基于便携式检测仪的空气pm2.5浓度监测与分析(修改)

基于便携式检测仪的空气 PM2.5 浓度监测 与分析 摘 要：本文介绍了 PM2.5 的基本概念以及空气质量的标准，在此基础上介绍了 PM2.5 检 测装置和各种检测原理。检测了不同气候条件下，不同季节条件下，不同环境因素条件下 空气中 PM2.5 浓度。并对检测结果进行了分析，得出了有效的结论，为 PM2.5 浓度的检测 与分析理论打下了坚实的基础，具有十分重要的意义。 关键词：PM2.5，便携式检测仪，检测方法，浓度检测 Abstract: This paper introduces the basic concepts of PM2.5 and air quality standards, then introduces PM2.5 detection device and detection principle. Detection of different climatic conditions, conditions in different seasons, the concentration of PM2.5 in the air condition under different environmental factors. And analyzed the testing results, draw valid conclusions, a solid foundation for the detection and theoretical analysis of PM2.5 concentration, has the very vital significance Key words：PM2.5, Portable tester, Detection method, Concentration detection 0 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 最大的就是北京的 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。 1.2 PM2.5 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： 表 1 PM2.5 空气质量新标准 空气质量等级 PM2.5 浓度平均值 优 0-35 3/gm 良 35-75 轻度污染 75-150 / 中度污染 150-200 3 中度污染 200-300 /g 严重污染 大于 300 m 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： 表 2 便携式 检测仪性能参数 在线采样器滤膜 40mm 检测范围 PM10、 PM2.5、PM5 、 PM1.0 读取结果速度 1 分钟 显示 大屏液晶显示器 检测灵敏度 0.001mg/m3 重复性误差 2% 测量精度 10 测量范围 0.001-100mg/m 测定时间 1 分钟 模式 公共场所检测、大气 环境检测、劳动卫生 模式 存贮 循环存贮 999 组数据 浓度最大阀值 65mg/m3 测定时间 1-9999 秒 PC 机通讯接口 RS232、RS485/GPRS 输出接口 微型打印机 电源 Ni-MH 充电电池 （1.2V x 4） 以下图 1 为便携式检测仪的实物图： 图 1 便携式检测仪实际装置图 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 射线方法仪器加装动态加 热系统， 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 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 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 射线吸收法对 PM-10 或 PM-2.5 颗粒物进行连续测量。浓度范围： 0-1,000g/m3 和 0-10,000g/m3，最低检 测限： 80g/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： （1）210tWCF 其中 代表的含义是 PM2.5 的质量浓 度，其表示的单位是 ； 表示的3/mg2W 含义是采样之后滤膜的质量，其单位是 ； 表示的含义是采样之前滤膜的质mg1 量，其单位是 ； 代表的含义是换算F 成标准状况下的采样的流量，其单位是 ； 代表的是采样时间，其单位是/inLt 。 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 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： （2）0mtIe 该式之中， 表达的含义就是滤纸没0I 有进行吸附吸收物质的时候，beta 粒子的 数量； 表示的含义就是当 beta 射线穿过物质厚I 度为 的滤纸时候，beta 粒子的数量；mt 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 ；2/cmg 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 ）3/gm 表 3 不同天气状况下的 测量结果 组数 晴天 雨天 阴天 风天 1 89 52 115 65 2 92 41 123 64 3 95 48 143 63 4 93 52 98 72 5 96 56 99 65 6 65 57 96 56 7 67 53 89 58 8 68 41 125 62 9 96 32 114 61 平均值 84.5 48 111 63 图 2 不同天气状况下的 检测结果 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，最明显的就是北京地区每次大风之后， 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 ）3/gm 表 4 不同 环境下的测量结果 组数 电厂 马路 公园 1 156 115 37 2 138 120 56 3 170 99 42 4 189 98 56 5 201 96 68 6 210 89 39 7 220 73 48 8 221 87 51 9 234 101 52 平均值 193 98 50 图 3 不同 环境状况下的检测结果 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 ）3/gm 表 5 不同天气状况下的 测量结果 组数 春季 夏季 秋季 冬季 1 89 48 95 112 2 92 41 93 119 3 95 48 65 142 4 93 51 93 95 5 96 56 96 102 6 65 62 94 92 7 67 53 73 93 8 68 41 62 120 9 96 32 92 112 平均值 85 48 86 114 图 4 不同季节下的检测结果 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。 参考文献 1张大年，城市大气可吸入颗粒物的研究 J，上海环境科