PM2.5技術問答六大問

　　PM2.5的監測日益受到政府，公眾和媒體的重視。目前大家對它的來源，危害都有了一定的了解。隨著網友對PM2.5從一無所知到逐步了解，大家希望更進一步了解PM2.5監測技術和方法的愿望也越強烈。現在將搜集到時下提出最多的問題進行整理，與大家分享。

　　問：目前世界上流行的顆粒物自動監測美國聯邦等效方法設備技術有哪些？

　　答: 主要以：振蕩天平技術、Beta射線技術、Beta射線光濁度技術和光散射技術為主。在中國的PM10顆粒物監測中大量采用了振蕩天平和Beta射線技術的自動監測設備，以這兩項技術為基礎開發的PM2.5顆粒物監測儀也已進入中國的環境監測領域。

　　振蕩天平法

　　振蕩天平技術是在上世紀80年代，由美國R&P公司應用于環境顆粒物自動監測領域。在儀器中測量樣品質量的微量振蕩天平傳感器主要部件是一支一端固定另一端裝有濾膜的空心錐形玻璃管，樣品氣流通過濾膜，顆粒物被收集在濾膜上。在工作時空心錐形玻璃管是處于往復振蕩的狀態，它的振蕩頻率會隨著濾膜上收集的顆粒物的質量變化發生改變，儀器通過準確測量頻率的變化得到采集到的顆粒物的質量，然后根據收集這些顆粒物時采集的樣品體積計算得出樣品的濃度。

　　一臺符合美國環保局要求，獲得美國聯邦等效方法號的振蕩天平法PM2.5顆粒物監測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動態測量系統、采樣泵和儀器主機組成。流量為每小時1立方米的環境空氣樣品經過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術要求的PM2.5顆粒物樣品氣體。來自于PM2.5切割器的PM2.5樣品氣體進入膜動態測量系統后首先會經過干燥器，在那里樣品的相對濕度降到一定的程度，隨后樣品氣體會根據系統切換閥的狀態流向不同的部件。在測量的第一時段，PM2.5樣品會直接到達微量振蕩傳感器，樣品中的顆粒物被收集在濾膜上，當第一時段結束時儀器可測得濾膜上的顆粒物的質量，計算出樣品的質量濃度；在測量的第二時段，系統切換閥將PM2.5樣品氣樣導入濾膜動態測量系統的冷凝器，樣品氣體中的顆粒物和有機物等組分被冷凝并被安裝在那里的過濾器截留，通過冷凝器之后的純凈氣體再進入微量振蕩傳感器，由于此時氣樣中不含顆粒物，因此傳感器上的濾膜不會增重，反而因濾膜上的已收集顆粒物中的揮發性或半揮發性顆粒物的持續揮發，而造成濾膜上已收集顆粒物的質量減少，在第二時段結束時儀器可測得測量周期內揮發掉的顆粒物的質量和濃度。最終儀器用第二時段測得的數據對第一時段測得的數據進行補償輸出測量結果。

　　由于PM2.5顆粒物由多種物質組成，并以不同的形態存在于環境空氣中，在進行自動監測過程中需要排除由于顆粒物的吸水性帶來的測量結果偏高和揮發性物質在分析過程中丟失造成的測量結果偏低的問題。配置膜動態測量系統的振蕩天平法PM2.5顆粒監測儀最大限度地解決了這些問題。

　　Beta射線法

　　Beta射線法PM2.5顆粒物監測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、樣品動態加熱系統、采樣泵和儀器主機組成。符合技術要求的PM2.5顆粒物樣品氣體在樣品動態加熱系統中樣品氣體的相對濕度被調整到35%以下，樣品進入儀器主機后顆粒物被收集在可以自動更換的濾膜上。在儀器中濾膜的兩側分別設置了Beta射線源和Beta射線檢測器。隨著樣品采集的進行，在濾膜上收集的顆粒物越來越多，顆粒物質量也隨之增加，此時Beta射線檢測器檢測到的Beta射線強度會相應地減弱。由于Beta射線檢測器的輸出信號能直接反應顆粒物的質量變化，儀器通過分析Beta射線檢測器的信號變化得到一定時段內采集的顆粒物質量數值，結合相同時段內采集的樣品的體積，最終報告出采樣時段的顆粒物濃度。 根據2010年美國環保局公布的美國PM2.5監測使用的儀器清單和布點情況，在美國PM2.5監測網絡中約有60%的振蕩天平法監測儀，Beta射線法的儀器也占30%左右。

