空氣中的PM5檢測技術(shù)

1、空氣中的PM 2.5檢測技術(shù)目前世界上流行的顆粒物自動監(jiān)測美國聯(lián)邦等效方法設(shè)備技術(shù)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。在中國的PM10顆粒物監(jiān)測中大量采用了振蕩天平和 Beta射線技術(shù)的自動監(jiān)測設(shè)備，以這兩項技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的PM2.5顆粒物監(jiān)測儀也已進入中國的環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。一、振蕩天平法振蕩天平技術(shù)是在上世紀 80年代，由美國R&P公司應(yīng)用于環(huán)境顆粒物自動監(jiān)測領(lǐng)域。 在儀器中測量樣品質(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。在工作時空心錐形玻 璃管是處于往復(fù)振蕩的

2、狀態(tài)，它的振蕩頻率會隨著濾膜上收集的顆粒物的質(zhì)量變化發(fā)生 改變，儀器通過準確測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 粒物時采集的樣品體積計算得出樣品的濃度。一臺符合美國環(huán)保署要求，獲得美國聯(lián)邦等效方法號的振蕩天平法PM2.5顆粒物監(jiān)測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動態(tài)測量系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機組成。流量 為每小時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。來自于 PM2.5切割器的PM2.5樣品氣體進入膜動態(tài)測量系統(tǒng) 后首先會經(jīng)過干燥器，在那里樣品的相對濕度降到一定的程度，隨后樣品氣體會根據(jù)系 統(tǒng)切換閥

3、的狀態(tài)流向不同的部件。在測量的第一時段，PM2.5樣品會直接到達微量振蕩傳感器，樣品中的顆粒物被收集在濾膜上，當?shù)谝粫r段結(jié)束時儀器可測得濾膜上的顆粒 物的質(zhì)量，計算出樣品的質(zhì)量濃度；在測量的第二時段，系統(tǒng)切換閥將PM2.5樣品氣樣導(dǎo)入濾膜動態(tài)測量系統(tǒng)的冷凝器，樣品氣體中的顆粒物和有機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入微量振蕩傳感器，由于此時氣 樣中不含顆粒物，因此傳感器上的濾膜不會增重，反而因濾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 段結(jié)束時儀器可測得測量周期內(nèi)揮發(fā)掉的顆粒物的質(zhì)量和濃度。最

4、終儀器用第二時段測 得的數(shù)據(jù)對第一時段測得的數(shù)據(jù)進行補償輸出測量結(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，在進行自動 監(jiān)測過程中需要排除由于顆粒物的吸水性帶來的測量結(jié)果偏高和揮發(fā)性物質(zhì)在分析過程中 丟失造成的測量結(jié)果偏低的問題。配置膜動態(tài)測量系統(tǒng)的振蕩天平法PM2.5顆粒監(jiān)測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)測儀由 PM10采樣頭、PM2.5切割器、樣品動態(tài)加熱系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機組成。符合技術(shù)要求的PM2.5顆粒物樣品氣體在樣品動態(tài)加熱系統(tǒng)中樣品氣體的相對濕度被調(diào)整到35減下，樣品進入儀器主機后顆粒物被收集在可以自動更

5、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射線檢測器。隨著樣品采集的進行，在濾膜上收集的顆粒物越來越多，顆粒物質(zhì)量也隨之增加，此時Beta射線檢測器檢測到的 Beta射線強度會相應(yīng)地減弱。由于 Beta射線檢測器的輸出信號能 直接反應(yīng)顆粒物的質(zhì)量變化，儀器通過分析Beta射線檢測器的信號變化得到一定時段內(nèi)采集的顆粒物質(zhì)量數(shù)值，結(jié)合相同時段內(nèi)采集的樣品的體積，最終報告出采樣時段的顆粒物濃度。根據(jù)2010年美國環(huán)保署公布的美國PM2.5監(jiān)測使用的儀器清單和布點情況，在美國PM2.5監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中約有60%勺振蕩天平法監(jiān)測儀，Beta射線法的儀器也占 30溢 右。3、Beta射線法

6、/ B射線法Beta射線儀則是利用 Beta射線衰減的原理，環(huán)境空氣由采樣泵吸入采樣管，經(jīng)過濾膜后排出，顆粒物沉淀在濾膜上，當B射線通過沉積著顆粒物的濾膜時，Beta射線的能量衰減，通過對衰減量的測定便可計算出顆粒物的濃度。Beta射線法顆粒物監(jiān)測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、樣品動態(tài)加熱系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機組成。流量為1m3/h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)要求的顆粒物樣品氣體。在樣品動態(tài)加熱系統(tǒng)中，樣品氣體的相對濕度被調(diào)整到35%以下，樣品進入儀器主機后顆粒物被收集在可以自動更換的濾膜上。在儀器中濾膜的兩側(cè)分別設(shè)置了 Beta射線源和Beta射

