PM2.5概述与自动监测技术浅析

滕世长　李冰菲

摘要：PM2.5作为目前普遍关注的环境问题，已经越来越受到重视，文章从PM2.5的定义、组成及来源出发，简单介绍了PM2.5的特点和变化趋势。并且从环境监测角度，介绍了国内外PM2.5监测的现状及发展历程，并阐述了四种主流PM2.5监测方法的原理及优缺点。

关键词：环境空气；PM2.5；自动监测

随着2011年美国大使馆公布PM2.5事件的发生，PM2.5已经成为全社会普遍关注的环境问题，虽然PM2.5只是环境空气中含量很少的组分，但它对空气质量及能见度等有着重要的影响。PM2.5粒径小，含有大量有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，对人体健康和环境空气质量的影响大。2012年2月，国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》中增加了PM2.5浓度限值。

1 PM2.5的定义

指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，也称细颗粒物、可入肺颗粒物，它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。

2 PM2.5的组成

PM2.5的组成十分复杂。PM2.5按组成可分为一次污染物和二次污染物。一次污染物包括元素碳EC、有机碳化合物OC（二 英、PCBs、PAHs、农药、VOCs、SVOCs）、矿物质细粉、金属氧化物（Pb、Cd、Hg、As、Zn等）、海盐、细菌、病毒等；二次污染物包括NH4HSO4、（NH4）2SO4、NH4NO3是由SO2、NOx氧化反应生成的，有机气溶胶是由VOCs氧化生成。

3 PM2.5的来源

PM2.5主要来源于人为排放，包括一次排放和二次转化生成。一次排放主要来自燃烧过程及粉尘、扬尘。二次转化是指由二氧化硫、氨、氮氧化物和挥发性有机物等气态前体物在大气中通过化学反应而生成。自然过程也会产生少量PM2.5，如沙尘暴、火山灰、森林火灾、花粉、海盐等。

其中EC、OC主要来源于煤、气、油、生物质等物质燃烧不完全，以及石化、化工、机动车尾气排放等；SO42-、NO3-来源于SO2、NOx在空气中被氧化生成的；NH4+来源于化肥释放、生物质分解；金属氧化物来源于有色金属冶炼、化工、钢铁、化石燃料燃烧、挥发出的金属氧化物。

4 PM2.5自动监测技术

PM2.5是近十多年来环境监测的一个新项目，不同于PM10监测，PM2.5监测受挥发性成分影响显著，难度较大。

美国是开展PM2.5监测最早的国家，于1997年颁布标准，1998年开展能力建设；欧盟2005年前后各成员国逐步开展；日本2007年逐步开展。

国内2007年前后各城市试验性监测，目前北京、上海、重庆、珠三角地区已经形成了完善的PM2.5监测、预报、预警体系，新修订的《环境空气质量标准》（GB3095-2012）的颁布和实行，极大的推进了PM2.5监测网络的建设速度。

目前国内外普遍采用的主流PM2.5监测技术主要为以下四种，见图1。

4.1 TEOM+FDMS等效方法

微量振荡天平法（TEOM）是基于石英振荡杆上的膜片负重改变而导致振荡频率变化的原理来测量颗粒物的质量浓度。

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为稳定的称重湿度环境，这样会造成受测量空气中挥发性及半挥发性颗粒物的损失，因此，微量振荡天平法必须加装膜动态测量系统（FDMS）监测PM2.5质量浓度，以校正测量偏差。

其联用方法主要通过两个阶段的测量来实现：

第一阶段，环境空气通过膜动态测量系统进样管的加热干燥后进入仪器，通过一段时间的连续采样后，足够的空气中的颗粒物沉积在微量振荡天平监测仪滤膜上，测定滤膜上颗粒物的重量，从而计算出颗粒物的质量浓度。

第二阶段，通过膜动态测量系统切换阀，环境空气进入膜动态测量系统中的冷凝器，空气中颗粒物包括的挥发性及半挥发性等组分（有机物和酸性成分等）被冷凝并被膜动态测量系统过滤膜截留，通过冷凝器之后的纯净气流再进入微量振荡天平监测仪进行测量。由于此时气样不含颗粒物，因此微量振荡天平监测仪的滤膜不会增重，反而因滤膜上挥发性和半挥发性颗粒物的持续挥发，造成滤膜质量的减轻，减轻的质量即为挥发性和半挥发性颗粒物损失的质量。

假设在第一和第二阶段两次相同时间的测量过程中，微量振荡天平监测仪滤膜上损失的质量相等，将第一阶段测得的颗粒物质量浓度加上第二阶段测得的挥发性和半挥发性颗粒物的损失量，即获得校正后的颗粒物质量浓度。

4.2 β+DHS等效方法

β射线法原理是根据颗粒物对C-14释放的β射线的吸收强度进行分析，颗粒物吸附到滤纸带表面后，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的浓度。

由于环境空气中的水分对膜片和吸附颗粒物均有较大的影响，采样管必须加装动态加热系统（DHS），从而保持受测量气流的湿度相对稳定在合适测量水平。

这一方法基于两个条件：仪器采样滤膜带质地均一及环境空气中PM2.5粒子物理化学特性均一，在现实中均不可能全部成立，难以完全达到理论上的对β射线强度衰减率相同的前提，因此该方法仪器测定数据存在一些方法上的偏差。

另外，仪器也难以完全避免环境空气中的水分对测量的影响，尤其在较高湿度地区和湿度短期变化幅度较大的时候，该方法仪器测定数据也容易出现偏差。

4.3 光散射等效方法

光散射法测量质量浓度是建立在微粒的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会产生散射光，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，得出颗粒物质量浓度。

4.4 β+DHS+光散射等效方法

β射线加动态加热系统联用光散射方法仪器中，在β射线法加动态加热系统部分的基础上，增加了一个光散射方法测量装置，利用较为稳定准确的周期性（通常为30分钟至1个小时）的β射线法测量数据为校准，提供高时间分辨率（分钟量级）的光散射方法测量值。

这一方法仪器的特点与β射线法加装动态加热系统方法仪器基本相同，缺点也相同。

5 结束语

随着工业化进程的不断增加，PM2.5的污染也日趋严重，随着世界各国对PM2.5污染监测和防治的重视，PM2.5监测技术也日趋完善，PM2.5全国监测网络的建立将会使人们对PM2.5的产生、污染现状、二次转化、远距离输送等方面有更明确的认识，从而为PM2.5污染的预报、预警以及防控等决策提供强有力的技术支持。

作者简介：滕世长（1980-），男，汉族，出生于黑龙江省齐齐哈尔市，研究生学历，工程师，环境监测专业领域。