PM2.5檢測(cè)技術(shù)詳解

 PM2.5的監(jiān)測(cè)日益受到政府，公眾和媒體的重視。目前大家對(duì)它的來(lái)源，危害都有了一定的了解。隨著網(wǎng)友對(duì)PM2.5從一無(wú)所知到逐步了解，大家希望更進(jìn)一步了解PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法的愿望也越強(qiáng)烈。我們收到了一些網(wǎng)友和客戶的反饋，希望我們對(duì)PM2.5的監(jiān)測(cè)技術(shù)做更深入的介紹，我們搜集了一些時(shí)下提出最多的問題，將我們的資料和相關(guān)知識(shí)與大家分享。

問：目前世界上流行的顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)美國(guó)聯(lián)邦等效方法設(shè)備技術(shù)有哪些?

答： 主要以：振蕩天平技術(shù)、Beta射線技術(shù)、Beta射線光濁度技術(shù)和光散射技術(shù)為主。在中國(guó)的PM10顆粒物監(jiān)測(cè)中大量采用了振蕩天平和Beta射線技術(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，以這兩項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀也已進(jìn)入中國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

振蕩天平法

振蕩天平技術(shù)是在上世紀(jì)80年代，由美國(guó)R&P公司應(yīng)用于環(huán)境顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。在儀器中測(cè)量樣品質(zhì)量的微量振蕩天平傳感器主要部件是一支一端固定另一端裝有濾膜的空心錐形玻璃管，樣品氣流通過濾膜，顆粒物被收集在濾膜上。在工作時(shí)空心錐形玻璃管是處于往復(fù)振蕩的狀態(tài)，它的振蕩頻率會(huì)隨著濾膜上收集的顆粒物的質(zhì)量變化發(fā)生改變，儀器通過準(zhǔn)確測(cè)量頻率的變化得到采集到的顆粒物的質(zhì)量，然后根據(jù)收集這些顆粒物時(shí)采集的樣品體積計(jì)算得出樣品的濃度。

一臺(tái)符合美國(guó)環(huán)保署要求，獲得美國(guó)聯(lián)邦等效方法號(hào)的振蕩天平法PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機(jī)組成。流量為每小時(shí)1立方米的環(huán)境空氣樣品經(jīng)過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術(shù)要求的PM2.5顆粒物樣品氣體。來(lái)自于PM2.5切割器的PM2.5樣品氣體進(jìn)入膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)后首先會(huì)經(jīng)過干燥器，在那里樣品的相對(duì)濕度降到一定的程度，隨后樣品氣體會(huì)根據(jù)系統(tǒng)切換閥的狀態(tài)流向不同的部件。在測(cè)量的第一時(shí)段，PM2.5樣品會(huì)直接到達(dá)微量振蕩傳感器，樣品中的顆粒物被收集在濾膜上，當(dāng)?shù)谝粫r(shí)段結(jié)束時(shí)儀器可測(cè)得濾膜上的顆粒物的質(zhì)量，計(jì)算出樣品的質(zhì)量濃度;在測(cè)量的第二時(shí)段，系統(tǒng)切換閥將PM2.5樣品氣樣導(dǎo)入濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的冷凝器，樣品氣體中的顆粒物和有機(jī)物等組分被冷凝并被安裝在那里的過濾器截留，通過冷凝器之后的純凈氣體再進(jìn)入微量振蕩傳感器，由于此時(shí)氣樣中不含顆粒物，因此傳感器上的濾膜不會(huì)增重，反而因?yàn)V膜上的已收集顆粒物中的揮發(fā)性或半揮發(fā)性顆粒物的持續(xù)揮發(fā)，而造成濾膜上已收集顆粒物的質(zhì)量減少，在第二時(shí)段結(jié)束時(shí)儀器可測(cè)得測(cè)量周期內(nèi)揮發(fā)掉的顆粒物的質(zhì)量和濃度。最終儀器用第二時(shí)段測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)第一時(shí)段測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償輸出測(cè)量結(jié)果。

由于PM2.5顆粒物由多種物質(zhì)組成，并以不同的形態(tài)存在于環(huán)境空氣中，在進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)過程中需要排除由于顆粒物的吸水性帶來(lái)的測(cè)量結(jié)果偏高和揮發(fā)性物質(zhì)在分析過程中丟失造成的測(cè)量結(jié)果偏低的問題。配置膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的振蕩天平法PM2.5顆粒監(jiān)測(cè)儀最大限度地解決了這些問題。

