浅谈PM2.5自动监测的几种主流方法

毛达敬

摘 要：简单介绍了PM2.5自动监测的现状、问题，对目前几种主流的自动监测PM2.5的方法原理以及优劣做了阐述

关键词：PM2.5；自动监测；原理

1 PM2.5监测的现状以及问题

在公众对改善环境空气质量需求的推动下，大气细颗粒物PM2.5作为基本监测项目纳入《环境空气质量标准》（GB3095-2012），PM2.5的监测能力建设和数据实时发布也随之提上日程。根据“十二五”期间国家环境空气质量监测网能力建设“四步走”的发展规划要求，省会城市、直辖市以及京津冀、长三角和珠三角等重点区域城市需于2012年底实现环境空气监测数据的实时发布。截止2016年底，所有地级以上城市需分阶段完成PM2.5的监测能力建设和实时发布。

美国在1997年颁布监测标准，1998年开展能力建设；欧盟、日本也都在2005年前后逐步开展监测；我国在2007年前后各城市进行试验性监测。

PM2.5监测不同于PM10监测，挥发性成分影响显著，监测难度较大。PM2.5监测技术不是一开始就是成熟的方案，是一个探索和发展的实验过程，所以监测中存在一些问题。2008年美国EPA批准PM2.5监测参比方法（手工）和等效方法（自动），2009年开始认证通过目前市场主要的国外监测产品，期间欧美PM2.5监测设备通过和未通过认证的仪器混杂使用，带来不少问题；2011年前我国国内没有PM2.5自动监测仪器生产厂商，国外提供商销售部分没有认证的设备，导致各地区监测差别较大。现阶段按照国内外环境监测技术规范的要求，对执行环境质量标准要求的项目指标的监测仪器，均需通过环境管理部门的质检。

2 PM2.5自动监测的几种主流方法原理

2.1 重量法

我国目前对大气颗粒物的测定主要采用重量法。其原理是分别通过一定切割特征的采样器，以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中的PM2.5被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出PM2.5的浓度。计算颗粒物浓度时，对实测温度、压力下的体积均应换算成标准状况下（0℃、101.3kPa）的体积。环境空气监测中采样技术规范要按照HJ/T194的要求执行。

2.2 微量振荡天平法

微量振荡天平法是在质量传感器内使用一个石英振荡空心锥形管，在其振荡端安装可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特征和其质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜的质量变化导致振荡频率的变化，通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物的质量浓度。

采用微量振荡天平法监测时，由于空气中水分对膜片称重有较大的影响，所以采样管系统必须加热以维持一个较稳定的称重湿度环境，这样会造成受测量空气中挥发性和半挥发性颗粒物的损失。因此采用微量振荡天平法时，必须加装膜动态测量系统来监测PM2.5质量浓度，以校正测量偏差。

微量振荡天平法颗粒物监测仪由采样头、PM2.5切割器、滤膜动态测量系统、采样泵和仪器主机组成。环境空气样品经过采样头和PM2.5切割器后，成为符合技术要求的颗粒物样品气体。样品气体随后进入配置有膜动态测量系统（FDMS）的微量振荡天平法监测仪主机，通过一端固定，另一端装有滤膜的空心锥形管，颗粒物被收集在滤膜上。在工作时空心锥形管是处于往复振荡的状态，它的振荡频率会随着滤膜上收集的颗粒物的质量变化发生变化，仪器通过准确测量频率的变化得到采集到的颗粒物质量，然后根据收集这些颗粒物时采集的样品体积计算得出样品的浓度。采用该方法的监测仪器，精度较高，技术较复杂，维护工作量大，膜动态测量系统（FDMS）需定期返厂更新，该方法设备在长期湿度高的地区受较大影响。

2.3 β射线法

β射线法原理是根据颗粒物对碳-14释放的β射线的吸收强度进行分析，颗粒物吸附在滤纸带表面后，盖革计数器通过测量采样前β射线强度变化来计算吸附的颗粒物浓度。

采用β射线法监测时，由于空气中水分对膜片和吸附颗粒物均有较大的影响，所以采样管必须加装动态加热系统，保持受测量气流的湿度相对稳定在合适测量水平。因此，β射线法必须加装动态加热系统来监测PM2.5质量浓度，以最大限度减少对颗粒物监测的影响。

β射线法颗粒物监测仪由采样头、PM2.5切割器、样品动态加热系统、采样泵和仪器主机组成。在样品动态加热系统中，样品气体的相对湿度被调整到35%以下。样品气体进入仪器主机后颗粒物被收集在可以自动更换的滤膜上。滤膜的两侧分别设置了β射线源和β射线检测器。随着样品采集的进行，在滤膜上收集的颗粒物越来越多，颗粒物质量也随之增加，此时β射线检测器检测到的β射线强度会相应地减弱。由于β射线检测器的输出信号能直接反应颗粒物的质量变化，仪器通过分析该质量变化，结合同时段内采集的样品体积，最终得出采样时段的颗粒物浓度。采用该方法监测仪器，精度较低，技术较简单，维护工作量小。

2.4 光散射法

光散射法测量质量浓度的原理是建立在微粒的Mie散射理论基础上的。当光照射在空气中悬浮的颗粒物上时，产生散射光。在颗粒物性质一定的条件下，颗粒物的散射光强度与其质量浓度成正比。通过测量散射光强度，应用转换系数，求得颗粒物质量浓度。光通过颗粒物质时，对于数量级与使用光波长相等或较大的颗粒，光散射是光能衰减的主要形式。

光散射法由于容易受颗粒物折射性、形态以及成分的影响，其测量准确性不好，所以单独采用光散射法测量PM2.5的仪器较少，国内外厂商一般运用该方法结合其它方法来进一步提高测量的准确性。比如，采用β射线加动态加热系统联用光散射方法，因为增加了光散射测量装置，利用较为稳定准确的周期β射线法测量数据为校准，来提供高时间分辨率的光散射方法测量值，其精确度水平处在微量振荡天平加膜动态测量系统仪器与β射线法加动态加热系统仪器之间，检出限和精度理论上均接近微量振荡天平加膜动态测量系统方法仪器。

3 结束语

现阶段我国PM2.5自动监测设备认证还是空白，但已经在筹措建设认证平台。2011年12月环境保护部颁布《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》（HJ618-2011），为PM2.5自动监测等效方法设备提供了基准的参比方法。自动方法需要与手工基准方法比对是国际通用方法，具有权威性。

参考文献

[1]（HJ618-2011）.环境空气PM10和PM2.5的测定重量法[Z].

[2]（GB3095-2012）.环境空气质量标准[Z].

[3]（HJT193-2005）.环境空气质量自动监测技术规范[Z].

[4]（HJ/T194-2005）.环境空气质量手工监测技术规范[Z].