文_李立 六盤水市環(huán)境監(jiān)測(cè)站

1 常見的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

1.1 重量法

所謂重量自動(dòng)監(jiān)測(cè)法，就是借助具有切割特性的采樣器，對(duì)空氣以恒定的速度抽取一定的體積，然后在空氣在流動(dòng)過程中，其蘊(yùn)含PM2.5顆粒物將被截留在采樣器的濾膜上，通過對(duì)濾膜采樣前后的重量變化，以及所采取的空氣體積進(jìn)行計(jì)算，最終得出PM2.5的濃度的方法。

PM2.5的計(jì)算公式為該公式中， 代表所需監(jiān)測(cè)的空氣中的PM2.5的濃度（mg/m3）； 分別代表采樣器濾膜采樣前后的重量（mg）；V代表處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所采樣的空氣的體積（m3）。

作為傳統(tǒng)的PM2.5濃度監(jiān)測(cè)方法，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)過程中對(duì)操作的要求較高，一旦任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果存在異常。其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，在PM2.5濃度監(jiān)測(cè)時(shí)不會(huì)受到顆粒大小、形狀和顏色的影響。其缺點(diǎn)是相對(duì)操作較為煩瑣，且采樣周期較長(zhǎng)，不具有時(shí)效性。

1.2 β射線法

β射線法是通過對(duì)PM2.5中的顆粒對(duì)射線強(qiáng)度造成的衰減程度進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5中的顆粒物濃度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法。在采用β射線法進(jìn)行監(jiān)測(cè)過程中，首先將采集到的空氣樣品吸入到采樣管中，在經(jīng)過濾膜后，PM2.5中的顆粒物被截留在了濾膜之上，導(dǎo)致β射線在穿過濾膜時(shí)，受到顆粒物的影響出現(xiàn)了散射現(xiàn)象，發(fā)生了不同程度的衰減。而衰減的程度又與PM2.5的濃度有著正比關(guān)系。

由于抽樣的空氣中含有較多的水分，可能會(huì)對(duì)濾膜和顆粒物的質(zhì)量造成一定的影響，導(dǎo)致β射線法的自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果存在較大的誤差。因此在采集管中增加了動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，從而確?？諝庵械臐穸忍幱?5%以下。β射線法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的PM2.5監(jiān)測(cè)，且不會(huì)受到顆粒物的大小和顏色影響。其缺點(diǎn)是相對(duì)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度較低，易受抽樣空氣的影響。

1.3 微量振蕩天平法

微量振蕩天平法的監(jiān)測(cè)儀器主要由采樣頭、切割器以及采樣泵和主機(jī)組成。通過在質(zhì)量傳感器中增加一個(gè)一頭粗一頭細(xì)的振蕩空心錐形管，并將粗頭區(qū)域進(jìn)行固定，將濾膜設(shè)置在細(xì)頭。

在對(duì)PM2.5監(jiān)測(cè)過程中，所需監(jiān)測(cè)的氣體樣品從振蕩空心錐形管的粗頭進(jìn)入，細(xì)頭流出，所含有的顆粒物被截留在濾膜上。此時(shí)在電場(chǎng)的作用下，空心錐形管處于振蕩的狀態(tài)下，其振蕩的頻率受到空心錐形管的質(zhì)量影響。當(dāng)顆粒物導(dǎo)致濾膜發(fā)生重量變化時(shí)，空心錐形管的振蕩頻率也相應(yīng)的發(fā)生了一定的變化，而這種變化與細(xì)頭質(zhì)量的平方根成反比，借助這種特性，就可以對(duì)PM2.5的顆粒濃度含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

通常情況下，空氣中PM2.5的顆粒物濃度數(shù)量級(jí)大約處于0.1mg/m3，但同水分的含量數(shù)量級(jí)也達(dá)到了1mg/m3。當(dāng)空氣中的濕度超過80%時(shí)，會(huì)對(duì)空心錐形管的振蕩頻率造成巨大的影響。因此在采用該方法進(jìn)行PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要借助采樣管加熱技術(shù)將空氣中的水氣化，為了避免部分可揮發(fā)的顆粒物受到氣化影響導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在較大的誤差，還需要借助濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)揮發(fā)掉的顆粒物進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量。

微量振蕩天平法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高，且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)的PM2.5監(jiān)測(cè)，缺點(diǎn)是技術(shù)較為復(fù)雜且后期維護(hù)工作量較大，在一些濕度較高的區(qū)域?qū)y(cè)量精度影響較高。

1.4 光散射法

光散射法的原理是：隨著空氣當(dāng)中的PM2.5的顆粒物濃度增高，空氣在光照射下，發(fā)生散射的情況就越嚴(yán)重。通過對(duì)光的散射進(jìn)行計(jì)算測(cè)量，可以對(duì)空氣當(dāng)中的PM2.5的顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)定。該方法的缺點(diǎn)是，由于顆粒物的化學(xué)組成、形狀以及比重都在時(shí)刻發(fā)生著變化，導(dǎo)致光散射和顆粒物濃度之間的換算公式也在不斷的變化當(dāng)中，導(dǎo)致PM2.5測(cè)量的結(jié)果也存在較大的不準(zhǔn)確性。