Beta射線法

Beta射線法PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、樣品動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機(jī)組成。符合技術(shù)要求的PM2.5顆粒物樣品氣體在樣品動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)中樣品氣體的相對(duì)濕度被調(diào)整到35%以下，樣品進(jìn)入儀器主機(jī)后顆粒物被收集在可以自動(dòng)更換的濾膜上。在儀器中濾膜的兩側(cè)分別設(shè)置了Beta射線源和Beta射線檢測(cè)器。隨著樣品采集的進(jìn)行，在濾膜上收集的顆粒物越來(lái)越多，顆粒物質(zhì)量也隨之增加，此時(shí)Beta射線檢測(cè)器檢測(cè)到的Beta射線強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減弱。由于Beta射線檢測(cè)器的輸出信號(hào)能直接反應(yīng)顆粒物的質(zhì)量變化，儀器通過分析Beta射線檢測(cè)器的信號(hào)變化得到一定時(shí)段內(nèi)采集的顆粒物質(zhì)量數(shù)值，結(jié)合相同時(shí)段內(nèi)采集的樣品的體積，最終報(bào)告出采樣時(shí)段的顆粒物濃度。 根據(jù)2010年美國(guó)環(huán)保署公布的美國(guó)PM2.5監(jiān)測(cè)使用的儀器清單和布點(diǎn)情況，在美國(guó)PM2.5監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中約有60%的振蕩天平法監(jiān)測(cè)儀，Beta射線法的儀器也占30%左右。

問： 關(guān)于PM2.5的監(jiān)測(cè)技術(shù)，是否國(guó)外做過比較，各自的特點(diǎn)是什么呢?

答：多年來(lái)，美國(guó)環(huán)保署不斷對(duì)顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)和建議改進(jìn)，積累了大量的測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。，振蕩天平與膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)用技術(shù)與經(jīng)典重量法數(shù)據(jù)的相關(guān)性最佳，在94%到99%之間。而Beta射線技術(shù)相關(guān)性在77%到90%之間。因此，振蕩天平技術(shù)成為目前世界各國(guó)正在使用的，顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)的主流技術(shù)。美國(guó)環(huán)保署多年來(lái)始終在關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)位上，使用振蕩天平與膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)用技術(shù)。在美國(guó)PM2.5監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中約有60%的振蕩天平法監(jiān)測(cè)儀。

美國(guó)2010年P(guān)M2.5監(jiān)測(cè)使用的儀器清單和布點(diǎn)

振蕩天平技術(shù)顆粒物監(jiān)測(cè)儀作為美國(guó)環(huán)保局認(rèn)可的PM10聯(lián)邦等效方法設(shè)備，和振蕩天平及膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)用的顆粒物監(jiān)測(cè)儀作為美國(guó)環(huán)保局認(rèn)可的PM2.5聯(lián)邦等效方法設(shè)備，為中國(guó)及全世界眾多國(guó)家提供精確、有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在中國(guó)、美國(guó)和歐洲眾多監(jiān)測(cè)相關(guān)機(jī)構(gòu)所進(jìn)行的測(cè)試中，上述技術(shù)的數(shù)據(jù)與經(jīng)典重量法之間數(shù)據(jù)更加吻合。由此，多年來(lái)我國(guó)所積累的節(jié)能減排和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性、精確性是毋庸置疑的。 自振蕩天平技術(shù)和膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)推出至今，我國(guó)環(huán)境保護(hù)相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者始終對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行深入的研究與論證，并了解國(guó)際相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的新動(dòng)態(tài)。經(jīng)過我國(guó)眾多環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)對(duì)顆粒物監(jiān)測(cè)的深入研究和論證，使用振蕩天平技術(shù)監(jiān)測(cè)可吸入顆粒物PM10，和使用振蕩天平及膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)用技術(shù)測(cè)定細(xì)粒子顆粒物PM2.5得到廣泛認(rèn)同，并且這些成熟的技術(shù)也正在應(yīng)用于日常的環(huán)境監(jiān)測(cè)之中。

問：這些數(shù)據(jù)研究數(shù)據(jù)是怎么得到的?是否可以介紹幾篇相應(yīng)的第三方材料給大家參考?

