環(huán)境空氣中PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)比分析及應(yīng)用研究

劉偉宏

合肥市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，安徽合肥 230000

空氣環(huán)境PM2.5污染現(xiàn)象已經(jīng)引進(jìn)了我國(guó)相關(guān)人員的重視，因此，開(kāi)展了大量的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法研究工作，并得出了許多功能不同、性能存在差異、成本以及便捷性的監(jiān)測(cè)方法，所以為了能夠準(zhǔn)確且完整的得到空氣環(huán)境中PM2.5含量信息，有必要對(duì)各項(xiàng)方法進(jìn)行篩選。

1 常見(jiàn)PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法與理論對(duì)比結(jié)果

1.1 PM2.5概述

PM2.5是當(dāng)前空氣污染的主要因素，其具體形態(tài)為顆粒狀，由灰塵、廢氣等污染物質(zhì)組成。在PM2.5的影響之下，世界各國(guó)的空氣環(huán)境都受到了不同程度的污染，例如在我國(guó)局部地區(qū)造成了“霧霾”現(xiàn)象，已經(jīng)造成了重大的污染[1]。

1.2 β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法是當(dāng)前常見(jiàn)的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，該方法的原理在于β射線對(duì)物質(zhì)添加量的反應(yīng)。根據(jù)專業(yè)理論得知，β射線在不同的物質(zhì)添加量條件下會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以PM2.5作為空氣環(huán)境中的物質(zhì)添加量，可以依靠β射線來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該方法的應(yīng)用方法為：先采用采樣管獲取空氣樣品，此時(shí)樣品當(dāng)中的PM2.5會(huì)全部賦予采樣管的濾網(wǎng)膜上，此時(shí)采用β射線進(jìn)行濾網(wǎng)膜穿透處理，在此過(guò)程中，當(dāng)β射線與PM2.5接觸其基礎(chǔ)能量會(huì)吸附在PM2.5，導(dǎo)致基礎(chǔ)能量不斷減少，此時(shí)根據(jù)單個(gè)PM2.5吸附β射線的容量、β射線基礎(chǔ)能量的減少量即可判斷樣品當(dāng)中的PM2.5含量[2]。β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法例圖見(jiàn)圖1。

圖1 β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法例圖

1.3 振蕩天平自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

振蕩天平法是近代研發(fā)而出的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中受到了廣泛的關(guān)注。該方法的原理在于：先配置采樣管，即選擇石英錐形管，并在適當(dāng)位置安置濾網(wǎng)膜，此時(shí)PM2.5當(dāng)中的顆粒物、濾網(wǎng)膜與石英錐形管的結(jié)果會(huì)形成振蕩結(jié)構(gòu)。之后進(jìn)行采樣工作，當(dāng)PM2.5通過(guò)濾網(wǎng)膜時(shí)，顆粒物會(huì)殘留在濾網(wǎng)膜上，影響濾網(wǎng)膜的質(zhì)量，相應(yīng)振動(dòng)的頻率也會(huì)受到相應(yīng)的影響，所以根據(jù)濾網(wǎng)膜振動(dòng)頻率以及氣流流速、流量可以計(jì)算出樣品當(dāng)中的PM2.5含量[3]。

1.4 理論視角上兩種方法的對(duì)比結(jié)果

關(guān)于上述兩種方法的優(yōu)劣，前人進(jìn)行了許多理論研究，通過(guò)此類研究結(jié)果，可以初步了解此項(xiàng)兩技術(shù)的差別。理論上，β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較強(qiáng)的直觀性，同時(shí)整個(gè)操作工程較為簡(jiǎn)單，操作環(huán)境也比較安定，通常在1h之內(nèi)可以完成數(shù)據(jù)量1的監(jiān)測(cè)工作，并不需要人工過(guò)多的進(jìn)行維護(hù)；振蕩天平自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法方面，其整個(gè)操作過(guò)程當(dāng)中，需要操作人員不斷的控制采樣管，并保持自身的高度專注來(lái)觀察濾網(wǎng)膜的振動(dòng)情況，單這一點(diǎn)就足以證明該項(xiàng)技術(shù)的操控難度要高于β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，因此在理論視角下，β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法具有更高的應(yīng)用價(jià)值。此外，上述兩種自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法同時(shí)存在一個(gè)弊端，即在一些特定情況下，很容易受到外界因素的干擾，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果失準(zhǔn)，并且針對(duì)此問(wèn)題，我國(guó)當(dāng)前還沒(méi)有一套可行性較高的方法。

2 常見(jiàn)PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法試驗(yàn)對(duì)比

2.1 試驗(yàn)配置

為了保障試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌_(kāi)展，先進(jìn)行試驗(yàn)配置工作。針對(duì)β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，先配置了非自動(dòng)采樣器一臺(tái)，之配置了兩臺(tái)β射線顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備；針對(duì)振蕩天平自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，先配置了非自動(dòng)采樣器，之后配置了微振蕩天平法顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。通用試驗(yàn)配置包括：玻璃纖維濾膜 （超細(xì)型） 、0.0001%天平，非自動(dòng)采樣器相關(guān)參數(shù)為：采樣流量16.6L/min；β射線顆粒物、振蕩天平自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備相關(guān)參數(shù)為：采樣時(shí)間間隔1h、每小時(shí)平均采樣39min、采樣流量為16.6L/min。試驗(yàn)方法上，采用非自動(dòng)采樣器進(jìn)行為期一天的采樣；采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行為期1d的采樣。

