PM2.5概述及监测技术

PM2.5概述及监测技术一.PM2.5概述二.PM2.5监测技术三.部分监测数据与分析四.展望一、PM2.5概述PM2.5中文名细颗粒物，英文全称fineparticulatematter。科学家用PM2.5表示每立方米空气中这种颗粒的含量，其单位为µg·m-3（微克每立方米），这个值越高，就代表空气污染越严重。细颗粒物又称细粒、细颗粒。大气中粒径小于或等于2μm（有时用小于2.5μm，即PM2.5）的颗粒物（准确的PM2.5定义要在“直径”之前加一个修饰语“空气动力学”）。2012年2月，国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》增加了细颗粒物监测指标。2013年2月28日，全国科学技术名词审定委员会称PM2.5拟正式命名为“细颗粒物”。空气动力学等效直径在气流中，如果所研究的不规则形状粒子与单位密度直径为Dp球形粒子的空气动力学效应相同，则定义Dp为所研究粒子的动力学等效直径。与所研究粒子具有相同最终沉降速率且密度为1g/cm3的球体直径。反映粒子大小不沉降速率的关系，可直接表达出粒子的性质和行为。PM2.5与发丝的比较颗粒物粒径范围较广颗粒物粒径范围较广主要来源主要有人为源和自然源，其中以人为源危害较大。人为源包括固定源和流动源。固定源包括各种燃料燃烧源,如冶金、发电、石油、化学、纺织印染等各种工业过程，供热、烹调过程中燃煤与燃气或燃油排放的烟尘。流动源主要是各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的尾气。自然源包括土壤扬尘、海盐、植物花粉、孢子、细菌等。自然界中的灾害事件，如火山爆发向大气中排放了大量的火山灰，森林大火或裸露的煤原大火及尘暴事件都会将大量细颗粒物输送到大气层中。重点污染源流动源（机动车）面源（建筑扬尘、秸秆焚烧等民用，商业，天然源）固定源（冶金、发电、石油、化学、纺织印染）二氧化硫氮氧化物氨气挥发性有机物直接排放来源水溶性粒子有机碳/元素碳元素化学组成PM2.5细颗粒物主要组成成分PM2.5的主要成分有碳、有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐。其他的常见成分包括各种金属元素，既有钠、镁、钙、铝、铁等地壳中含量丰富的元素，也有铅、锌、砷、镉、铜等源自人类污染的重金属元素。物理化学性质物理特性：*动力学性质*光学特性：散射、吸收*吸湿性*电学性质化学特性：*无机组成：离子元素EC*有机组成：OCWSOC有机颗粒物分子组成化学光学粒径动力学电学吸湿性对人类健康危害一般认为，粒径在10μm以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5～10μm之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5μm以下的细颗粒物即PM2.5，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间为1000小时左右、传输距离可达上千公里，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。因此，大气颗粒物对人体的危害程度主要取决于其成分、浓度和粒径。不同的标准世界卫生组织对PM2.5的标准每立方米PM2.5小于十微克为安全值中国对PM2.5的标准每立方米PM2.5小于75微克为安全值关于实施《环境空气质量标准》

（GB3095-2012）的通知2012年2013年2015年2016年京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市113个环境保护重点城市和国家环保模范城市所有地级以上城市全国实施新标准污染级别国内的环境卫生专家潘小川教授曾研究了大气中PM2.5浓度与心血管急诊人数的关系，在2004年至2006年期间，北京大学第三医院总共接待了8377名实例心血管病急诊患者（见表1中的急诊人数，以及空气污染数据及天气情况的统计数据）。表1中可见，这一时间段的平均SO2和NO2浓度均低于国家“良”级空气质量标准限定的最高值（60μg/m3和80μg/m3），而PM2.5平均浓度为121.58μg/m3，远高于世卫组织认定的安全值（10μg/m3）。此外，从表1中还可发现，当观测点的PM2.5日均浓度增加时，在距观测点约4公里以外的北京大学第三医院，心血管病急诊患者数量也相应增加。虽然PM10和PM2.5都是心血管病发病的危险因素，但PM2.5的影响显然更大。在PM2.5污染值最高的一天，心血管病急诊患者数量达到了最高的26人。2013年，研究表明PM2.5主要对呼吸系统和心血管系统造成伤害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困难、降低肺功能、加重哮喘、导致慢性支气管炎、心律失常、非致命性的心脏病、心肺病患者的过早死。