PM2.5概述及監(jiān)測(cè)技術(shù)

PM2.5概述及監(jiān)測(cè)技術(shù)一.PM2.5概述二.PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)三.部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析四.展望一、PM2.5概述PM2.5中文名細(xì)顆粒物，英文全稱fineparticulatematter?？茖W(xué)家用PM2.5表示每立方米空氣中這種顆粒的含量，其單位為μg·m-3（微克每立方米），這個(gè)值越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。細(xì)顆粒物又稱細(xì)粒、細(xì)顆粒。大氣中粒徑小于或等于2μm（有時(shí)用小于2.5μm，即PM2.5）的顆粒物（準(zhǔn)確的PM2.5定義要在“直徑”之前加一個(gè)修飾語(yǔ)“空氣動(dòng)力學(xué)”）。2012年2月，國(guó)務(wù)院同意發(fā)布新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》增加了細(xì)顆粒物監(jiān)測(cè)指標(biāo)。2013年2月28日，全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)稱PM2.5擬正式命名為“細(xì)顆粒物”?？諝鈩?dòng)力學(xué)等效直徑在氣流中，如果所研究的不規(guī)則形狀粒子與單位密度直徑為Dp球形粒子的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)相同，則定義Dp為所研究粒子的動(dòng)力學(xué)等效直徑。與所研究粒子具有相同最終沉降速率且密度為1g/cm3的球體直徑。反映粒子大小不沉降速率的關(guān)系，可直接表達(dá)出粒子的性質(zhì)和行為。PM2.5與發(fā)絲的比較顆粒物粒徑范圍較廣顆粒物粒徑范圍較廣主要來源主要有人為源和自然源，其中以人為源危害較大。人為源包括固定源和流動(dòng)源。固定源包括各種燃料燃燒源,如冶金、發(fā)電、石油、化學(xué)、紡織印染等各種工業(yè)過程，供熱、烹調(diào)過程中燃煤與燃?xì)饣蛉加团欧诺臒焿m。流動(dòng)源主要是各類交通工具在運(yùn)行過程中使用燃料時(shí)向大氣中排放的尾氣。自然源包括土壤揚(yáng)塵、海鹽、植物花粉、孢子、細(xì)菌等。自然界中的災(zāi)害事件，如火山爆發(fā)向大氣中排放了大量的火山灰，森林大火或裸露的煤原大火及塵暴事件都會(huì)將大量細(xì)顆粒物輸送到大氣層中。重點(diǎn)污染源流動(dòng)源（機(jī)動(dòng)車）面源（建筑揚(yáng)塵、秸稈焚燒等民用，商業(yè)，天然源）固定源（冶金、發(fā)電、石油、化學(xué)、紡織印染）二氧化硫氮氧化物氨氣揮發(fā)性有機(jī)物直接排放來源水溶性粒子有機(jī)碳/元素碳元素化學(xué)組成PM2.5細(xì)顆粒物主要組成成分PM2.5的主要成分有碳、有機(jī)碳化合物、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽。其他的常見成分包括各種金屬元素，既有鈉、鎂、鈣、鋁、鐵等地殼中含量豐富的元素，也有鉛、鋅、砷、鎘、銅等源自人類污染的重金屬元素。物理化學(xué)性質(zhì)物理特性：*動(dòng)力學(xué)性質(zhì)*光學(xué)特性：散射、吸收*吸濕性*電學(xué)性質(zhì)化學(xué)特性：*無機(jī)組成：離子元素EC*有機(jī)組成：OCWSOC有機(jī)顆粒物分子組成化學(xué)光學(xué)粒徑動(dòng)力學(xué)電學(xué)吸濕性對(duì)人類健康危害一般認(rèn)為，粒徑在10μm以上的顆粒物，會(huì)被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5～10μm之間的顆粒物，能夠進(jìn)入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會(huì)被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對(duì)人體健康危害相對(duì)較??；而粒徑在2.5μm以下的細(xì)顆粒物即PM2.5，被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間為1000小時(shí)左右、傳輸距離可達(dá)上千公里，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。因此，大氣顆粒物對(duì)人體的危害程度主要取決于其成分、濃度和粒徑。不同的標(biāo)準(zhǔn)世界衛(wèi)生組織對(duì)PM2.5的標(biāo)準(zhǔn)每立方米PM2.5小于十微克為安全值中國(guó)對(duì)PM2.5的標(biāo)準(zhǔn)每立方米PM2.5小于75微克為安全值關(guān)于實(shí)施《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》

