環境空氣與汽車/發動機顆粒物PM2.5測試方法研究

謝振凱，尉遲勝軍，魏愛軍，劉安

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300300；2.天津市東麗區機動車排污檢控站，天津 300300)

0 引言

近年來，國內各大城市秋冬季霧霾天氣頻發，而空氣中細顆粒物PM2.5是灰霾天氣的主要成因，嚴重危害人類的身體健康。當前，顆粒物PM2.5已被GB 3095-2012《環境空氣質量標準》納入了常規檢測標準體系，并于2016年在全國范圍內對PM2.5實施常規監測[1]。美國環保局(EPA)通過試驗證明：作為空氣中懸浮顆粒物主要來源之一的機動車排放顆粒物表面可溶有機物組分的90%以上為致癌物質，具有誘變作用[2]。因此，對環境空氣和汽車/發動機中細顆粒物PM2.5的檢測控制將愈加重要。作者對測量環境空氣與汽車發動機排放產生的顆粒物PM2.5的濃度時采用的測試儀器和方法、測試的差異點及相關性進行對比分析，將為聯合監測環境空氣和汽車/發動機排放的顆粒物PM2.5濃度提供指導方法。

1 空氣質量標準對PM2.5的規定

在國外空氣質量標準中，美國EPA標準《40 CFR Appendix L to Part 50——Reference Method for the Determination of Fine Particulate Matter as PM2.5in the Atmosphere》《Part 53——Ambient air monitoring reference and equivalent methods》最早出臺，日本和歐盟在制定環境質量標準時主要參考美國 EPA標準。在我國，PM2.5被納入常規監測標準是在GB 3095-2012《環境空氣質量標準》中規定的，該標準于2016年在全國范圍內實施。表1綜合了我國和歐、美、日等國家對環境空氣PM2.5年均和日均限值要求[3]。

如表1所示：我國GB 3095-2012《環境空氣質量標準》中二級標準與WHO Ⅰ階段目標一致；美國和日本對PM2.5規定的限值相同，與WHO Ⅲ階段目標基本保持一致；歐盟對PM2.5規定的限值與WHO Ⅱ階段一致，較為寬松；澳大利亞的標準比WHO的準則限值更低，在限值上最為嚴格。各國的空氣質量情況從標準限值的寬嚴程度方面可以基本體現，越有能力制定和實施更為嚴格的標準的國家和地區空氣質量越好。因此，我國不僅要對PM2.5濃度進行監測，更需要采用嚴格的措施對PM2.5污染源的排放進行控制。

同時，歐美在PM2.5監測網絡設計、站點設計與運行管理方面頒布了法律并對其進行了嚴格規定。在對PM2.5監測網絡布設原則、位置、數量方面，美國發布的《國家、地方環境空氣檢測計劃》以及《對環境空氣質量監測修訂》和歐盟所出臺的《歐洲環境空氣質量和更清潔空氣標準指令》(2008/50/EC)均提出了明確的要求[4]。

表1 國內外空氣質量標準對PM2.5年均/日均限值的要求

2 環境空氣PM2.5測量方法

2.1 環境空氣中PM2.5來源

環境空氣中存在的顆粒物按形成過程可分為一次顆粒物和二次顆粒物。其中一次顆粒物為直接排放，約占到50%，來自煤、機動車、揚塵、生物質燃燒等；另外50%為二次顆粒物，是由空氣中的二氧化硫、氮氧化物、揮發性有機物、氨等氣態污染物經過復雜化學反應所形成[5]。城市中的揚塵、二次粒子、燃煤排放、機動車尾氣的排放等是PM2.5的主要來源。以北京為例，北京市大氣中PM2.5的主要成分及來源見圖1[6]。

圖1 北京市空氣中PM2.5主要來源年均貢獻率

由圖1中可以看到：機動車排放、二次硫酸鹽和硝酸鹽以及揚塵對北京市大氣中PM2.5的年均貢獻率達到了40%左右，因此對由汽車和發動機產生的顆粒物PM2.5進行監測與控制需引起足夠的重視。

