1、空气中的 PM2.5检测技术目前世界上流行的颗粒物自动监测美国联邦等效方法设备技术主要以：振荡天平技术、Beta 射线技术、Beta 射线光浊度技术和光散射技术为主。在中国的 PM10 颗粒物监测中大量采用了振荡天平和 Beta 射线技术的自动监测设备，以这两项技术为基础开发的 PM2.5 颗粒物监测仪也已进入中国的环境监测领域。一、 振荡天平法振荡天平技术是在上世纪 80 年代，由美国 R&P 公司应用于环境颗粒物自动监测领域。在仪器中测量样品质量的微量振荡天平传感器主要部件是一支一端固定另一端装有滤膜的空心锥形玻璃管，样品气流通过滤膜，颗粒物被收集在滤膜上。在工作时空心锥形玻璃管是处于往复
2、振荡的状态，它的振荡频率会随着滤膜上收集的颗粒物的质量变化发生改变，仪器通过准确测量频率的变化得到采集到的颗粒物的质量，然后根据收集这些颗粒物时采集的样品体积计算得出样品的浓度。一台符合美国环保署要求，获得美国联邦等效方法号的振荡天平法 PM2.5 颗粒物监测仪由 PM10 采样头、PM2.5 切割器、滤膜动态测量系统、采样泵和仪器主机组成。流量为每小时 1 立方米的环境空气样品经过 PM10 采样头和 PM2.5 切割器后成为符合技术要求的 PM2.5 颗粒物样品气体。来自于 PM2.5 切割器的 PM2.5 样品气体进入膜动态测量系统后首先会经过干燥器，在那里样品的相对湿度降到一定的程度，
3、随后样品气体会根据系统切换阀的状态流向不同的部件。在测量的第一时段，PM2.5 样品会直接到达微量振荡传感器，样品中的颗粒物被收集在滤膜上，当第一时段结束时仪器可测得滤膜上的颗粒物的质量，计算出样品的质量浓度；在测量的第二时段，系统切换阀将 PM2.5 样品气样导入滤膜动态测量系统的冷凝器，样品气体中的颗粒物和有机物等组分被冷凝并被安装在那里的过滤器截留，通过冷凝器之后的纯净气体再进入微量振荡传感器，由于此时气样中不含颗粒物，因此传感器上的滤膜不会增重，反而因滤膜上的已收集颗粒物中的挥发性或半挥发性颗粒物的持续挥发，而造成滤膜上已收集颗粒物的质量减少，在第二时段结束时仪器可测得测量周期内挥发掉
4、的颗粒物的质量和浓度。最终仪器用第二时段测得的数据对第一时段测得的数据进行补偿输出测量结果。由于 PM2.5 颗粒物由多种物质组成，并以不同的形态存在于环境空气中，在进行自动监测过程中需要排除由于颗粒物的吸水性带来的测量结果偏高和挥发性物质在分析过程中丢失造成的测量结果偏低的问题。配置膜动态测量系统的振荡天平法 PM2.5 颗粒监测仪最大限度地解决了这些问题。二、 Beta 射线法Beta 射线法 PM2.5 颗粒物监测仪由 PM10 采样头、PM2.5 切割器、样品动态加热系统、采样泵和仪器主机组成。符合技术要求的 PM2.5 颗粒物样品气体在样品动态加热系统中样品气体的相对湿度被调整到 3
5、5%以下，样品进入仪器主机后颗粒物被收集在可以自动更换的滤膜上。在仪器中滤膜的两侧分别设置了 Beta 射线源和 Beta 射线检测器。随着样品采集的进行，在滤膜上收集的颗粒物越来越多，颗粒物质量也随之增加，此时 Beta射线检测器检测到的 Beta 射线强度会相应地减弱。由于 Beta 射线检测器的输出信号能直接反应颗粒物的质量变化，仪器通过分析 Beta 射线检测器的信号变化得到一定时段内采集的颗粒物质量数值，结合相同时段内采集的样品的体积，最终报告出采样时段的颗粒物浓度。 根据 2010 年美国环保署公布的美国 PM2.5 监测使用的仪器清单和布点情况，在美国 PM2.5 监测网络中约有
6、 60%的振荡天平法监测仪，Beta 射线法的仪器也占 30%左右。3、 Beta 射线法/ 射线法 Beta 射线仪则是利用 Beta 射线衰减的原理，环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出，颗粒物沉淀在滤膜上，当 射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，Beta 射线的能量衰减，通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。 Beta 射线法颗粒物监测仪由 PM10 采样头、 PM2.5 切割器、样品动态加热系统、采样泵和仪器主机组成。流量为 1m3/h 的环境空气样品经过 PM10 采样头和 PM2.5 切割器后成为符合技术要求的颗粒物样品气体。在样品动态加热系统中，样品气体的相对湿度被调整到 3