（GB3095-2012）的通知2012年2013年2015年2016年京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等重點(diǎn)區(qū)域以及直轄市和省會(huì)城市113個(gè)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市和國(guó)家環(huán)保模范城市所有地級(jí)以上城市全國(guó)實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)污染級(jí)別國(guó)內(nèi)的環(huán)境衛(wèi)生專家潘小川教授曾研究了大氣中PM2.5濃度與心血管急診人數(shù)的關(guān)系，在2004年至2006年期間，北京大學(xué)第三醫(yī)院總共接待了8377名實(shí)例心血管病急診患者（見表1中的急診人數(shù)，以及空氣污染數(shù)據(jù)及天氣情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。表1中可見，這一時(shí)間段的平均SO2和NO2濃度均低于國(guó)家“良”級(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限定的最高值（60μg/m3和80μg/m3），而PM2.5平均濃度為121.58μg/m3，遠(yuǎn)高于世衛(wèi)組織認(rèn)定的安全值（10μg/m3）。此外，從表1中還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)的PM2.5日均濃度增加時(shí)，在距觀測(cè)點(diǎn)約4公里以外的北京大學(xué)第三醫(yī)院，心血管病急診患者數(shù)量也相應(yīng)增加。雖然PM10和PM2.5都是心血管病發(fā)病的危險(xiǎn)因素，但PM2.5的影響顯然更大。在PM2.5污染值最高的一天，心血管病急診患者數(shù)量達(dá)到了最高的26人。2013年，研究表明PM2.5主要對(duì)呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成傷害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困難、降低肺功能、加重哮喘、導(dǎo)致慢性支氣管炎、心律失常、非致命性的心臟病、心肺病患者的過早死。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。如果空氣中PM2.5的濃度長(zhǎng)期高于10微克/立方米，死亡風(fēng)險(xiǎn)就開始上升。濃度每增加10微克/立方米，總的死亡風(fēng)險(xiǎn)就上升4%，得心肺疾病的死亡風(fēng)險(xiǎn)上升6%，得肺癌的死亡風(fēng)險(xiǎn)上升8%。二.PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)目前幾種主流PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)PM2.5測(cè)量方法手工法自動(dòng)法重量法微量振蕩天平法β射線法重量法C=(m-m0)/VC:顆粒物質(zhì)量濃度，mg/m3m：采樣后濾膜重量，mgm0：采樣前濾膜重量，mgV：采樣體積，m3采樣前采樣后測(cè)試設(shè)備：PM2.5等效方法設(shè)備種類基本特點(diǎn)：β+DHS等效方法原理Β射線原理是根據(jù)顆粒物對(duì)C-14釋放的β射線的吸收強(qiáng)度進(jìn)行分析，顆粒物吸附在濾紙帶表面后，蓋革管（閃爍體）計(jì)數(shù)器通過測(cè)量采樣前β射線強(qiáng)度變化來計(jì)算吸附顆粒物的濃度。由于空氣中水分對(duì)膜片和吸附顆粒物均有較大的影響，采樣管必須加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，能夠保持受測(cè)量氣流的濕度相對(duì)穩(wěn)定在合適測(cè)量水平。因此，β射線法必須加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度，以最大限度減少對(duì)顆粒物監(jiān)測(cè)的影響?；咎攸c(diǎn)：β+DHS等效方法原理基本特點(diǎn)：β+DHS等效方法原理β射線法原理基礎(chǔ)方法的顆粒物濃度計(jì)算：m=f×㏑（R0/R)f=S/(u/ρ）m為顆粒物濃度（μ/m3），R為采樣后顆粒物過濾器的β射線強(qiáng)度（計(jì)數(shù)值），R0為采樣前顆粒物過濾器的β射線強(qiáng)度（計(jì)數(shù)值），f為轉(zhuǎn)換系數(shù)（μ/m3），f與顆粒物過濾器的采樣截面積以及測(cè)量裝置的衰變系數(shù)相關(guān)?；咎攸c(diǎn)：β+DHS等效方法原理這種方法基于兩個(gè)假設(shè)：儀器采樣濾膜帶質(zhì)地均一和環(huán)境空氣中PM2.5粒子物理化學(xué)特性均一，在現(xiàn)實(shí)中均不可能全部成立，難以完全達(dá)到理論上的對(duì)β射線強(qiáng)度衰減率相同的前提，因此該方法儀器測(cè)定數(shù)據(jù)存在一些方法學(xué)偏差。另外，儀器也難以完全避免環(huán)境空氣中的水分對(duì)測(cè)量的影響，尤其在較高濕度地區(qū)和濕度短期變化幅度較大的時(shí)候，該方法儀器測(cè)定數(shù)據(jù)也容易出現(xiàn)偏差。這種方法儀器對(duì)采樣濾膜帶有較高的要求，在潮濕高溫區(qū)域故障率也較高?；咎攸c(diǎn)：TEOM+FDMS等效方法原理微量振蕩天平方法是基于石英振蕩桿上的膜片負(fù)重改變而導(dǎo)致振蕩頻率變化的原理來測(cè)量顆粒物的質(zhì)量濃度。