環境空氣中PM2.5自動監測方法分析

文_李立 六盤水市環境監測站

1 常見的PM2.5自動監測方法

1.1 重量法

所謂重量自動監測法，就是借助具有切割特性的采樣器，對空氣以恒定的速度抽取一定的體積，然后在空氣在流動過程中，其蘊含PM2.5顆粒物將被截留在采樣器的濾膜上，通過對濾膜采樣前后的重量變化，以及所采取的空氣體積進行計算，最終得出PM2.5的濃度的方法。

PM2.5的計算公式為該公式中， 代表所需監測的空氣中的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代表處于標準狀態下所采樣的空氣的體積（m3）。

作為傳統的PM2.5濃度監測方法，在進行監測過程中對操作的要求較高，一旦任何環節出現問題，都會導致監測結果存在異常。其優點是原理簡單，在PM2.5濃度監測時不會受到顆粒大小、形狀和顏色的影響。其缺點是相對操作較為煩瑣，且采樣周期較長，不具有時效性。

1.2 β射線法

β射線法是通過對PM2.5中的顆粒對射線強度造成的衰減程度進行計算，實現對PM2.5中的顆粒物濃度進行自動監測的方法。在采用β射線法進行監測過程中，首先將采集到的空氣樣品吸入到采樣管中，在經過濾膜后，PM2.5中的顆粒物被截留在了濾膜之上，導致β射線在穿過濾膜時，受到顆粒物的影響出現了散射現象，發生了不同程度的衰減。而衰減的程度又與PM2.5的濃度有著正比關系。

由于抽樣的空氣中含有較多的水分，可能會對濾膜和顆粒物的質量造成一定的影響，導致β射線法的自動監測結果存在較大的誤差。因此在采集管中增加了動態加熱系統，從而確保空氣中的濕度處于35%以下。β射線法的優點是技術簡單、維護方便，可以實現連續的PM2.5監測，且不會受到顆粒物的大小和顏色影響。其缺點是相對監測的準確度較低，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測儀器主要由采樣頭、切割器以及采樣泵和主機組成。通過在質量傳感器中增加一個一頭粗一頭細的振蕩空心錐形管，并將粗頭區域進行固定，將濾膜設置在細頭。

在對PM2.5監測過程中，所需監測的氣體樣品從振蕩空心錐形管的粗頭進入，細頭流出，所含有的顆粒物被截留在濾膜上。此時在電場的作用下，空心錐形管處于振蕩的狀態下，其振蕩的頻率受到空心錐形管的質量影響。當顆粒物導致濾膜發生重量變化時，空心錐形管的振蕩頻率也相應的發生了一定的變化，而這種變化與細頭質量的平方根成反比，借助這種特性，就可以對PM2.5的顆粒濃度含量進行監測。

通常情況下，空氣中PM2.5的顆粒物濃度數量級大約處于0.1mg/m3，但同水分的含量數量級也達到了1mg/m3。當空氣中的濕度超過80%時，會對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行PM2.5自動監測時，需要借助采樣管加熱技術將空氣中的水氣化，為了避免部分可揮發的顆粒物受到氣化影響導致測量結果存在較大的誤差，還需要借助濾膜動態測量系統對揮發掉的顆粒物進行精準的測量。

微量振蕩天平法的優點是測量精度較高，且可以實現連續自動的PM2.5監測，缺點是技術較為復雜且后期維護工作量較大，在一些濕度較高的區域對測量精度影響較高。

1.4 光散射法

光散射法的原理是：隨著空氣當中的PM2.5的顆粒物濃度增高，空氣在光照射下，發生散射的情況就越嚴重。通過對光的散射進行計算測量，可以對空氣當中的PM2.5的顆粒物濃度進行測定。該方法的缺點是，由于顆粒物的化學組成、形狀以及比重都在時刻發生著變化，導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中，導致PM2.5測量的結果也存在較大的不準確性。

2 影響PM2.5自動監測準確性的因素

2.1 樣品輸送管

在對空氣中PM2.5自動監測過程中，由于樣品在運輸過程能會導致PM2.5部分的顆粒物殘留在樣品輸送管當中，并逐漸發生積累。不僅會嚴重影響樣品輸送管的輸送性能，而且還對PM2.5檢測的結果造成巨大的影響。因此，為了避免這種問題的產生，必須在60天內對樣品輸送管的管壁進行清潔，同時如果在監測過程中，發現PM2.5數據存在異常突變或者異常平穩的情況，也應當對樣品輸送管的管壁進行清潔。

