毛達(dá)敬

摘 要：簡單介紹了PM2.5自動(dòng)監(jiān)測的現(xiàn)狀、問題，對目前幾種主流的自動(dòng)監(jiān)測PM2.5的方法原理以及優(yōu)劣做了闡述

關(guān)鍵詞：PM2.5；自動(dòng)監(jiān)測；原理

1 PM2.5監(jiān)測的現(xiàn)狀以及問題

在公眾對改善環(huán)境空氣質(zhì)量需求的推動(dòng)下，大氣細(xì)顆粒物PM2.5作為基本監(jiān)測項(xiàng)目納入《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012），PM2.5的監(jiān)測能力建設(shè)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布也隨之提上日程。根據(jù)“十二五”期間國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)能力建設(shè)“四步走”的發(fā)展規(guī)劃要求，省會(huì)城市、直轄市以及京津冀、長三角和珠三角等重點(diǎn)區(qū)域城市需于2012年底實(shí)現(xiàn)環(huán)境空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布。截止2016年底，所有地級以上城市需分階段完成PM2.5的監(jiān)測能力建設(shè)和實(shí)時(shí)發(fā)布。

美國在1997年頒布監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，1998年開展能力建設(shè)；歐盟、日本也都在2005年前后逐步開展監(jiān)測；我國在2007年前后各城市進(jìn)行試驗(yàn)性監(jiān)測。

PM2.5監(jiān)測不同于PM10監(jiān)測，揮發(fā)性成分影響顯著，監(jiān)測難度較大。PM2.5監(jiān)測技術(shù)不是一開始就是成熟的方案，是一個(gè)探索和發(fā)展的實(shí)驗(yàn)過程，所以監(jiān)測中存在一些問題。2008年美國EPA批準(zhǔn)PM2.5監(jiān)測參比方法（手工）和等效方法（自動(dòng)），2009年開始認(rèn)證通過目前市場主要的國外監(jiān)測產(chǎn)品，期間歐美PM2.5監(jiān)測設(shè)備通過和未通過認(rèn)證的儀器混雜使用，帶來不少問題；2011年前我國國內(nèi)沒有PM2.5自動(dòng)監(jiān)測儀器生產(chǎn)廠商，國外提供商銷售部分沒有認(rèn)證的設(shè)備，導(dǎo)致各地區(qū)監(jiān)測差別較大。現(xiàn)階段按照國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的要求，對執(zhí)行環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的項(xiàng)目指標(biāo)的監(jiān)測儀器，均需通過環(huán)境管理部門的質(zhì)檢。

2 PM2.5自動(dòng)監(jiān)測的幾種主流方法原理

2.1 重量法

我國目前對大氣顆粒物的測定主要采用重量法。其原理是分別通過一定切割特征的采樣器，以恒速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中的PM2.5被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計(jì)算出PM2.5的濃度。計(jì)算顆粒物濃度時(shí)，對實(shí)測溫度、壓力下的體積均應(yīng)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下（0℃、101.3kPa）的體積。環(huán)境空氣監(jiān)測中采樣技術(shù)規(guī)范要按照HJ/T194的要求執(zhí)行。

2.2 微量振蕩天平法

微量振蕩天平法是在質(zhì)量傳感器內(nèi)使用一個(gè)石英振蕩空心錐形管，在其振蕩端安裝可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特征和其質(zhì)量。當(dāng)采樣氣流通過濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質(zhì)量變化導(dǎo)致振蕩頻率的變化，通過振蕩頻率變化計(jì)算出沉積在濾膜上顆粒物的質(zhì)量，再根據(jù)流量、現(xiàn)場環(huán)境溫度和氣壓計(jì)算出該時(shí)段顆粒物的質(zhì)量濃度。

采用微量振蕩天平法監(jiān)測時(shí)，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(gè)較穩(wěn)定的稱重濕度環(huán)境，這樣會(huì)造成受測量空氣中揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物的損失。因此采用微量振蕩天平法時(shí)，必須加裝膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)來監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度，以校正測量偏差。