答：我們的數(shù)據(jù)多來(lái)自美國(guó)環(huán)保局和第三方的公告，大家如果有興趣可以自己到美國(guó)環(huán)保局網(wǎng)站上查閱。這里僅僅列舉了幾篇報(bào)告供大家參考。

1) 來(lái)自于美國(guó)Hamilton County Department of Environmental Services， Cincinnati， Ohio的報(bào)告。報(bào)告的內(nèi)容是有關(guān)在2007年3月到7月開展的對(duì)當(dāng)時(shí)的PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是聯(lián)邦參考方法儀器Thermo Andersen RAAS PM2.5 FRM，自動(dòng)儀器是Thermo Sharp 5030 v1.4、Thermo TEOM with FDMS 1400 AB和Met One BAM 1020 v2.55。結(jié)論是TEOM和SHARP有較好的一致性，BAM 1020在這次測(cè)試中數(shù)據(jù)偏高。

2) 來(lái)自于美國(guó)NYS Department of Environmental Conservation的在2010年7月的NACAA Monitoring Steering Committee Meeting中的報(bào)告。 報(bào)告的內(nèi)容是有關(guān)在2010年1月到6月開展的對(duì)Thermo 5014i、Metone BAM 1020、Thermo 1405DF 和Thermo 1400+8500的現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試。報(bào)告顯示Thermo產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)稱重方法的偏差最小。

3) 來(lái)自于英國(guó)Environmental Consultant的2006的報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容是對(duì)7款PM10采樣器或自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀(Thermo Partisol 2025、Thermo TEOM、Thermo PM10 FDMS、Opsis SM200 by Beta、Opsis SM200 By Mass、Metone BAM1020)和1款PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。報(bào)告顯示Thermo TEOM帶FDMS數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，無(wú)需修正;Met One BAM1020數(shù)據(jù)偏高，需要向下修正。

問：測(cè)量PM10的儀器是否經(jīng)過簡(jiǎn)單調(diào)整就可以測(cè)量PM2.5呢?

答：由于細(xì)粒子顆粒物PM2.5的組成與機(jī)理的特殊性，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)監(jiān)測(cè)的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)PM10，因此只有幾個(gè)廠商的幾個(gè)型號(hào)的設(shè)備通過了美國(guó)環(huán)保局的認(rèn)證。在2011年美國(guó)環(huán)保局所公布的最新聯(lián)邦參比方法及等效方法設(shè)備列表中，特別標(biāo)明了每種型號(hào)的設(shè)備在何種配置情況下可以進(jìn)行PM10監(jiān)測(cè)，增加哪些必要部件，才可以進(jìn)行PM2.5監(jiān)測(cè)。在標(biāo)明振蕩天平技術(shù)需要增加膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)用的同時(shí)，也規(guī)定了Beta射線技術(shù)顆粒物監(jiān)測(cè)儀，如進(jìn)行PM2.5監(jiān)測(cè)必須使用VSCC切割器和使用動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，才能稱之為聯(lián)邦等效方法設(shè)備。美國(guó)環(huán)保局2011年聯(lián)邦參比及等效方法清單可在http://www.epa.gov/ttn/amtic/criteria.html中查找到。

問：振蕩天平法監(jiān)測(cè)技術(shù)是否只有國(guó)外廠商掌握，中國(guó)目前是否已經(jīng)掌握了該技術(shù)?

答：不是，多家國(guó)內(nèi)廠商，都吸收和引進(jìn)這一先進(jìn)精確技術(shù)，研發(fā)生產(chǎn)出自己的振蕩天平設(shè)備，已經(jīng)向中國(guó)用戶進(jìn)行推廣和銷售。

問：能否詳細(xì)介紹一下美國(guó)PM2.5的自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法?

答：美國(guó)環(huán)保署(US EPA)從1999年開始建立PM2.5顆粒物濃度監(jiān)測(cè)網(wǎng)，采用的方法是美國(guó)聯(lián)邦參考方法(FRM)(即，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)方法)，這是一種手工的24小時(shí)濾膜采樣實(shí)驗(yàn)室稱重的方法。從2008年開始，美國(guó)環(huán)保署開展了對(duì)自動(dòng)的PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀認(rèn)證工作，這些儀器能在無(wú)人值守的情

況下連續(xù)運(yùn)行并至少能提供PM2.5顆粒物的小時(shí)平均濃度值，經(jīng)過認(rèn)證的儀器都會(huì)獲得美國(guó)自動(dòng)等效方法(EQPM)號(hào)。

由于PM2.5顆粒物由多種物質(zhì)組成，并以不同的形態(tài)存在于環(huán)境空氣中，在進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)過程中需要排除由于顆粒物的吸水性帶來(lái)的測(cè)量結(jié)果偏高和揮發(fā)性物質(zhì)在分析過程中丟失造成的測(cè)量結(jié)果偏低的問題。經(jīng)過美國(guó)環(huán)保署認(rèn)證的PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀都有固定的基本配置和工作參數(shù)設(shè)置來(lái)最大限度的保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