2 影響PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的因素

2.1 樣品輸送管

在對(duì)空氣中PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)過程中，由于樣品在運(yùn)輸過程能會(huì)導(dǎo)致PM2.5部分的顆粒物殘留在樣品輸送管當(dāng)中，并逐漸發(fā)生積累。不僅會(huì)嚴(yán)重影響樣品輸送管的輸送性能，而且還對(duì)PM2.5檢測(cè)的結(jié)果造成巨大的影響。因此，為了避免這種問題的產(chǎn)生，必須在60天內(nèi)對(duì)樣品輸送管的管壁進(jìn)行清潔，同時(shí)如果在監(jiān)測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)PM2.5數(shù)據(jù)存在異常突變或者異常平穩(wěn)的情況，也應(yīng)當(dāng)對(duì)樣品輸送管的管壁進(jìn)行清潔。

2.2 采樣流量

氣體流量計(jì)量器件的工作性能也對(duì)PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果造成較大影響，因此對(duì)氣體流量計(jì)量器件檢查時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查其輸送管路和切割器是否存在漏氣故障，并對(duì)其采樣流量進(jìn)行校準(zhǔn)。一般情況下，如果PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的切割器只有一個(gè)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)必須安裝在輸送管道的入口處；如果PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的切割器2個(gè)或2個(gè)以上時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)必須安裝在第2個(gè)切割器的入口處。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)膜

作為PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的重要組成部分，如果標(biāo)準(zhǔn)膜存在異常，將嚴(yán)重影響測(cè)量的結(jié)果。因此，必須重視標(biāo)準(zhǔn)膜的保存方法，確保其處于干燥的環(huán)境當(dāng)中，并且避免部分顆粒物從輸送管路的管壁上，掉落到標(biāo)準(zhǔn)膜上，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成影響。

3 環(huán)境空氣中PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的實(shí)例分析

某市屬亞熱帶過渡的海洋性季風(fēng)氣候，整體氣候較為暖熱，年平均降雨量較高，且空氣的相對(duì)濕度較大。由于該市逆溫出現(xiàn)的頻率較高，導(dǎo)致大氣層相對(duì)穩(wěn)定，空氣中的污染物擴(kuò)散存在不暢，給當(dāng)?shù)氐木用窠】祹砹司薮蟮挠绊?。為了更精?zhǔn)的對(duì)本市空氣中PM2.5的進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1 監(jiān)測(cè)方法的選擇

①監(jiān)測(cè)方法A：微量振蕩天平方法，設(shè)備采用熱電雙通道測(cè)塵儀1405D，對(duì)PM2.5和PM10進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)。②監(jiān)測(cè)方法B：在微量振蕩天平方法的基礎(chǔ)上，引入了膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。通過膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)微量振蕩天平方法可能出現(xiàn)的揮發(fā)性顆粒損失進(jìn)行校正測(cè)量，儀器采用熱電PM2.5測(cè)塵儀1405F。③監(jiān)測(cè)方法C：β射線+聯(lián)用光散射法，采用儀器熱電PM2.5測(cè)塵儀SHARP5030，可以用聯(lián)用光散射法對(duì)β射線法產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校正。

3.2 質(zhì)量保證

采樣前后都會(huì)對(duì)手工采樣器流量進(jìn)行檢查，避免其誤差超過設(shè)定流量16.67%。

采樣前對(duì)濾膜進(jìn)行全面的檢查，確保邊緣位置處于平整狀態(tài)，且沒有任何毛刺和污染現(xiàn)象。如果在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了停電或者設(shè)備故障，對(duì)低于20小時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

通過在測(cè)試點(diǎn)設(shè)置手工采樣器，并使用特制的三腳架對(duì)其進(jìn)行固定支撐，確保切割器流路與地面保持垂直狀態(tài)。PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)環(huán)境空氣進(jìn)行24小時(shí)的自動(dòng)采樣，手工采樣時(shí)間則為23個(gè)小時(shí)，其中剩余時(shí)間用于對(duì)濾膜進(jìn)行更換以及流量校準(zhǔn)等工作。

3.4 偏差分析

本次試驗(yàn)階段總共在接近1年的時(shí)間里進(jìn)行了70次的試驗(yàn)分析，并對(duì)其中不符合質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行提出，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用B和C監(jiān)測(cè)方法，所得到的PM2.5測(cè)量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室所得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，偏差大約在11.3%左右，而采用A監(jiān)測(cè)方法，所得到的PM2.5測(cè)量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室所得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，偏差大約在21.1%左右。

3.5 頻率分布圖分析

根據(jù)圖1可以看出，C監(jiān)測(cè)方法的相對(duì)平均偏差分布較為集中，而A和B監(jiān)測(cè)方法的相對(duì)平均偏差分布較為離散，充分證明了B監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果穩(wěn)定性相對(duì)較好。

圖1 不同監(jiān)測(cè)方法相對(duì)平均偏差的頻率分布圖

3.6 不同自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的對(duì)比分析

由于B監(jiān)測(cè)方法（11.3%）的相對(duì)平均偏差較A監(jiān)測(cè)方法（21.1%）要明顯較好，證明了加裝膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)可以有效的提高振蕩天平方法的精準(zhǔn)度。

通過相對(duì)平均偏差的頻率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用β射線+聯(lián)用光散射法的穩(wěn)定性較高，該種PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法更適合在本市應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)常見的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行分析，介紹不同監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并借助實(shí)例分析了不同方法在同樣環(huán)境下的應(yīng)用效果。相關(guān)工作者在監(jiān)測(cè)過程中，可結(jié)合本地實(shí)際情況，選擇相對(duì)適合的監(jiān)測(cè)方法，提高PM2.5顆粒濃度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。