7、線檢測器。隨著樣品采集的進行，在濾膜上收集的顆粒物越來越多，顆粒物質(zhì)量也隨之增加，此時Beta射線檢測器檢測到的 Beta射線強度會相應(yīng)地減弱。由于Beta射線檢測器的輸出信號能直接反應(yīng)顆粒物的質(zhì)量變化，儀器通過分析Beta射線檢測器的顆粒物質(zhì)量數(shù)值，結(jié)合相同時段內(nèi)采集的樣品體積，最終得出采樣時段的顆粒物濃度。配置有膜動態(tài)測量系統(tǒng)后，儀器能準確測量在這個過程中揮發(fā)掉的顆粒物，使最終報告數(shù)據(jù)得到有效補償，理接近于直實值。美國METONE的BAM-1020粒子監(jiān)測器采用了 防j線衰減的原理對粒子進行監(jiān)測。其 已經(jīng)通過了美國環(huán)境保護署(EPA)的認證(EQPM-0798-122 ),而且在英國、韓國

8、和中國自動監(jiān)測和記錄 PM10濃度應(yīng)用領(lǐng)域中，也獲得了相應(yīng)的證書。BAM-1020可以通過裝備PM2.5采樣口來自動監(jiān)測更小的粒子物質(zhì)，而且可以被設(shè)置用來監(jiān)測總懸浮顆粒物（TSP）。測試方法：B射線測試法Beta Attenuation測試原理：粉塵粒子吸收 防j線的量與粉塵粒子的質(zhì)量成正比關(guān)系。根據(jù)粉塵粒子的吸收B射線的多少，計測出粉塵的質(zhì)量濃度（mg/m3）。此原理不受粉塵粒子大小及顏色的影響。直讀、快速測塵儀、操作簡便。利用沖擊原理采樣?？赊D(zhuǎn)動的圓形玻璃沖擊板可采集30個樣品。測量范圍：050mg/m3美國PM2.5的自動監(jiān)測方法：美國環(huán)保署（US EPA從1999年開始建立PM2.5顆

9、粒物濃度監(jiān)測網(wǎng)，采用的方法是美國聯(lián)邦參考方法（FRM （即，美國標準方法），這是一種手工的24小時濾膜采樣實驗室稱重的方法。從 2008年開始，美國環(huán)保署開展了對自動的PM2.5顆粒物監(jiān)測儀認證工作，這些儀器能在無人值守的情況下連續(xù)運行并至少能提供PM2.5顆粒物的小時平均濃度值，經(jīng)過認證的儀器都會獲得美國自動等效方法（EQPM號。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，在進行自動 監(jiān)測過程中需要排除由于顆粒物的吸水性帶來的測量結(jié)果偏高和揮發(fā)性物質(zhì)在分析過程中 丟失造成的測量結(jié)果偏低的問題。經(jīng)過美國環(huán)保署認證的PM2.5顆粒物監(jiān)測儀都有固定的基本配置和工作參數(shù)設(shè)置來

10、最大限度的保證數(shù)據(jù)的準確性。經(jīng)過美國環(huán)保署認可的兩種PM2.5顆粒物監(jiān)測儀所采用的技術(shù)：Beta射線法PM2.5顆粒物監(jiān)測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、樣品動態(tài)加熱系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機組成。流量為每小時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。在樣品動態(tài)加熱系統(tǒng)中樣品氣體的相對濕度被調(diào)整到 35%A下，樣品進入儀器主機后顆粒物被收集在可以自動更換的濾膜上。 在儀器中濾膜的兩側(cè)分別設(shè)置了Beta射線源和Beta射線檢測器。隨著樣品采集的進行，在濾膜上收集的顆粒物越來越多，顆粒物質(zhì)量也隨之增加，此時 Beta射線檢測器檢測到的

11、 Beta射線強度會相應(yīng)地減弱。由于 Beta射線檢測器的輸出信號能直接反應(yīng)顆粒物的質(zhì)量 變化，儀器通過分析 Beta射線檢測器的信號變化得到一定時段內(nèi)采集的顆粒物質(zhì)量數(shù)值， 結(jié)合相同時段內(nèi)采集的樣品的體積，最終報告出采樣時段的顆粒物濃度。微量振蕩天平法PM2.5顆粒物監(jiān)測儀由PM1怵樣頭、PM2.5切割器、濾膜動態(tài)測量系 統(tǒng)、采樣泵和儀器主機組成。流量為每小時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。樣品隨后進入配置有濾膜動態(tài)測量系統(tǒng) （FDM$的微量振蕩天平法監(jiān)測儀主機。在主機中測量樣品質(zhì)量的微量振蕩天 平傳感器主要部件是一支一