2.2 采樣流量

氣體流量計量器件的工作性能也對PM2.5自動監測的結果造成較大影響，因此對氣體流量計量器件檢查時，應重點檢查其輸送管路和切割器是否存在漏氣故障，并對其采樣流量進行校準。一般情況下，如果PM2.5自動監測儀器的切割器只有一個時，標準流量計必須安裝在輸送管道的入口處；如果PM2.5自動監測儀器的切割器2個或2個以上時，標準流量計必須安裝在第2個切割器的入口處。

2.3 標準膜

作為PM2.5自動監測設備的重要組成部分，如果標準膜存在異常，將嚴重影響測量的結果。因此，必須重視標準膜的保存方法，確保其處于干燥的環境當中，并且避免部分顆粒物從輸送管路的管壁上，掉落到標準膜上，對監測結果造成影響。

3 環境空氣中PM2.5自動監測方法的實例分析

某市屬亞熱帶過渡的海洋性季風氣候，整體氣候較為暖熱，年平均降雨量較高，且空氣的相對濕度較大。由于該市逆溫出現的頻率較高，導致大氣層相對穩定，空氣中的污染物擴散存在不暢，給當地的居民健康帶來了巨大的影響。為了更精準的對本市空氣中PM2.5的進行監測。

3.1 監測方法的選擇

①監測方法A：微量振蕩天平方法，設備采用熱電雙通道測塵儀1405D，對PM2.5和PM10進行同時監測。②監測方法B：在微量振蕩天平方法的基礎上，引入了膜動態測量系統。通過膜動態測量系統對微量振蕩天平方法可能出現的揮發性顆粒損失進行校正測量，儀器采用熱電PM2.5測塵儀1405F。③監測方法C：β射線+聯用光散射法，采用儀器熱電PM2.5測塵儀SHARP5030，可以用聯用光散射法對β射線法產生的誤差進行校正。

3.2 質量保證

采樣前后都會對手工采樣器流量進行檢查，避免其誤差超過設定流量16.67%。

采樣前對濾膜進行全面的檢查，確保邊緣位置處于平整狀態，且沒有任何毛刺和污染現象。如果在試驗過程中出現了停電或者設備故障，對低于20小時的監測數據進行剔除。

3.3 實驗過程

通過在測試點設置手工采樣器，并使用特制的三腳架對其進行固定支撐，確保切割器流路與地面保持垂直狀態。PM2.5自動監測設備對環境空氣進行24小時的自動采樣，手工采樣時間則為23個小時，其中剩余時間用于對濾膜進行更換以及流量校準等工作。

3.4 偏差分析

本次試驗階段總共在接近1年的時間里進行了70次的試驗分析，并對其中不符合質量要求的數據進行提出，通過對比發現，采用B和C監測方法，所得到的PM2.5測量結果和實驗室所得的標準數據，偏差大約在11.3%左右，而采用A監測方法，所得到的PM2.5測量結果和實驗室所得的標準數據，偏差大約在21.1%左右。

3.5 頻率分布圖分析

根據圖1可以看出，C監測方法的相對平均偏差分布較為集中，而A和B監測方法的相對平均偏差分布較為離散，充分證明了B監測方法的監測結果穩定性相對較好。

圖1 不同監測方法相對平均偏差的頻率分布圖

3.6 不同自動監測方法的對比分析

由于B監測方法（11.3%）的相對平均偏差較A監測方法（21.1%）要明顯較好，證明了加裝膜動態測量系統可以有效的提高振蕩天平方法的精準度。

通過相對平均偏差的頻率對比發現，采用β射線+聯用光散射法的穩定性較高，該種PM2.5自動監測方法更適合在本市應用。

4 結語

通過對常見的PM2.5自動監測方法進行分析，介紹不同監測方法的優缺點，并借助實例分析了不同方法在同樣環境下的應用效果。相關工作者在監測過程中，可結合本地實際情況，選擇相對適合的監測方法，提高PM2.5顆粒濃度測量結果的準確度。