下面介紹一下經(jīng)過美國(guó)環(huán)保署認(rèn)可的兩種PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀所采用的技術(shù)：

Beta射線法PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、樣品動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機(jī)組成。流量為每小時(shí)1立方米的環(huán)境空氣樣品經(jīng)過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術(shù)要求的PM2.5顆粒物樣品氣體。在樣品動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)中樣品氣體的相對(duì)濕度被調(diào)整到35%以下，樣品進(jìn)入儀器主機(jī)后顆粒物被收集在可以自動(dòng)更換的濾膜上。在儀器中濾膜的兩側(cè)分別設(shè)置了Beta射線源和Beta射線檢測(cè)器。隨著樣品采集的進(jìn)行，在濾膜上收集的顆粒物越來(lái)越多，顆粒物質(zhì)量也隨之增加，此時(shí)Beta射線檢測(cè)器檢測(cè)到的Beta射線強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減弱。由于Beta射線檢測(cè)器的輸出信號(hào)能直接反應(yīng)顆粒物的質(zhì)量變化，儀器通過分析Beta射線檢測(cè)器的信號(hào)變化得到一定時(shí)段內(nèi)采集的顆粒物質(zhì)量數(shù)值，結(jié)合相同時(shí)段內(nèi)采集的樣品的體積，最終報(bào)告出采樣時(shí)段的顆粒物濃度。

微量振蕩天平法PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機(jī)組成。流量為每小時(shí)1立方米的環(huán)境空氣樣品經(jīng)過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術(shù)要求的PM2.5顆粒物樣品氣體。樣品隨后進(jìn)入配置有濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng) (FDMS)的微量振蕩天平法監(jiān)測(cè)儀主機(jī)。在主機(jī)中測(cè)量樣品質(zhì)量的微量振蕩天平傳感器主要部件是一支一端固定另一端裝有濾膜的空心錐形管，樣品氣流通過濾膜，顆粒物被收集在濾膜上。在工作時(shí)空心錐形管是處于往復(fù)振蕩的狀態(tài)，它的振蕩頻率會(huì)隨著濾膜上收集的顆粒物的質(zhì)量變化發(fā)生改變，儀器通過準(zhǔn)確測(cè)量頻率的變化得到采集到的顆粒物的質(zhì)量，然后根據(jù)收集這些顆粒物時(shí)采集的樣品體積計(jì)算得出樣品的濃度。配置有膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)后儀器能準(zhǔn)確測(cè)量在測(cè)量過程中揮發(fā)掉的顆粒物，使最終報(bào)告數(shù)據(jù)得到有效補(bǔ)償，更接近于真實(shí)值。它的工作流程是：來(lái)自于PM2.5切割器的PM2.5樣品氣樣進(jìn)入膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)后首先會(huì)經(jīng)過干燥器，在那里樣品的相對(duì)濕度降到一定的范圍，隨后樣品氣體會(huì)根據(jù)系統(tǒng)切換閥的狀態(tài)流向不同的部件。在測(cè)量的第一時(shí)段，PM2.5樣品會(huì)直接到達(dá)微量振蕩傳感器，樣品中的顆粒物被收集在濾膜上，當(dāng)?shù)谝粫r(shí)段結(jié)束時(shí)儀器可測(cè)得濾膜上的顆粒物的質(zhì)量，計(jì)算出樣品的質(zhì)量濃度;在測(cè)量的第二時(shí)段，系統(tǒng)切換閥將PM2.5樣品氣樣導(dǎo)入濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的冷凝器，樣品氣體中的顆粒物和有機(jī)物等組分被冷凝并被安裝在那里的過濾器截留，通過冷凝器之后的純凈氣體再進(jìn)入微量振蕩傳感器，由于此時(shí)氣樣中不含顆粒物，因此傳感器上的濾膜不會(huì)增重，反而因?yàn)V膜上的已收集顆粒物中的揮發(fā)性或半揮發(fā)性顆粒物的持續(xù)揮發(fā)，而造成濾膜上已收集顆粒物的質(zhì)量減少，在第二時(shí)段結(jié)束時(shí)儀器可測(cè)在測(cè)量周期內(nèi)揮發(fā)掉的顆粒物的質(zhì)量和濃度。最終儀器用第二時(shí)段測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)第一時(shí)段測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償輸出測(cè)量結(jié)果。