7、5%以下，样品进入仪器主机后颗粒物被收集在可以自动更换的滤膜上。在仪器中滤膜的两侧分别设置了 Beta 射线源和 Beta 射线检测器。随着样品采集的进行，在滤膜上收集的颗粒物越来越多，颗粒物质量也随之增加，此时 Beta 射线检测器检测到的 Beta 射线强度会相应地减弱。由于 Beta 射线检测器的输出信号能直接反应颗粒物的质量变化，仪器通过分析 Beta 射线检测器的颗粒物质量数值，结合相同时段内采集的样品体积，最终得出采样时段的颗粒物浓度。配置有膜动态测量系统后，仪器能准确测量在这个过程中挥发掉的颗粒物，使最终报告数据得到有效补偿，理接近于直实值。 美国 METONE 的 BAM-10
8、20 粒子监测器采用了 射线衰减的原理对粒子进行监测。其已经通过了美国环境保护署（EPA）的认证（EQPM-0798-122 ），而且在英国、韩国和中国自动监测和记录 PM10 浓度应用领域中，也获得了相应的证书。BAM-1020 可以通过装备 PM2.5 采样口来自动监测更小的粒子物质，而且可以被设置用来监测总悬浮颗粒物（TSP ）。 测试方法： 射线测试法 Beta Attenuation 测试原理：粉尘粒子吸收 射线的量与粉尘粒子的质量成正比关系。根据粉尘粒子的吸收 射线的多少，计测出粉尘的质量浓度（mg/m3）。此原理不受粉尘粒子大小及颜色的影响。直读、快速测尘仪、操作简便。利用冲击原
9、理采样。可转动的圆形玻璃冲击板可采集 30 个样品。 测量范围：050mg/m3美国 PM2.5 的自动监测方法：美国环保署（US EPA）从 1999 年开始建立 PM2.5 颗粒物浓度监测网，采用的方法是美国联邦参考方法（FRM）（即，美国标准方法），这是一种手工的 24 小时滤膜采样实验室称重的方法。从 2008 年开始，美国环保署开展了对自动的 PM2.5 颗粒物监测仪认证工作，这些仪器能在无人值守的情况下连续运行并至少能提供 PM2.5 颗粒物的小时平均浓度值，经过认证的仪器都会获得美国自动等效方法（EQPM）号。由于 PM2.5 颗粒物由多种物质组成，并以不同的形态存在于环境空气中
10、，在进行自动监测过程中需要排除由于颗粒物的吸水性带来的测量结果偏高和挥发性物质在分析过程中丢失造成的测量结果偏低的问题。经过美国环保署认证的 PM2.5 颗粒物监测仪都有固定的基本配置和工作参数设置来最大限度的保证数据的准确性。经过美国环保署认可的两种 PM2.5 颗粒物监测仪所采用的技术：Beta 射线法 PM2.5 颗粒物监测仪由 PM10 采样头、PM2.5 切割器、样品动态加热系统、采样泵和仪器主机组成。流量为每小时 1 立方米的环境空气样品经过 PM10 采样头和 PM2.5切割器后成为符合技术要求的 PM2.5 颗粒物样品气体。在样品动态加热系统中样品气体的相对湿度被调整到 35%
11、以下，样品进入仪器主机后颗粒物被收集在可以自动更换的滤膜上。在仪器中滤膜的两侧分别设置了 Beta 射线源和 Beta 射线检测器。随着样品采集的进行，在滤膜上收集的颗粒物越来越多，颗粒物质量也随之增加，此时 Beta 射线检测器检测到的Beta 射线强度会相应地减弱。由于 Beta 射线检测器的输出信号能直接反应颗粒物的质量变化，仪器通过分析 Beta 射线检测器的信号变化得到一定时段内采集的颗粒物质量数值，结合相同时段内采集的样品的体积，最终报告出采样时段的颗粒物浓度。微量振荡天平法 PM2.5 颗粒物监测仪由 PM10 采样头、PM2.5 切割器、滤膜动态测量系统、采样泵和仪器主机组成。
12、流量为每小时 1 立方米的环境空气样品经过 PM10 采样头和PM2.5 切割器后成为符合技术要求的 PM2.5 颗粒物样品气体。样品随后进入配置有滤膜动态测量系统 （FDMS）的微量振荡天平法监测仪主机。在主机中测量样品质量的微量振荡天平传感器主要部件是一支一端固定另一端装有滤膜的空心锥形管，样品气流通过滤膜，颗粒物被收集在滤膜上。在工作时空心锥形管是处于往复振荡的状态，它的振荡频率会随着滤膜上收集的颗粒物的质量变化发生改变，仪器通过准确测量频率的变化得到采集到的颗粒物的质量，然后根据收集这些颗粒物时采集的样品体积计算得出样品的浓度。配置有膜动态测量系统后仪器能准确测量在测量过程中挥发掉的颗
