基于便携式检测仪的空气PM2.5浓度监测与分析 |
引言
随着目前电力、石油、汽车、化工等高污染、高耗能行业的飞速发展，越来越多的二氧化碳、二氧化硫、粉尘等排放物注入到大气中，造成空气质量的急剧下降[1-2]。目前关注最多的，影响最大的就是PM2.5的问题。PM2.5是指直径小于或等于2.5微米的细颗粒物，其最大的特点是可以进入人体的肺泡细胞，进入血液循环，对人体健康可以造成巨大的威胁。最近两年影响最大的就是的PM2.5的问题，曾经一度爆表，对首都的空气质量、交通、各个行业的正常运转造成了巨大的负面影响。目前全国各大城市无一幸免，都或多或少的存在着PM2.5的威胁问题。如何对PM2.5进行有效的监测以及基于监测数据分析PM2.5的特点和规律，对于将来了解及治理PM2.5问题是非常重要和关键的[3]。
目前国内外对于PM2.5的研究起于初始阶段，很多概念和方法仍在初步的探索当中，各个国家工业发展的历史不同，对于PM2.5的认识尽相同，随着民众健康和环保意识的增强对空气质量越发关注，PM2.5话题迅速升温。在世界一些发达国家和地区，得益于成熟的大气环境监测网络和健全的大气环境信息公开制度，改善空气质量的成效显著。美国在1997年率先提出监测PM2.5标准。截至2010年底，美国和欧盟等主要发达国家已将PM2.5纳入空气质量标准并进行强制性限制。如今，在伦敦、纽约、洛杉矶、东京和墨西哥城等大城市，地方政府都会监测 PM2.5数据，相关数据都会及时向民众公布[4-6]。
因此本文主要研究PM2.5浓度监测方法以及基于监测数据得出的一些分析结论。
1、PM2.5基本介绍
1.1基本概念
PM2.5就是细颗粒物。在空气动力学的概念当中，细颗粒物是指的直径小于或者等于2.5微米颗粒物体。它的特征就是能长时间悬浮于空气当中，它的污染程度是与其浓度成正比的。PM2.5在空气中的含量不大，但是对空气能见度和质量却有着十分重要的影响。它活性强，容易携带有害物质，因此能对人体健康造成巨大威胁[7-8]。2013年2月，全国的科学技术名词审定委员会正式将PM2.5的中文名称定为细颗粒物。细颗粒物在化学成分上主要包括以下部分：有机碳（OC）、元素碳（EC）、以及硫酸盐。铵盐、钠盐和硝酸盐等盐类[9-10]。
1.2PM2.5的空气质量新标准
目前采用最为广泛的就是PM2.5检测网公布空气质量新标准，24小时平均值标准分布如表1所示：
2、PM2.5的便携式检测仪及检测方法介绍
2.1便携式空气质量检测仪
仪器选用国外原装电化学传感器，具有抗干扰能力强、报警可靠性高、使用寿命长等特点。适用于石油、化工、天然气、煤气、冶金、市政等部门的有关工程的配套，检测被测场所中有害气体的浓度并报警，以避免危险事故的发生。其技术参数如表2所示[11]：
以下图1为便携式检测仪的实物图：
2.2检测方法
中国环境监测总站2012年5月下发的《PM2.5自动监测仪器技术指标与要求（试行）》确定了三种PM2.5的自动监测方法，分别是β射线方法仪器加装动态加热系统，β射线方法仪器加动态加热系统联用光散射法，微量振荡天平方法仪器加膜动态测量系统（FDMS）。5030-SHARP型β射线加动态加热系统联用光散射方法PM2.5监测仪价格，应用β射线吸收法和光散射法对颗粒物进行实时监测，Thermo Scientific 5030型颗粒物同步混合监测仪运用光散射法和β射线吸收法对M-10或PM-2.5颗粒物进行连续测量。浓度范围：0-1，000μg/m3和0-10，000μg/m3，最低检测限：<0.5μg/m3及2σ（1小时时间分辨率）准确度：±5%
（和24小时FRM比）跨漂：0.02%/天，小时精度：±2μg/m3<80μg/m3， ±5μg/m3>80μg/m3；
1、重量法
