了大氣細顆粒物質量濃度監測儀、粒徑譜儀、有機碳/元素碳分析儀和大氣能見度儀等設備，構建了大氣細顆粒物在線監測系統（如圖1所示），并結合珠三角空氣質量監測和評估、安徽和貴州等省高速公路惡劣氣象條件監測等任務進行了應用示范，實現了產業化。

主要創新成果包括：1.發展了大氣細顆粒物理化和消光特征的在線監測方法。如寬粒徑譜多道快速分析方法、有機碳/元素碳熱解臨界溫度選取和自動測量方法、大氣能見度前向光散射測量反演和補償修正方法、大氣細顆粒物采樣、在線測量和自動校準方法，實現了大氣細顆粒物的質量濃度、粒徑譜分布、有機碳/元素碳含量及大氣能見度等關鍵指標的在線監測。

2.創新設計了一整套大氣細顆粒物高靈敏探測技術工程化解決方案，在大氣細顆粒物采樣管穩定升降、濾紙張緊和傳送技術、氣溶膠場致電離荷電技術、濾膜透光率溫度補償技術、大氣能見度儀校準技術方面有效提高了細顆粒物采樣效率、測量精度及系統穩定性。

3.構建了大氣細顆粒物在線監測系統，設計出大氣顆粒物質量濃度監測儀、 寬范圍大氣細粒子譜分析儀、大氣細顆粒物有機碳/元素碳分析儀、前向散射式大氣能見度儀，技術指標達到國際先進水平。

2008年以來，項目組利用該技術在珠三角、長三角和北京等地區開展了綜合應用示范，完成了大氣顆粒物質量濃度、粒徑譜分布、有機碳/元素碳組分濃度及大氣能見度的自動在線監測和比對測量實驗。著重研究了監測設備對大氣細顆粒污染物的探測能力，驗證了系統的穩定性、可靠性和實用性，實現了產業化過程關鍵技術的突破；同時研究了光學監測技術與傳統方法之間的對比相關性，進一步檢驗了研發的監測技術設備在實際應用中的質量保證手段。本項目研究成果，經小批量生產、技術監督檢驗、環保/氣象許可認證后，與合作企業安徽藍盾光電子股份有限公司聯合進行了產業化，并在很短的時間內在全國推廣應用，在中國氣象局、安徽省環境監測中心站、貴州省高速公路、中國科學院遙感與數字地球研究所等單位累計銷售安裝監測設備2100余套，實現銷售收入2.5億元，新增利稅0.95億元。

該成果為揭示大氣細顆粒物的變化特征提供了強有力的技術支撐，通過產業化推廣，取得了良好的經濟和社會效益，改變了我國部分業務化環境和氣象監測設備長期依賴進口的局面，為國家環境和氣象監測能力建設提供了重要技術支撐。 責編/萬海濱