由于空氣中水分對(duì)膜片稱重有較大的影響，所以采樣管系統(tǒng)必須加熱以維持一個(gè)較為穩(wěn)定的稱重濕度環(huán)境，這樣會(huì)造成受測(cè)量空氣中揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物的損失，因此，微量振蕩天平方法必須加裝膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度，以校正測(cè)量偏差?；咎攸c(diǎn)：TEOM+FDMS等效方法原理基本特點(diǎn)：TEOM+FDMS等效方法原理其聯(lián)用方法簡(jiǎn)要通過兩個(gè)階段的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)。第一階段，環(huán)境空氣通過膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)樣管的加熱干燥后進(jìn)入監(jiān)測(cè)儀，通過設(shè)定一段時(shí)間的連續(xù)采樣后，足夠的空氣中顆粒物沉積在微量振蕩天平監(jiān)測(cè)儀濾膜上，測(cè)定濾膜上的顆粒物重量，計(jì)算出顆粒物的質(zhì)量濃度。第二階段，通過膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的切換閥，環(huán)境空氣進(jìn)入膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的冷凝器，空氣中的顆粒物包括揮發(fā)性和半揮發(fā)性等組分（有機(jī)物和酸性成分等）被冷凝并被膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)過濾膜截留，通過冷凝器之后的純凈氣流再進(jìn)入微量振蕩天平的監(jiān)測(cè)儀測(cè)量。由于此時(shí)氣樣不含顆粒物，因此微量振蕩天平的監(jiān)測(cè)儀濾膜不會(huì)增重，反而因?yàn)V膜上半揮發(fā)性顆粒物的持續(xù)揮發(fā)，而造成濾膜質(zhì)量減輕，減輕的質(zhì)量即為揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物損失的質(zhì)量。假設(shè)在第一和第二階段兩次相同時(shí)間的測(cè)量過程中，微量振蕩天平的監(jiān)測(cè)儀濾膜上損失的質(zhì)量相等，將第一階段測(cè)得的顆粒物質(zhì)量濃度加上第二階段測(cè)得的揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物的損失量，即獲得校正后的顆粒物質(zhì)量濃度。基本特點(diǎn)：TEOM+FDMS等效方法原理膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是滲透膜標(biāo)準(zhǔn)件，這個(gè)部件的功能是提供冷凝并將采樣空氣中的水分通過滲透膜分離出去。由于國(guó)內(nèi)很多城市細(xì)粒子濃度較高，較多的細(xì)粒子容易導(dǎo)致滲透膜標(biāo)準(zhǔn)件的透水膜微孔較快被細(xì)粒子堵塞，從而使其使用壽命加快降低，約2～3個(gè)月需更換一次。同樣，在高濕度的地區(qū)，由于冷凝水汽分離工作負(fù)載量大，滲透膜標(biāo)準(zhǔn)件的滲透膜的工作效率和壽命也會(huì)加快降低，約3個(gè)月或更短時(shí)間需更換一次。基本特點(diǎn)：β+DHS+光散射等效方法原理這一方法儀器的特點(diǎn)與β射線法加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)方法儀器基本相同。缺點(diǎn)也相同。但由于光散射方法的使用，這類儀器的數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率得到很大的提高，可以獲得更高分鐘水平的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該類型儀器精確度水平處在微量振蕩天平加膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)儀器與β射線法加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)儀器之間，檢出限和精度理論上均接近微量振蕩天平加膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)方法儀器。基本特點(diǎn)：光散射等效方法原理光散射法測(cè)量質(zhì)量濃度的原理是建立在微粒的Mie散射理論基礎(chǔ)上的。當(dāng)光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時(shí)，產(chǎn)生散射光。在顆粒物性質(zhì)一定的條件下，顆粒物的散射光強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成正比。通過測(cè)量散射光強(qiáng)度，應(yīng)用轉(zhuǎn)換系數(shù)，求得顆粒物質(zhì)量濃度。光通過顆粒物質(zhì)時(shí)，對(duì)于數(shù)量級(jí)與使用光波長(zhǎng)相等或較大的顆粒，光散射是光能衰減的主要形式?；咎攸c(diǎn)：光散射等效方法原理美國(guó)PM2.5監(jiān)測(cè)：儀器類型使用情況1000個(gè)點(diǎn)位，247套通過EPA認(rèn)證自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，β方法201套，TEOM+FDMS方法46套。