本方法主要是将PM2.5直接截留到一层很薄的滤膜之上，然后再用天坪进行称重量，此种方法就是重量法。本方法中需要提到的一点就是，滤膜并不能把所有的PM2.5都收集起来，一些直径非常小的颗粒物还是容易漏过，但是能把大部分的颗粒物收集起来。其原则是只要对于颗粒物直径大于0.3微米的颗粒物能截取99%都是允许的。没有截取的损失掉的那部分颗粒物对整体结果的影响并不是十分明显，因为那部分颗粒物对于整个PM2.5的浓度共享量是非常小的。
利用重量法测量PM2.5浓度一般普遍的采用比较大流量的采样器材，其原理主要是利用泵抽取一定量的气体进入空气切割器当中。其操作的原理就是将直径小于30微米的颗粒物进行不断的分割和切割，这样PM2.5颗粒物就可以随着气流经过切割器的出口被阻留到了已经称重的器皿上。根据对颗粒物采样前后的质量之差以及采样颗粒物气体的体积，可以计算出PM2.5的浓度。具体的计算公式为：
其中C代表的含义是PM2.5的质量浓度，其表示的单位是mg/m3；W2表示的含义是采样之后滤膜的质量，其单位是mg；W1表示的含义是采样之前滤膜的质量，其单位是mg；F代表的含义是换算成标准状况下的采样的流量，其单位是L/min；t代表的是采样时间，其单位是min。
因此，重量法是一种最直接并且最有效的方法。它可以验证其它方法是否正确，但是重量法的弊端是需要人工来进行称重，其程序非常繁琐和复杂。如果要实现自动化的监测方法，就要用到另外的两种方法。 2、射线吸收法
本方法的原理主要是将PM2.5收集到滤纸上面，然后用一束beta射线进行照射，当射线穿过滤纸或者颗粒物的时候，由于beta射线会被散射而发生衰减，其衰减的程度会根据PM2.5的重量而成正比。因此可以根据射线的衰减情况来测算出PM2.5的重量。Beta射线吸收的原理就是，当原子核在发生着beta衰变时，会放出beta粒子，beta粒子实际上是一种移动速度非常快的带电荷的粒子，它的穿透能力超级强，当它穿过一定厚度的物质被吸收时，其强度会随着吸收层厚度的增加而逐渐减弱，这种现象叫做β吸收。若吸收物质的厚度比beta粒子的射程小得非常多的时，beta射线会被物质所吸收掉。其表达的公式为：
该式之中，I0表达的含义就是滤纸没有进行吸附吸收物质的时候，beta粒子的数量；
I表示的含义就是当beta射线穿过物质厚度为tm的滤纸时候，beta粒子的数量；μm表示的含义就是质量吸收系数或者称为质量衰减系数，其单位为cm2/mg；
Beta射线吸收原理测量PM2.5在国际上目前比较流行的方法就是beta射线自动检测仪。该仪器可以利用抽气泵对大气进行恒流采样来进行。
3、微量振荡天坪法
其主要实现的方法和步骤就是利用一头粗一头细的空心玻璃管，将粗头的部位固定住，将细头装滤芯。空气从粗头的部分进入，从细头的部分流出，因此PM2.5就被截留在滤芯上面。它们在电场的作用之下，细头部位以一定的频率进行振荡，振荡的频率与细头重量的平方根之间成反比。因此，根据振荡频率的变化，就可以计算出收集到的PM2.5的重量，根据这样可以计算空气中PM2.5的浓度[12]。
3、案例实测
本文主要对不同天气状况下，不同环境条件下，不同时间段，不同季节条件下的PM2.5浓度进行检测和观察，以得出分析结论。
3.1不同天气状况下的PM2.5浓度
针对某个城市的不同天气状况下的PM2.5浓度进行检测，假设其它的因素都相同，包括季节、周边环境、温度、时段等等都相同，单纯考虑不同的气候状况下PM2.5的浓度。下面比较几组测量结果，其测量结果如表3所示：（单位μg/m3）
通过检测可以发现，在同等条件下，晴天检测的平均值是84.5，雨天检测的结果是48，阴天的检测结果是111，而风天的检测结果是63。虽然风天检测的结果与风的大小相关，雨天的检测结果与雨的大小相关，晴天的检测结果与太阳的照射程度相关，但是总体趋势是雨天的PM2.5浓度最小，其次是风天，再就是晴天，浓度最大的是阴天。其原因是，雨天下雨的时候有利于空气的清洁，能带走一部分细颗粒物，风天的时候，刮风能带走一部分颗粒物，最明显的就是地区每次大风之后，颗粒物的浓度下降很多。晴天条件下，因为没有雨水的洗刷作用以及风的作用，所以PM2.5的浓度比雨天和风天下大一些。PM2.5浓度最大的就是阴天，主要是因为阴天条件下，空气湿度比较大，不利于PM2.5的扩散，容易使PM2.5形成和沉积。