12、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。在工作時空心錐形管是處于往復(fù)振蕩的狀態(tài)，它的振蕩頻率會隨著 濾膜上收集的顆粒物的質(zhì)量變化發(fā)生改變，儀器通過準確測量頻率的變化得到采集到的顆 粒物的質(zhì)量，然后根據(jù)收集這些顆粒物時采集的樣品體積計算得出樣品的濃度。配置有膜 動態(tài)測量系統(tǒng)后儀器能準確測量在測量過程中揮發(fā)掉的顆粒物，使最終報告數(shù)據(jù)得到有效 補償，更接近于真實值。它的工作流程是：來自于PM2.5切割器的PM2.5樣品氣樣進入膜動態(tài)測量系統(tǒng)后首先會經(jīng)過干燥器，在那里樣品的相對濕度降到一定的范圍，隨后樣品氣 體會根據(jù)系統(tǒng)切換閥的狀態(tài)流向不同白部件。在測量的第一時段，

13、PM2.5樣品會直接到達微量振蕩傳感器，樣品中的顆粒物被收集在濾膜上，當?shù)谝粫r段結(jié)束時儀器可測得濾膜上 的顆粒物的質(zhì)量，計算出樣品的質(zhì)量濃度；在測量的第二時段，系統(tǒng)切換閥將PM2.5樣品氣樣導(dǎo)入濾膜動態(tài)測量系統(tǒng)的冷凝器，樣品氣體中的顆粒物和有機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入微量振蕩傳感器，由于此時氣 樣中不含顆粒物，因此傳感器上的濾膜不會增重，反而因濾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，在第二時段結(jié) 束時儀器可測在測量周期內(nèi)揮發(fā)掉的顆粒物的質(zhì)量和濃度。最終儀器用第二時段測得的數(shù) 據(jù)對第一時段測

14、得的數(shù)據(jù)進行補償輸出測量結(jié)果。2 PM2.5的測量方法空氣中漂浮著的顆粒物大小不同，PM2.5是其中較細小的那部分。測定PM2.5的濃度一般分為兩步：（1）把PM2.5與較大的顆粒物分離，幾乎所有的測定方法都需要這一步；（2）測定分離出來的PM2.5的重量。目前，各國環(huán)保部門廣泛采用的PM2.5測定方法有三種：重量法、3射線吸收法和微量振蕩天平法。2.1 手工測試方法 重量法屬于手工監(jiān)測方法，主要用于研究，或?qū)ψ詣臃治龇椒ǖ男?。這種方法較簡便，只需要一個PM2.5切割頭、一臺泵和膜架及其濾膜，采集 24小時樣品后，取下濾膜稱重即可，必要時可以平行采集3個樣品，經(jīng)恒溫恒濕后再稱重。國家環(huán)境保護

15、部對于此方法頒布了一系列的標準，包括GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標準，HJ618-2011環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定重量法，HJ194-2005環(huán)境空氣質(zhì)量手工監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，HJ 656-2013環(huán)境空氣顆粒物PM2.5手工監(jiān)測方法重量法技術(shù)規(guī)范。2.2 自動監(jiān)測方法這種監(jiān)測方法監(jiān)測站點無人值守，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)直接獲得，包括 3射線吸收法和微量振蕩 天平法。3射線吸收法的基本原理是利用堆積在石英濾膜上的顆粒物對C14釋放的3射線衰減量的變化檢測大氣顆粒物質(zhì)量的變化。環(huán)境空氣由采樣泵經(jīng)切割器吸入采樣管，經(jīng)過濾膜后排出。顆粒物沉淀在條狀石英濾膜上，當 3射線通過沉積著顆粒物的濾膜時，3

16、射線強度發(fā)生衰減，通過對衰減量的測定計算出顆粒物的濃度。微量振蕩天平（TEOM/又稱微量石英振蕩天平法，該方法是在質(zhì)量傳感器內(nèi)使用一個石英空心錐形管，在空心錐形管 振蕩端上安放可更換的濾膜，振蕩頻率取決于石英錐形管特性和它的質(zhì)量。當采樣氣流通 過濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜質(zhì)量變化導(dǎo)致振蕩頻率變化，通過測量振蕩頻 率的變化計算出沉積在濾膜上顆粒物的質(zhì)量，再根據(jù)采樣流量、采樣現(xiàn)場環(huán)境溫度和氣壓 計算出該時段的顆粒物標態(tài)質(zhì)量濃度。2.3 各種監(jiān)測方法的優(yōu)缺點PM2.5手動監(jiān)測方法又稱標準稱重法（濾膜稱重法）的優(yōu)點是經(jīng)濟成本低，容易實施。缺點：（1）氣流長時間不斷通過采樣濾膜，濾膜上采集到的物質(zhì)隨著氣流和溫度的變化也會造成揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)的損失；（2） 一些極細小的顆粒穿過濾膜，造成結(jié)果偏低；（3）氣態(tài)物質(zhì)可能被濾膜