微量振蕩天平法顆粒物監(jiān)測儀由采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機(jī)組成。環(huán)境空氣樣品經(jīng)過采樣頭和PM2.5切割器后，成為符合技術(shù)要求的顆粒物樣品氣體。樣品氣體隨后進(jìn)入配置有膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)（FDMS）的微量振蕩天平法監(jiān)測儀主機(jī)，通過一端固定，另一端裝有濾膜的空心錐形管，顆粒物被收集在濾膜上。在工作時(shí)空心錐形管是處于往復(fù)振蕩的狀態(tài)，它的振蕩頻率會(huì)隨著濾膜上收集的顆粒物的質(zhì)量變化發(fā)生變化，儀器通過準(zhǔn)確測量頻率的變化得到采集到的顆粒物質(zhì)量，然后根據(jù)收集這些顆粒物時(shí)采集的樣品體積計(jì)算得出樣品的濃度。采用該方法的監(jiān)測儀器，精度較高，技術(shù)較復(fù)雜，維護(hù)工作量大，膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)（FDMS）需定期返廠更新，該方法設(shè)備在長期濕度高的地區(qū)受較大影響。

2.3 β射線法

β射線法原理是根據(jù)顆粒物對碳-14釋放的β射線的吸收強(qiáng)度進(jìn)行分析，顆粒物吸附在濾紙帶表面后，蓋革計(jì)數(shù)器通過測量采樣前β射線強(qiáng)度變化來計(jì)算吸附的顆粒物濃度。

采用β射線法監(jiān)測時(shí)，由于空氣中水分對膜片和吸附顆粒物均有較大的影響，所以采樣管必須加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，保持受測量氣流的濕度相對穩(wěn)定在合適測量水平。因此，β射線法必須加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)來監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度，以最大限度減少對顆粒物監(jiān)測的影響。

β射線法顆粒物監(jiān)測儀由采樣頭、PM2.5切割器、樣品動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機(jī)組成。在樣品動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)中，樣品氣體的相對濕度被調(diào)整到35%以下。樣品氣體進(jìn)入儀器主機(jī)后顆粒物被收集在可以自動(dòng)更換的濾膜上。濾膜的兩側(cè)分別設(shè)置了β射線源和β射線檢測器。隨著樣品采集的進(jìn)行，在濾膜上收集的顆粒物越來越多，顆粒物質(zhì)量也隨之增加，此時(shí)β射線檢測器檢測到的β射線強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減弱。由于β射線檢測器的輸出信號能直接反應(yīng)顆粒物的質(zhì)量變化，儀器通過分析該質(zhì)量變化，結(jié)合同時(shí)段內(nèi)采集的樣品體積，最終得出采樣時(shí)段的顆粒物濃度。采用該方法監(jiān)測儀器，精度較低，技術(shù)較簡單，維護(hù)工作量小。

2.4 光散射法

光散射法測量質(zhì)量濃度的原理是建立在微粒的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(shí)，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(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成正比。通過測量散射光強(qiáng)度，應(yīng)用轉(zhuǎn)換系數(shù)，求得顆粒物質(zhì)量濃度。光通過顆粒物質(zhì)時(shí)，對于數(shù)量級與使用光波長相等或較大的顆粒，光散射是光能衰減的主要形式。

光散射法由于容易受顆粒物折射性、形態(tài)以及成分的影響，其測量準(zhǔn)確性不好，所以單獨(dú)采用光散射法測量PM2.5的儀器較少，國內(nèi)外廠商一般運(yùn)用該方法結(jié)合其它方法來進(jìn)一步提高測量的準(zhǔn)確性。比如，采用β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)聯(lián)用光散射方法，因?yàn)樵黾恿斯馍⑸錅y量裝置，利用較為穩(wěn)定準(zhǔn)確的周期β射線法測量數(shù)據(jù)為校準(zhǔn)，來提供高時(shí)間分辨率的光散射方法測量值，其精確度水平處在微量振蕩天平加膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)儀器與β射線法加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)儀器之間，檢出限和精度理論上均接近微量振蕩天平加膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)方法儀器。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段我國PM2.5自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備認(rèn)證還是空白，但已經(jīng)在籌措建設(shè)認(rèn)證平臺。2011年12月環(huán)境保護(hù)部頒布《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定重量法》（HJ618-2011），為PM2.5自動(dòng)監(jiān)測等效方法設(shè)備提供了基準(zhǔn)的參比方法。自動(dòng)方法需要與手工基準(zhǔn)方法比對是國際通用方法，具有權(quán)威性。

參考文獻(xiàn)

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