　　問: 關于PM2.5的監測技術，是否國外做過比較，各自的特點是什么呢？

　　答：多年來，美國環保局不斷對顆粒物自動監測技術和設備進行評價和建議改進，積累了大量的測試數據和實驗結果，振蕩天平與膜動態測量系統聯用技術與經典重量法數據的相關性最佳，在94%到99%之間。而Beta射線技術相關性在77%到90%之間。因此，振蕩天平技術成為目前世界各國正在使用的，顆粒物自動監測的主流技術。美國環保局多年來始終在關鍵測試點位上，使用振蕩天平與膜動態測量系統聯用技術。在美國PM2.5監測網絡中約有60%的振蕩天平法監測儀。

　　下圖為2010年美國環保局公布的美國PM2.5監測使用的儀器清單和布點情況：

美國2010年PM2.5監測使用的儀器清單和布點

　　振蕩天平技術顆粒物監測儀作為美國環保局認可的PM10聯邦等效方法設備，和振蕩天平及膜動態測量系統聯用的顆粒物監測儀作為美國環保局認可的PM2.5聯邦等效方法設備，為中國及全世界眾多國家提供精確、有效的監測數據。在中國、美國和歐洲眾多監測相關機構所進行的測試中，上述技術的數據與經典重量法之間數據更加吻合。由此，多年來我國所積累的節能減排和環境監測數據的真實性、可靠性、精確性是毋庸置疑的。

　　自振蕩天平技術和膜動態測量系統技術推出至今，我國環境保護相關領域的專家學者始終對這一技術進行深入的研究與論證，并了解國際相關科學領域的新動態。經過我國眾多環境保護機構對顆粒物監測的深入研究和論證，使用振蕩天平技術監測可吸入顆粒物PM10，和使用振蕩天平及膜動態測量系統聯用技術測定細粒子顆粒物PM2.5得到廣泛認同，并且這些成熟的技術也正在應用于日常的環境監測之中。

　　問：這些數據研究數據是怎么得到的？是否可以介紹幾篇相應的第三方材料給大家參考？

　　答：我們的數據多來自美國環保局和第三方的公告，大家如果有興趣可以自己到美國環保局網站上查閱。這里僅僅列舉了幾篇報告供大家參考。

　　1） 來自于美國Hamilton County Department of Environmental Services, Cincinnati, Ohio的報告。報告的內容是有關在2007年3月到7月開展的對當時的PM2.5自動監測儀器的現場比對測試，標準設備是聯邦參考方法儀器Thermo Andersen RAAS PM2.5 FRM，自動儀器是Thermo Sharp 5030 v1.4、Thermo TEOM with FDMS 1400 AB和Met One BAM 1020 v2.55。結論是TEOM和SHARP有較好的一致性，BAM 1020在這次測試中數據偏高。

　　2） 來自于美國NYS Department of Environmental Conservation的在2010年7月的NACAA Monitoring Steering Committee Meeting中的報告。 報告的內容是有關在2010年1月到6月開展的對Thermo 5014i、Metone BAM 1020、Thermo 1405DF 和Thermo 1400+8500的現場比對測試。報告顯示Thermo產品與標準稱重方法的偏差最小。

　　3） 來自于英國Environmental Consultant的2006的報告。報告內容是對7款PM10采樣器或自動監測儀（Thermo Partisol 2025、Thermo TEOM、Thermo PM10 FDMS、Opsis SM200 by Beta、Opsis SM200 By Mass、Metone BAM1020）和1款PM2.5自動監測儀。報告顯示Thermo TEOM帶FDMS數據準確，無需修正；Met One BAM1020數據偏高，需要向下修正。

　　問：測量PM10的儀器是否經過簡單調整就可以測量PM2.5呢？

　　答：由于細粒子顆粒物PM2.5的組成與機理的特殊性，實現其自動監測的難度遠遠大于傳統PM10，因此只有幾個廠商的幾個型號的設備通過了美國環保局的認證。在2011年美國環保局所公布的最新聯邦參比方法及等效方法設備列表中，特別標明了每種型號的設備在何種配置情況下可以進行PM10監測，增加哪些必要部件，才可以進行PM2.5監測。在標明振蕩天平技術需要增加膜動態測量系統進行聯用的同時，也規定了Beta射線技術顆粒物監測儀，如進行PM2.5監測必須使用VSCC切割器和使用動態加熱系統，才能稱之為聯邦等效方法設備。美國環保局2011年聯邦參比及等效方法清單可在http://www.epa.gov/ttn/amtic/criteria.html中查找到。