3.2不同环境下PM2.5的浓度
针对某个城市的不同环境状况下的PM2.5浓度进行检测，假设其它的因素都相同，包括季节、周边环境、温度、时段等等都相同，单纯考虑不同的气候状况下PM2.5的浓度。其考虑的场所主要为火电厂，公园，马路三处场所。公园里面树木较多，马路上车辆较多。下面比较几组测量结果，其测量结果如表4所示：（单位ug/m3）
通过检测可以发现，在同等条件下，电厂环境下的检测结果平均值是193，马路环境下的检测结果平均值是98，公园环境下的检测结果平均值是50。因此可以看出，电厂检测的空气质量最差，马路边检测结果次之，检测结果最好的就是公园里。电厂、马路、公园三个环境是三种典型的代表。电厂代表的是工厂类，马路边代表的是汽车尾气排放的环境，公园代表的是利于空气净化的环境。由此可以看出，电厂对于PM2.5的共享程度大于汽车尾气，其原因是因为电厂排放大量的二氧化硫和粉尘。火电厂的燃料是煤，煤的不完全燃烧和肆意排放会给空气质量带来比较恶劣的影响。其次就是汽车，汽车尾气排放二氧化硫、一氧化氮等排放物，对于空气中PM2.5的贡献量也比较大。相反，森林等环境下，空气质量最好，原因就是绿色植物有利于PM2.5颗粒物的沉降和分解。
3.3不同季节条件下PM2.5的浓度
针对某个城市的不同环境状况下的PM2.5浓度进行检测，假设其它的因素都相同，考虑春夏秋冬四个季节。下面比较几组测量结果，其测量结果如表5所示：（单位ug/m3）
通过检测可以发现，春季的检测结果是85，夏季的检测结果是48，秋季的检测结果是86，冬季的检测结果是114。可以看出夏季的空气最好，春季和秋季的空气质量次之，两者差不多；空气质量最差的是冬季。这和冬天PM2.5浓度往往较大的现象相吻合。其原因就是温度因素以及气候变化特点对PM2.5浓度的影响较大，还有一点就是冬季北方大多燃烧暖气，火电厂发电较多，因此导致大量的燃煤燃烧，使得PM2.5浓度急剧上升，这一点在我国北方表现尤为明显。此时，随着北风南下，会导致南方的PM2.5浓度也随着提高。夏季的时候，是丰水季节，一般依靠水力发电，会减少火电机组的发电，这样燃煤会减少，比较利于空气质量的提升。而春节和秋季往往是介于冬季和夏季之间的水平。
4、结论
本文利用便携式PM2.5检测装置对不同气候条件下，不同环境条件下，不同季节条件下的PM2.5浓度进行了检测，根据检测结果进行了统计对比分析。其分析的结论是PM2.5的影响因素比较多。主要的影响因素是化工厂、电厂、汽车尾气、绿化等因素有关。影响PM2.5的客观条件就是气候因素，包括雨天、风、晴天、阴天等等。
通过本文的基于便携式PM2.5浓度检测的结果以及对比分析的图表数据，可以分析影响PM2.5浓度本质的原因在哪里。
大气中PM2.5浓度与风速、气温、降水等因素有关。
风速：风速较大时，可以降低PM2.5浓度；反之，PM2.5容易积聚。
气温：近地面气温较高时，大气对流作用加剧，可以降低PM2.5浓度；反之，大气出现逆温层时，PM2.5不易扩散。
降水：降水有利于降低PM2.5浓度。利于水汽凝结，形成云雾和降水；削弱部分太阳辐射和阻挡地面辐射，影响气温；污染大气，降低能见度。另外风雨可降PM2.5浓度风雨会有效降低PM2.5浓度。下雨天，雨水会把空气中的PM2.5“带”下来，使空气变得干净。大风天，虽然影响出行，但有利于空气质量改善。在风的作用下，PM2.5浓度得到稀释，空气质量也会提升。
关于工厂周边以及马路边PM2.5浓度较高的原因是因为，工厂周边及马路上排放大量的二氧化硫、粉尘等污染物，这些是导致PM2.5形成的根本因素。因此结合本文的研究结论可以知道，PM2.5形成的因素是复杂的、多元化的。
本文的检测方法和检测结论对于PM2.5的研究具有十分重要的意义。
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