2.2 結(jié)果分析

在上述試驗(yàn)之下，對(duì)兩種采樣設(shè)備的采樣表現(xiàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，以此通過(guò)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)了解兩種方法的優(yōu)劣。結(jié)果顯示：非自動(dòng)采樣器比較于自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，其相關(guān)系數(shù)要低于自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備0.93；針對(duì)β射線監(jiān)測(cè)方法，其非自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相較于自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，其斜率要大于0.8，此時(shí)依照相關(guān)規(guī)程了解到，該方法不滿足規(guī)程，說(shuō)明非自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法質(zhì)量有所缺陷。微振蕩天平法對(duì)比于非自動(dòng)測(cè)定法，測(cè)定結(jié)果顯示，兩種方法的偏差-15%～+15%，說(shuō)明這兩種方法均具有適用性。表1為β射線10d測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 β射線10d測(cè)試數(shù)據(jù)

3 監(jiān)測(cè)儀器對(duì)比分析

無(wú)論是何種類的自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，都需要監(jiān)測(cè)儀器作為支撐，而不同的監(jiān)測(cè)儀器會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)果造成影響，因此，出于完整性考慮，本文將圍繞國(guó)內(nèi)外PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行分析，對(duì)比國(guó)外、國(guó)內(nèi)采用的監(jiān)測(cè)設(shè)備性能以及效果。

3.1 國(guó)外PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器

國(guó)外常采用的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器大致包括TEOM法監(jiān)測(cè)設(shè)備，這種設(shè)備的特點(diǎn)在于監(jiān)測(cè)效率高、準(zhǔn)確率高，但存在一個(gè)明顯的缺陷，即在高溫環(huán)境之下，會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果失準(zhǔn)現(xiàn)象，但該缺陷在國(guó)外的研究之下，可以通過(guò)FDMS方法進(jìn)行改善：首先采用FDMS方法對(duì)氣體樣品進(jìn)行預(yù)先監(jiān)測(cè)，再對(duì)濾網(wǎng)膜上的PM2.5顆粒物進(jìn)行計(jì)算，以此得到樣品的質(zhì)量濃度。其次再一次對(duì)樣品進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但此部分監(jiān)測(cè)需要將FDMS方法放置在TEOM法監(jiān)測(cè)設(shè)備之前，此時(shí)所有氣體經(jīng)過(guò)FDMS會(huì)被冷凝，并且截留一部分，而另一部分因?yàn)闇囟容^低，可以通過(guò)TEOM法監(jiān)測(cè)設(shè)備直接進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最終結(jié)合FDMS、TEOM兩者的結(jié)果，可以得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。此外，有些先進(jìn)的西方國(guó)家，已經(jīng)研究出FDMS、TEOM的一體化設(shè)備，從結(jié)果上來(lái)看，這種設(shè)備既具備準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，也消除了以往TEOM的應(yīng)用缺陷。

3.2 國(guó)內(nèi)PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器

我國(guó)采用的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器類目比較復(fù)雜，暫時(shí)還沒(méi)有固定的儀器，所以只能從監(jiān)測(cè)技術(shù)角度上來(lái)進(jìn)行分析。針對(duì)β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其使用的儀器自動(dòng)化表現(xiàn)相對(duì)良好，測(cè)定結(jié)果也比較準(zhǔn)確，但在高溫等特殊情況下，此類儀器很容易出現(xiàn)失準(zhǔn)現(xiàn)象，而要消除這種現(xiàn)象，除了借用上述的FDMS方法以外，只能通過(guò)一系列煩瑣的操作來(lái)達(dá)成目的；針對(duì)振蕩天平自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，該方法所采用的儀器整體表現(xiàn)與β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法儀器相似，所以不再多加贅述，那么通過(guò)上述兩種方法的理論、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看待，在我國(guó)應(yīng)用當(dāng)中，β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法儀器應(yīng)用效果更佳，但依舊存在待改善點(diǎn)。

3.3 國(guó)內(nèi)外自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器對(duì)比

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比，可以明顯地看出我國(guó)儀器水平還相對(duì)較低。但在正常條件下，我國(guó)監(jiān)測(cè)儀器與國(guó)外先進(jìn)儀器的監(jiān)測(cè)效果并沒(méi)有太大的差別。綜合評(píng)價(jià)：我國(guó)PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器相較于國(guó)外，還存在技術(shù)缺陷，很容易受到外在因素的影響，所以在未來(lái)的研究發(fā)展當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)以此為方向來(lái)開(kāi)展工作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了環(huán)境空氣中PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)這些方法進(jìn)行比較，了解各項(xiàng)方法的優(yōu)劣。通過(guò)本文分析得到以下結(jié)論：目前常見(jiàn)的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法有β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法、振蕩天平自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法；β射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用價(jià)值要高于振蕩天平自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法；國(guó)內(nèi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展水平暫時(shí)要低于國(guó)外水平，但也有可取之處，需要在今后的研究當(dāng)中以此為方向進(jìn)行完善。