　　問：振蕩天平法監測技術是否只有國外廠商掌握，中國目前是否已經掌握了該技術？

　　答：不是，多家國內廠商，都吸收和引進這一先進精確技術，研發生產出自己的振蕩天平設備，已經向中國用戶進行推廣和銷售。

　　問：能否詳細介紹一下美國PM2.5的自動監測方法？

　　答：美國環保局（US EPA）從1999年開始建立PM2.5顆粒物濃度監測網，采用的方法是美國聯邦參考方法（FRM）（即，美國標準方法），這是一種手工的24小時濾膜采樣實驗室稱重的方法。從2008年開始，美國環保局開展了對自動的PM2.5顆粒物監測儀認證工作，這些儀器能在無人值守的情況下連續運行并至少能提供PM2.5顆粒物的小時平均濃度值，經過認證的儀器都會獲得美國自動等效方法（EQPM）號。

　　由于PM2.5顆粒物由多種物質組成，并以不同的形態存在于環境空氣中，在進行自動監測過程中需要排除由于顆粒物的吸水性帶來的測量結果偏高和揮發性物質在分析過程中丟失造成的測量結果偏低的問題。經過美國環保局認證的PM2.5顆粒物監測儀都有固定的基本配置和工作參數設置來最大限度的保證數據的準確性。

　　下面介紹一下經過美國環保局認可的兩種PM2.5顆粒物監測儀所采用的技術：

　　Beta射線法PM2.5顆粒物監測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、樣品動態加熱系統、采樣泵和儀器主機組成。流量為每小時1立方米的環境空氣樣品經過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術要求的PM2.5顆粒物樣品氣體。在樣品動態加熱系統中樣品氣體的相對濕度被調整到35%以下，樣品進入儀器主機后顆粒物被收集在可以自動更換的濾膜上。在儀器中濾膜的兩側分別設置了Beta射線源和Beta射線檢測器。隨著樣品采集的進行，在濾膜上收集的顆粒物越來越多，顆粒物質量也隨之增加，此時Beta射線檢測器檢測到的Beta射線強度會相應地減弱。由于Beta射線檢測器的輸出信號能直接反應顆粒物的質量變化，儀器通過分析Beta射線檢測器的信號變化得到一定時段內采集的顆粒物質量數值，結合相同時段內采集的樣品的體積，最終報告出采樣時段的顆粒物濃度。

　　微量振蕩天平法PM2.5顆粒物監測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動態測量系統、采樣泵和儀器主機組成。流量為每小時1立方米的環境空氣樣品經過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術要求的PM2.5顆粒物樣品氣體。樣品隨后進入配置有濾膜動態測量系統 (FDMS)的微量振蕩天平法監測儀主機。在主機中測量樣品質量的微量振蕩天平傳感器主要部件是一支一端固定另一端裝有濾膜的空心錐形管，樣品氣流通過濾膜，顆粒物被收集在濾膜上。在工作時空心錐形管是處于往復振蕩的狀態，它的振蕩頻率會隨著濾膜上收集的顆粒物的質量變化發生改變，儀器通過準確測量頻率的變化得到采集到的顆粒物的質量，然后根據收集這些顆粒物時采集的樣品體積計算得出樣品的濃度。配置有膜動態測量系統后儀器能準確測量在測量過程中揮發掉的顆粒物，使最終報告數據得到有效補償，更接近于真實值。它的工作流程是：來自于PM2.5切割器的PM2.5樣品氣樣進入膜動態測量系統后首先會經過干燥器，在那里樣品的相對濕度降到一定的范圍，隨后樣品氣體會根據系統切換閥的狀態流向不同的部件。在測量的第一時段，PM2.5樣品會直接到達微量振蕩傳感器，樣品中的顆粒物被收集在濾膜上，當第一時段結束時儀器可測得濾膜上的顆粒物的質量，計算出樣品的質量濃度；在測量的第二時段，系統切換閥將PM2.5樣品氣樣導入濾膜動態測量系統的冷凝器，樣品氣體中的顆粒物和有機物等組分被冷凝并被安裝在那里的過濾器截留，通過冷凝器之后的純凈氣體再進入微量振蕩傳感器，由于此時氣樣中不含顆粒物，因此傳感器上的濾膜不會增重，反而因濾膜上的已收集顆粒物中的揮發性或半揮發性顆粒物的持續揮發，而造成濾膜上已收集顆粒物的質量減少，在第二時段結束時儀器可測在測量周期內揮發掉的顆粒物的質量和濃度。最終儀器用第二時段測得的數據對第一時段測得的數據進行補償輸出測量結果。