PM2.5概述及监测技术

1、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 PM2.5中文名细颗粒物，英文全称fine particulate matter。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gm-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2m（有时用小于2.5m，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

2、物”。 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。 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，

3、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

4、机组成：离子 元素 EC *有机组成： OC WSOC 有机颗粒物分子组成化学光学粒径动力学电学吸湿性 一般认为，粒径在10m以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.510m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2.5m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

5、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。 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 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 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

6、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（60g/m3和80g/m3），而PM2.5平均浓度为121.58g/m3，远高于世卫组织认定的安全值（10g/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

7、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% 。 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 射线法C=(m-m0)/V C: 颗粒物质量浓度，mg/m3 m：采样后滤膜重量，mg m0：采样前滤膜重量，mg V：采样体积，m3采样前采样后 射线原理是根据颗粒物对C-14释

8、放的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，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。 射线法原理基础方法的颗粒物浓度计算： m=f（R0/R) f=S/(u/） m 为颗粒物浓度（/m3），R 为采样后颗粒物过滤器的射线强度（计数值），R0 为采样前颗粒物过滤器的射线强度（计数值），f 为转换系数（/m3），f 与颗粒物过滤器的采样截

9、面积以及测量装置的衰变系数相关。 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。 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

10、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。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

11、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。 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

12、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23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。 这一方法仪器的特点与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。 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。

13、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。1000个点位，247套通过EPA认证自动监测仪，方法201套，TEOM+FDMS方法46套。 （from US-EPA，2010 ）27欧盟成员国，518个监测点位，方法186个，TEOM方法56个，TEOM+FDMS方法105个。（from EU，2008） 为了解决“十二五”PM2.5监测能力建设所需要的技术指标要求问题。 在北京、上海、

14、重庆、广东、济南地区开PM2.5自动监测仪器适用性测试的情况。 PM2.5是近十年来环境监测的一个新项目。 PM2.5不同于PM10监测，挥发性成分影响显著，难度较大。 美国1997年颁布标准，1998年开展能力建设；欧盟2005年前后各成员国逐步开展；日本2007年逐步开展。 国内2007年前后各城市试验性监测。 监测技术不是一开始就成熟的方案，是一个探索和发展的实验过程。 2008年美国EPA批准PM2.5监测参比方法（手工）和等效方法（自动），2009年开始认证通过目前市场主要的国外产品型号，期间欧美PM2.5监测设备通过和未通过认证的仪器混杂使用，带来不少问题。 2011年前国内没有P

15、M2.5自动监测生产，国外提供商销售部分没有认证的设备。监测差别较大规模不大但是问题已经被突出和暴露。 按照国内外环境监测技术规范的要求，对执行环境质量标准要求的项目指标的监测仪器，均需通过环境管理部门的质检。 对于PM2.5监测设备，美国联邦环保署、欧盟环境委员会、以及德国、英国、法国、日本等国家已经开展仪器的认证。 环境保护部监测仪器质检中心（设在中国环境监测总站）已经开展对常规反应性气体（包括O3和CO）等空气监测设备的适用性检测，PM2.5监测设备认证还是空白，正在筹措建设认证平台。 2011年12月环境保护部颁布环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法（HJ618-2011）。为P

16、M2.5自动监测等效方法仪器提供了基准的参比方法。 自动方法之间的比对没有意义，都需要与手工基准方法比对才能说明问题。与手工基准方法比对是国际通用的方法，具有权威性。 只有当三台手工监测仪以及待测仪器均有测量结果，且手工监测仪的日均值落在10-400g/m3，且三台手工监测仪测量结果的相对标准偏差小于10%，这一天的手工和自动的比对数据才被视为有效数据。 采样场风速不超过 8米/秒。 对于感量为0.1mg和0.01mg的分析天平，滤膜上颗粒物负载量应分别大于1mg 和0.1mg，以减少称量误差。 从上面三组照片中可以很直观的反应出PM2.5浓度对能见度的影响：浓度俞高，能见度度越低。 自20世

17、纪70年代以来，大气颗粒物对能见度的影响就一直是环保部门关注的问题之一。尽管在大气中只占很少的一部分，但颗粒物对城市大气光学性质的影响可达99%。大量的研究表明PM2.5 与能见度密切相关。 大气能见度主要是由大气颗粒物对光的散射和吸收决定的。 散射作用：散射作用：空气分子对光的散射作用很小，其最大的视距（极限能见度）为100300Km（具体数值与光的波长有关）。在实际的大气中由于颗粒物的存在，能见度一般远远低于这一数值：在极干净的大气中能见度可达30Km以上；在城市污染大气中能见度可在5Km左右甚至更低；在浓雾中能见度只有几米。在大气气溶胶中，主要是粒径为0.1-1.0微米的颗粒物通过对光的

18、散射而降低物体与背景之间的对比度，从而降低能见度。在这一粒径范围的颗粒物中，含有so4-2的粒子和含有NO3-的粒子最易散射可见光。 吸收作用：吸收作用：PM2.5对光的吸收效应几乎全部是由碳黑（也称元素碳）和含有碳黑的颗粒物造成的。尽管全世界每年排放的碳黑仅占人为颗粒物排放量的0.2-1.0%和全部颗粒物排放量的0.2-1.0%，但其引起的消光效应却要高得多，在某些地方甚至可以使能见度降低一半以上。 下表数据来源于国家环境监测总站2013年3月13日到2013年5月13日两个月的十个认证厂家的监测数据。 地点：北京2013年3-172013年5-62013年4-292013年4-13 在我国，目前