2.2 環境空氣PM2.5的測量方法

我國在2012年發布的GB3095-2012《環境空氣質量標準》中對環境空氣中PM10和PM2.5的測量方法進行了規定：與國際上慣用的PM10和PM2.5監測方法一致，手工測量法采用濾膜稱重法，自動測量采用微震蕩天平法和β射線吸收法。對于PM10和PM2.5的手工測量方法，在國家環境保護標準HJ618-2011《環境空氣PM10和PM2.5的測定 重量法》中提出[7]；而我國HJ/T193-2005《環境空氣質量自動監測技術規范》中僅對PM10的測量方式提出技術要求，但針對環境空氣中PM2.5連續自動監測的技術標準尚未正式發布[8]。

根據GB 3095-2012《環境空氣質量標準》，對濾膜稱重法、微震蕩天平法和β射線吸收法，針對PM10和PM2.5的測量方法和相關儀器及關鍵點技術差異見表2[1]。3種方法在第一步顆粒物采集時都要使用濾膜；不同之處在于采用了不同的測量方法進行第二步顆粒物PM2.5質量的測量。

在濾膜特性方面，上述3種方法要求相同：無機濾膜為玻璃纖維、石英等材質；有機濾膜采用聚氯乙烯、聚丙烯、混合纖維素等，或采用等效濾膜進行測量。對于汽車和發動機所排放出的粒徑在0.3 μm以下的顆粒物，其質量比重極小，可以忽略不計[9]；而對顆粒物粒徑大于等于0.3 μm的過濾效率在99%以上。故可以暫時認為，利用濾膜法進行顆粒物測量時，微粒最小粒徑為0.3 μm[7]。

表2 PM10和PM2.5的測量方法、儀器以及關鍵點

3 汽車/發動機顆粒物測試方法

3.1 汽車/發動機顆粒物排放特征

高度凝聚的固態含碳物質、灰分、SOF和硫酸鹽等是組成汽車/發動機排放顆粒物的主要成分。其中固態碳是在發動機內局部富燃區域產生；灰分主要由燃料和潤滑油中的金屬成分發生物理化學反應聚合而成；SOF主要源于汽車/發動機內揮發的燃料和潤滑油；而硫酸鹽則是由燃料中的硫經過化學反應生成。

采用美國重型車顆粒物瞬態測試法對一臺普通柴油機進行排放顆粒物測試，顆粒物中組成成分如圖2所示[10]。

圖2 柴油機排放典型顆粒物組成成分

在汽車/發動機排氣中包含了很多會隨著溫度、壓力及其他環境參數的變化而發生變化的揮發性氣態污染物，這些污染物會由氣態轉變為液態或固態顆粒狀物質。通常，實驗室中所測量的顆粒物除了包含在發動機氣缸內燃燒時直接形成的顆粒物，還包括在發動機排氣道內取樣時對排氣進行稀釋和冷卻過程中所轉化形成的顆粒物。在取樣過程中經過轉化所形成的顆粒物由于粒徑很小，基本不會影響排氣中的顆粒物質量濃度，但將導致顆粒物總數目大幅增加。

因此，要對汽車/發動機排氣中的顆粒物數量進行準確的測量，并基于顆粒物數量濃度制定相應的排放標準還將面臨諸多的技術難題。

3.2 汽車/發動機顆粒物測試方法

歐Ⅴ標準之前，在對汽車/發動機所排放的顆粒物進行測量時，尚未對顆粒物數量測量提出要求；而歐V及之后的排放標準對顆粒物數目的測量提出要求。針對機動車排放顆粒物測量的方法、所使用的儀器及濾紙規格和特性要求見表3[10]。

