淺談PM2.5自動監測的幾種主流方法

毛達敬

摘 要：簡單介紹了PM2.5自動監測的現狀、問題，對目前幾種主流的自動監測PM2.5的方法原理以及優劣做了闡述

關鍵詞：PM2.5；自動監測；原理

1 PM2.5監測的現狀以及問題

在公眾對改善環境空氣質量需求的推動下，大氣細顆粒物PM2.5作為基本監測項目納入《環境空氣質量標準》（GB3095-2012），PM2.5的監測能力建設和數據實時發布也隨之提上日程。根據“十二五”期間國家環境空氣質量監測網能力建設“四步走”的發展規劃要求，省會城市、直轄市以及京津冀、長三角和珠三角等重點區域城市需于2012年底實現環境空氣監測數據的實時發布。截止2016年底，所有地級以上城市需分階段完成PM2.5的監測能力建設和實時發布。

美國在1997年頒布監測標準，1998年開展能力建設；歐盟、日本也都在2005年前后逐步開展監測；我國在2007年前后各城市進行試驗性監測。

PM2.5監測不同于PM10監測，揮發性成分影響顯著，監測難度較大。PM2.5監測技術不是一開始就是成熟的方案，是一個探索和發展的實驗過程，所以監測中存在一些問題。2008年美國EPA批準PM2.5監測參比方法（手工）和等效方法（自動），2009年開始認證通過目前市場主要的國外監測產品，期間歐美PM2.5監測設備通過和未通過認證的儀器混雜使用，帶來不少問題；2011年前我國國內沒有PM2.5自動監測儀器生產廠商，國外提供商銷售部分沒有認證的設備，導致各地區監測差別較大。現階段按照國內外環境監測技術規范的要求，對執行環境質量標準要求的項目指標的監測儀器，均需通過環境管理部門的質檢。

2 PM2.5自動監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，使環境空氣中的PM2.5被截留在已知質量的濾膜上，根據采樣前后濾膜的質量差和采樣體積，計算出PM2.5的濃度。計算顆粒物濃度時，對實測溫度、壓力下的體積均應換算成標準狀況下（0℃、101.3kPa）的體積。環境空氣監測中采樣技術規范要按照HJ/T194的要求執行。

2.2 微量振蕩天平法

微量振蕩天平法是在質量傳感器內使用一個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量。當采樣氣流通過濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質量變化導致振蕩頻率的變化，通過振蕩頻率變化計算出沉積在濾膜上顆粒物的質量，再根據流量、現場環境溫度和氣壓計算出該時段顆粒物的質量濃度。

采用微量振蕩天平法監測時，由于空氣中水分對膜片稱重有較大的影響，所以采樣管系統必須加熱以維持一個較穩定的稱重濕度環境，這樣會造成受測量空氣中揮發性和半揮發性顆粒物的損失。因此采用微量振蕩天平法時，必須加裝膜動態測量系統來監測PM2.5質量濃度，以校正測量偏差。

微量振蕩天平法顆粒物監測儀由采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動態測量系統、采樣泵和儀器主機組成。環境空氣樣品經過采樣頭和PM2.5切割器后，成為符合技術要求的顆粒物樣品氣體。樣品氣體隨后進入配置有膜動態測量系統（FDMS）的微量振蕩天平法監測儀主機，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。在工作時空心錐形管是處于往復振蕩的狀態，它的振蕩頻率會隨著濾膜上收集的顆粒物的質量變化發生變化，儀器通過準確測量頻率的變化得到采集到的顆粒物質量，然后根據收集這些顆粒物時采集的樣品體積計算得出樣品的濃度。采用該方法的監測儀器，精度較高，技術較復雜，維護工作量大，膜動態測量系統（FDMS）需定期返廠更新，該方法設備在長期濕度高的地區受較大影響。

2.3 β射線法

β射線法原理是根據顆粒物對碳-14釋放的β射線的吸收強度進行分析，顆粒物吸附在濾紙帶表面后，蓋革計數器通過測量采樣前β射線強度變化來計算吸附的顆粒物濃度。

采用β射線法監測時，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態加熱系統，保持受測量氣流的濕度相對穩定在合適測量水平。因此，β射線法必須加裝動態加熱系統來監測PM2.5質量濃度，以最大限度減少對顆粒物監測的影響。

β射線法顆粒物監測儀由采樣頭、PM2.5切割器、樣品動態加熱系統、采樣泵和儀器主機組成。在樣品動態加熱系統中，樣品氣體的相對濕度被調整到35%以下。樣品氣體進入儀器主機后顆粒物被收集在可以自動更換的濾膜上。濾膜的兩側分別設置了β射線源和β射線檢測器。隨著樣品采集的進行，在濾膜上收集的顆粒物越來越多，顆粒物質量也隨之增加，此時β射線檢測器檢測到的β射線強度會相應地減弱。由于β射線檢測器的輸出信號能直接反應顆粒物的質量變化，儀器通過分析該質量變化，結合同時段內采集的樣品體積，最終得出采樣時段的顆粒物濃度。采用該方法監測儀器，精度較低，技術較簡單，維護工作量小。

2.4 光散射法

光散射法測量質量濃度的原理是建立在微粒的Mie散射理論基礎上的。當光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時，產生散射光。在顆粒物性質一定的條件下，顆粒物的散射光強度與其質量濃度成正比。通過測量散射光強度，應用轉換系數，求得顆粒物質量濃度。光通過顆粒物質時，對于數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、形態以及成分的影響，其測量準確性不好，所以單獨采用光散射法測量PM2.5的儀器較少，國內外廠商一般運用該方法結合其它方法來進一步提高測量的準確性。比如，采用β射線加動態加熱系統聯用光散射方法，因為增加了光散射測量裝置，利用較為穩定準確的周期β射線法測量數據為校準，來提供高時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態測量系統儀器與β射線法加動態加熱系統儀器之間，檢出限和精度理論上均接近微量振蕩天平加膜動態測量系統方法儀器。

3 結束語

現階段我國PM2.5自動監測設備認證還是空白，但已經在籌措建設認證平臺。2011年12月環境保護部頒布《環境空氣PM10和PM2.5的測定重量法》（HJ618-2011），為PM2.5自動監測等效方法設備提供了基準的參比方法。自動方法需要與手工基準方法比對是國際通用方法，具有權威性。

參考文獻

[1]（HJ618-2011）.環境空氣PM10和PM2.5的測定重量法[Z].

[2]（GB3095-2012）.環境空氣質量標準[Z].

[3]（HJT193-2005）.環境空氣質量自動監測技術規范[Z].

[4]（HJ/T194-2005）.環境空氣質量手工監測技術規范[Z].