大氣細顆粒物在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化

桂華僑

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)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(dǎo)致我國霧霾頻發(fā)、大氣能見度下降，嚴重影響大多數(shù)城市空氣質(zhì)量達標和人體健康。為準確掌握大氣細顆粒物污染現(xiàn)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(zhì)量濃度、成分、粒徑譜分布和大氣能見度，是我國大氣環(huán)境科學(xué)研究和業(yè)務(wù)監(jiān)測所面臨的急迫需求。

霧霾治理亟需技術(shù)支撐。早在十多年前，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員劉建國和他的項目組已預(yù)測到中國可能會出現(xiàn)嚴重的霧霾天氣，于是先期開展大氣細顆粒物在線監(jiān)測技術(shù)研究和科技攻關(guān)。項目圍繞國家大氣細顆粒物污染在線監(jiān)測技術(shù)需求，通過承擔(dān)國家863重大項目課題等任務(wù)，從認識大氣細顆粒物的來源和對環(huán)境、氣候、健康影響的角度，開展了系統(tǒng)的大氣細顆粒物理化和消光特征的在線監(jiān)測方法研究，在PM2.5粒徑切割和動態(tài)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(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，設(shè)計了一整套大氣細顆粒物高靈敏探測技術(shù)工程化解決方案，解決了大氣細顆粒物多參數(shù)準確、快速、在線監(jiān)測的技術(shù)難題，開發(fā)了系列設(shè)備測控和數(shù)據(jù)分析軟件，自主研制了大氣細顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀、粒徑譜儀、有機碳/元素碳分析儀和大氣能見度儀等設(shè)備，構(gòu)建了大氣細顆粒物在線監(jiān)測系統(tǒng)（如圖1所示），并結(jié)合珠三角空氣質(zhì)量監(jiān)測和評估、安徽和貴州等省高速公路惡劣氣象條件監(jiān)測等任務(wù)進行了應(yīng)用示范，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

主要創(chuàng)新成果包括：1.發(fā)展了大氣細顆粒物理化和消光特征的在線監(jiān)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(xiàn)了大氣細顆粒物的質(zhì)量濃度、粒徑譜分布、有機碳/元素碳含量及大氣能見度等關(guān)鍵指標的在線監(jiān)測。

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

3.構(gòu)建了大氣細顆粒物在線監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計出大氣顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)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(shù)指標達到國際先進水平。

2008年以來，項目組利用該技術(shù)在珠三角、長三角和北京等地區(qū)開展了綜合應(yīng)用示范，完成了大氣顆粒物質(zhì)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(jiān)測和比對測量實驗。著重研究了監(jiān)測設(shè)備對大氣細顆粒污染物的探測能力，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和實用性，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化過程關(guān)鍵技術(shù)的突破；同時研究了光學(xué)監(jiān)測技術(shù)與傳統(tǒng)方法之間的對比相關(guān)性，進一步檢驗了研發(fā)的監(jiān)測技術(shù)設(shè)備在實際應(yīng)用中的質(zhì)量保證手段。本項目研究成果，經(jīng)小批量生產(chǎn)、技術(shù)監(jiān)督檢驗、環(huán)保/氣象許可認證后，與合作企業(yè)安徽藍盾光電子股份有限公司聯(lián)合進行了產(chǎn)業(yè)化，并在很短的時間內(nèi)在全國推廣應(yīng)用，在中國氣象局、安徽省環(huán)境監(jiān)測中心站、貴州省高速公路、中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所等單位累計銷售安裝監(jiān)測設(shè)備2100余套，實現(xiàn)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(shù)支撐，通過產(chǎn)業(yè)化推廣，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益，改變了我國部分業(yè)務(wù)化環(huán)境和氣象監(jiān)測設(shè)備長期依賴進口的局面，為國家環(huán)境和氣象監(jiān)測能力建設(shè)提供了重要技術(shù)支撐。 責(zé)編/萬海濱