表3中所述方法中，序號2～6所示方法在法規認證過程中不能應用，適用范圍僅包括大氣環境監測或科學研究的過程。在對顆粒物采用濾膜稱重法測量中，除了濾膜稱重法沒有包含對顆粒物粒徑進行分割的過程，在測量汽車/發動機排氣顆粒物PM2.5時需要配合2.5 μm的粒徑切割器使用外，對比汽車/發動機顆粒物濾膜稱重法與HJ618-2011《環境空氣 PM10和PM2.5的測定 重量法》標準中PM2.5手工測量方法(質量法)，二者在測量方法、測量儀器及對濾紙規格和特性等的要求基本上完全一致。采用微震蕩天平法和β射線吸收法測量顆粒物時，二者對濾紙的規格特性要求與濾膜稱重法相同，故針對汽車/發動機排氣顆粒物時也需要配備2.5 μm的粒徑切割器進行顆粒物PM2.5的測量。其余測量方法中，濾膜采樣的目的僅在于留存顆粒物樣品以便進行其他分析研究，不會對濾膜上的樣品進行稱重處理，所以對濾紙特性沒有特別的要求。

表3 汽車/發動機顆粒物測量方法

4 結論

對汽車/發動機排氣顆粒物進行測量時，采用濾膜稱重法完成PM2.5測量，在測試方法、測量儀器和對濾紙特性要求方面可按照HJ618-2011中PM2.5質量法進行，但測量時還需配備2.5 μm的粒徑切割器。此外，需要綜合所需測試精度、采樣流量及采樣時間來確定濾紙規格及層數。

若需要進行自動測量，將粒徑切割器切割點調整為2.5 μm后，在汽車/發動機上進行顆粒物PM2.5測量時，可以直接采用GB3095-2012標準中規定的微震蕩天平法和β射線吸收法。

參考文獻:

[1]環境保護部.環境空氣質量標準:GB 3095-2012[S].北京:中國環境科學出版社,2016.

[2]張文麗,徐東群,崔九思.空氣細顆粒物(PM2.5)污染特征及其毒性機制的研究進展[J].中國環境監測，2002,18(1):59-63.

ZHANG W L,XU D Q,CUI J S. The Characteristics and Toxic Mechanism of Fine Particle Pollution(PM2.5)in Air[J].Environmental Monitoring in China,2002,18(1):59-63.

[3]王宗爽,武婷,車飛.中外環境空氣質量標準比較[J].環境科學研究，2010,23(3):253-260.

WANG Z S,WU T,CHE F.Comparison between Domestic and International Ambient Air Quality Standards[J].Research of Environmental Sciences,2010,23(3):253-260.

[4]劉春蘭,關婧,李錚.歐美主要世界城市PM2.5監測站網建設[C]//2012年全國大氣PM2.5監測與治理技術研討會.北京，2012.

[5]胡敏,唐倩,彭劍飛,等.我國大氣顆粒物來源及特征分析[J].環境與可持續發展，2011,36(5):15-19.

HU M,TANG Q,PENG J F,et al.Study on Characterization and Source Apportionment of Atmospheric Particulate Matter in China[J].Environmental and Sustainable Development,2011,36 (5):15-19.

[6]朱先磊,張遠航,曾立民.北京市大氣細顆粒物PM2.5的來源研究[J].環境科學研究，2005,18(5):15-19.

ZHU X L,ZHANG Y H,ZENG L M.Source Identification of Ambient PM2.5in Beijing[J].Research of Environmental Sciences,2005,18(5):15-19.

[7]中華人民共和國環境保護部.環境空氣PM10和PM2.5的測定 重量法:HJ618-2011[S].北京:中國環境科學出版社,2011.

[8]中華人民共和國環境保護部.環境空氣質量自動監測技術規范:HJ/T 193-2005[S].北京:中國環境科學出版社,2006.

[9]KITTELSON D B.Engines and Nanoparticles:A Review[J].Journal of Aerosol Science,1998,29(5/6):575-588.

[10]郝吉明,段雷,易紅宏,等.燃燒源可吸入顆粒物的物理化學特征[M].北京:科學出版社,2008.