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。如果空气中PM2.5的浓度长期高于10微克/立方米，死亡风险就开始上升。浓度每增加10微克/立方米，总的死亡风险就上升4%，得心肺疾病的死亡风险上升6%，得肺癌的死亡风险上升8%。二.PM2.5监测技术目前几种主流PM2.5监测技术的基本原理和特点PM2.5测量方法手工法自动法重量法微量振荡天平法β射线法重量法C=(m-m0)/VC:颗粒物质量浓度，mg/m3m：采样后滤膜重量，mgm0：采样前滤膜重量，mgV：采样体积，m3采样前采样后测试设备：PM2.5等效方法设备种类基本特点：β+DHS等效方法原理Β射线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，颗粒物吸附在滤纸带表面后，盖革管（闪烁体）计数器通过测量采样前β射线强度变化来计算吸附颗粒物的浓度。由于空气中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，能够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。基本特点：β+DHS等效方法原理基本特点：β+DHS等效方法原理β射线法原理基础方法的颗粒物浓度计算：m=f×㏑（R0/R)f=S/(u/ρ）m为颗粒物浓度（μ/m3），R为采样后颗粒物过滤器的β射线强度（计数值），R0为采样前颗粒物过滤器的β射线强度（计数值），f为转换系数（μ/m3），f与颗粒物过滤器的采样截面积以及测量装置的衰变系数相关。基本特点：β+DHS等效方法原理这种方法基于两个假设：仪器采样滤膜带质地均一和环境空气中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学偏差。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。这种方法仪器对采样滤膜带有较高的要求，在潮湿高温区域故障率也较高。基本特点：TEOM+FDMS等效方法原理微量振荡天平方法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和半挥发性颗粒物的损失，因此，微量振荡天平方法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。基本特点：TEOM+FDMS等效方法原理基本特点：TEOM+FDMS等效方法原理其联用方法简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的进样管的加热干燥后进入监测仪，通过设定一段时间的连续采样后，足够的空气中颗粒物沉积在微量振荡天平监测仪滤膜上，测定滤膜上的颗粒物重量，计算出颗粒物的质量浓度。第二阶段，通过膜动态测量系统的切换阀，环境空气进入膜动态测量系统中的冷凝器，空气中的颗粒物包括挥发性和半挥发性等组分（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的监测仪测量。由于此时气样不含颗粒物，因此微量振荡天平的监测仪滤膜不会增重，反而因滤膜上半挥发性颗粒物的持续挥发，而造成滤膜质量减轻，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，微量振荡天平的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。基本特点：TEOM+FDMS等效方法原理膜动态测量系统的关键部件是渗透膜标准件，这个部件的功能是提供冷凝并将采样空气中的水分通过渗透膜分离出去。由于国内很多城市细粒子浓度较高，较多的细粒子容易导致渗透膜标准件的透水膜微孔较快被细粒子堵塞，从而使其使用寿命加快降低，约2～3个月需更换一次。同样，在高湿度的地区，由于冷凝水汽分离工作负载量大，渗透膜标准件的渗透膜的工作效率和寿命也会加快降低，约3个月或更短时间需更换一次。基本特点：β+DHS+光散射等效方法原理这一方法仪器的特点与β射线法加动态加热系统方法仪器基本相同。缺点也相同。但由于光散射方法的使用，这类仪器的数据时间分辨率得到很大的提高，可以获得更高分钟水平的监测数据。该类型仪器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。基本特点：光散射等效方法原理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。基本特点：光散射等效方法原理美国PM2.5监测：仪器类型使用情况1000个点位，247套通过EPA认证自动监测仪，β方法201套，TEOM+FDMS方法46套。