13、粒物，使最终报告数据得到有效补偿，更接近于真实值。它的工作流程是：来自于 PM2.5 切割器的 PM2.5 样品气样进入膜动态测量系统后首先会经过干燥器，在那里样品的相对湿度降到一定的范围，随后样品气体会根据系统切换阀的状态流向不同的部件。在测量的第一时段，PM2.5 样品会直接到达微量振荡传感器，样品中的颗粒物被收集在滤膜上，当第一时段结束时仪器可测得滤膜上的颗粒物的质量，计算出样品的质量浓度；在测量的第二时段，系统切换阀将 PM2.5 样品气样导入滤膜动态测量系统的冷凝器，样品气体中的颗粒物和有机物等组分被冷凝并被安装在那里的过滤器截留，通过冷凝器之后的纯净气体再进入微量振荡传感器，由于此
14、时气样中不含颗粒物，因此传感器上的滤膜不会增重，反而因滤膜上的已收集颗粒物中的挥发性或半挥发性颗粒物的持续挥发，而造成滤膜上已收集颗粒物的质量减少，在第二时段结束时仪器可测在测量周期内挥发掉的颗粒物的质量和浓度。最终仪器用第二时段测得的数据对第一时段测得的数据进行补偿输出测量结果。2 PM2.5 的测量方法 空气中漂浮着的颗粒物大小不同，PM2.5 是其中较细小的那部分。测定 PM2.5 的浓度一般分为两步：（1）把 PM2.5 与较大的颗粒物分离，几乎所有的测定方法都需要这一步；（2）测定分离出来的 PM2.5 的重量。目前，各国环保部门广泛采用的 PM2.5 测定方法有三种：重量法、 射线
15、吸收法和微量振荡天平法。 2.1 手工测试方法 重量法属于手工监测方法，主要用于研究，或对自动分析方法的校准。这种方法较简便，只需要一个 PM2.5 切割头、一台泵和膜架及其滤膜，采集 24 小时样品后，取下滤膜称重即可，必要时可以平行采集 3 个样品，经恒温恒湿后再称重。 国家环境保护部对于此方法颁布了一系列的标准，包括 GB3095-2012 环境空气质量标准 ，HJ618-2011 环境空气 PM10 和PM2.5 的测定重量法， HJ194-2005 环境空气质量手工监测技术规范，HJ 656-2013 环境空气颗粒物 PM2.5 手工监测方法重量法技术规范。 2.2 自动监测方法 这
16、种监测方法监测站点无人值守，数据通过网络直接获得，包括 射线吸收法和微量振荡天平法。 射线吸收法的基本原理是利用堆积在石英滤膜上的颗粒物对 C14 释放的 射线衰减量的变化检测大气颗粒物质量的变化。环境空气由采样泵经切割器吸入采样管，经过滤膜后排出。颗粒物沉淀在条状石英滤膜上，当 射线通过沉积着颗粒物的滤膜时， 射线强度发生衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。微量振荡天平(TEOM)法又称微量石英振荡天平法，该方法是在质量传感器内使用一个石英空心锥形管，在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜，振荡频率取决于石英锥形管特性和它的质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜质量变
17、化导致振荡频率变化，通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据采样流量、采样现场环境温度和气压计算出该时段的颗粒物标态质量浓度。 2.3 各种监测方法的优缺点 PM2.5 手动监测方法又称标准称重法(滤膜称重法)的优点是经济成本低，容易实施。缺点：（1）气流长时间不断通过采样滤膜，滤膜上采集到的物质随着气流和温度的变化也会造成挥发性和半挥发性物质的损失；（2）一些极细小的颗粒穿过滤膜，造成结果偏低；（3）气态物质可能被滤膜吸附，造成结果偏高。 振荡天平法的优点是定量关系明确。缺点：（1）样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失，导致测定结果偏低；（2）需要加装膜动态测量系统(Filter Dynamic Measurement System，)对偏低的结果进行校准。 射线法是基于两个假设：仪器的石英采样滤膜条带均一；采集下来的 PM2.5 粒子物理特性均一，对 射线强度衰减率相同。但是现实条件下，以上两个假设通常很难成立，因此测定数据一般被认为也存在偏差。这种方法的缺点是在相对干净和干燥的地区故障率低，而在潮湿高温区域故障率很高。
