PM2.5检测方法

PM2.5检测方法
摘要：PM是“颗粒物质”的缩写，悬浮在空气中，直径小于等于2.5微米的称为PM2.5，又称细颗粒物。

但PM2.5对人体健康威胁更大，极易富集于肺部深处，因此又被称作入肺颗粒物。

与较粗大的颗粒物相比，富含更大量的有毒有害物质，而且能在大气中停留更长时间，输送距离也更远，对大气环境及人体健康的影响也更大，是导致黑肺和灰霾天的主要凶手。

关键词：PM2.5；重量法；β射线吸收法；微量振荡天平法
1 引言
10月30日开始，北京连续三天陷入大雾的包围之中，市环保局公布的空气质量却只是“轻度污染”。

而在微博上，网友们贴出美国大使馆公布的不断破300的空气污染指数。

双方差距如此之大，主要是因为我国未纳入PM2.5监测。

据了解，城市的PM2.5主要来自燃煤发电、工业生产、汽车尾气排放等。

在中国大部分地区，特别是华北地区，PM2.5占到了整个空气悬浮颗粒物重量的大半。

环保部门专家表示，将PM2.5列入空气质量指标进行监测，我国技术上并不存在问题，只是“时机不成熟”。

对此，相关人士解释称，目前我国PM10的浓度水平还比较高，问题还没得到根本解决，而PM2.5的污染情况较重，如果制定实施PM2.5的环境空气质量标准，将大范围超标。

据了解，目前北京、上海等城市已经自发地开展PM2.5监测。

资料显示，北京在2000年之后设有40多个PM2.5常规监测点，只是从未对外发布其监测结果。

空气中漂浮着各种大小的颗粒物，PM2.5是其中较细小的那部分。

要想测定PM2.5的浓度，需要分两步走：第一步：把PM2.5与较大的颗粒物分离；第二步：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、β射线吸收法和微量振荡天平法。

这三种方法的第一步是一样的，区别在于第二步。

2 重量法
将PM2.5直接截留到滤膜上，然后用天平称重，这就是重量法。

值得一提的是，滤膜并不能把所有的PM2.5都收集到，一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜。

只要滤膜对于0.3微米以上的颗粒有大于99%的截留效率，就算是合格的。

损失部分极细小的颗粒物对结果影响并不大，因为那部分颗粒对PM2.5的重量贡献很小。

重量法测量PM2.5浓度普遍采用大流量采样器，原理为采样泵抽取一定体积的空气进入切割器，将空气动力学直径小于30μm的颗粒物切割分离，PM2.5颗粒随着气流经切割器的出口被阻留在已称重的滤膜上。

根据采样前后滤膜的质量差及采样体积，计算出PM2.5的浓度。

计算公式为：
式中：C——PM2.5的质量浓度，mg/m3；
W2——采样后滤膜质量，mg；
W1——采样前滤膜质量，mg；
F——换算成标准状况下的采样流量，L/min；
t——采样时间，min。

重量法是最直接、最可靠的方法，是验证其它方法是否准确的标杆。

然而重量法需人工称重，程序繁琐费时。

如果要实现自动监测，就需要用到另外两种方法。

3 β射线吸收法
将PM2.5收集到滤纸上，然后照射一束beta射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度和PM2.5的重量成正比。

根据射线的衰减就可以计算出PM2.5的重量。

β射线吸收原理：原子核在发生β衰变时,放出β粒子。

β粒子实际上是一种快速带电粒子，它的穿透能力较强，当它穿过一定厚度的吸收物质时，其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱的现象叫做β吸收。

当吸收物质的厚度比β粒子的射程小很多时，β射线在物质中的吸收，近似为：
式中：
I0——滤纸没有吸附吸收物质时的β粒子记数值；
I——是β射线穿过吸收物质厚度为tm的滤纸的β粒子记数值；
μm——称为质量吸收系数或质量衰减系数，单位为cm2/mg，对于同一吸收物质，μm与放射能量有关；
t m——称为质量厚度，单位为mg/cm2。

β射线源采用放射源14C ，放射能量在100μCi以下，半衰期为5730年，安全可靠。

β射线吸收原理测量PM2.5普遍采用国际上流行的β射线吸收原理自动监测仪，仪器利用抽气泵对大气进行恒流采样，经PM2.5切割器切割后，大气中的PM2.5颗粒物吸附在
β源和盖革计数管之间的滤纸表面，采样前后盖革计数管计数值的变化反映了滤纸上吸附灰尘的质量变化，由此可以得到采样空气中PM2.5的浓度。

首先，盖革计数管电路记录下β射线通过空白滤纸时的强度I1，由式（2）得：
第二步：恒流抽气系统通过PM2.5切割器抽入一定体积的样气，PM2.5颗粒被阻留在仪器滤纸表面上；
第三步：探测器记录下此时β射线的强度，设为I2，由式（2）得：
式中：Δm—— PM2.5的质量厚度，单位为mg/cm2。

假设I0在整个测量过程中保持不变。

综合(3)和(4)，得：
第四步：根据滤纸被探测面积、采样流量和采样时间，计算出PM2.5的质量浓度。

得：
式中：C——PM2.5的质量浓度，mg/m3；
S——探测面积，cm2；
F——换算成标准状况下的采样流量，L/min；
t——采样时间，min。

4 微量振荡天平法
一头粗一头细的空心玻璃管，粗头固定，细头装有滤芯。

空气从粗头进，细头出，PM2.5就被截留在滤芯上。

在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比。

于是，根据振荡频率的变化，就可以算出收集到的PM2.5的重量
5 优缺点
5.1 重量法
重量法大流量采样器测量PM10的缺点是要求人工工作量大，滤膜采样前后需实验室烘干称重，人工换纸和取样，手工计算PM10的浓度，自动化程度低，不适合进行远距离监测，且取日均值时需连续采样12小时以上，不能反映PM10浓度的短时间变化情况，不能对沙尘暴等恶劣天气的变化进行实时反映。

其优点是成本较低。

5.2 β射线吸收原理
β射线吸收原理自动监测仪测量PM10的优点是要求样品量很少，根据实际需要，采样时间1~99min可调，可每小时自动得出一个监测数据，实时反映空气中PM10浓度的变化情况，并可进行数据传输，有利于远程监测和自动控制，并极大的减少了人工工作量。

其缺点是相对成本较高。

6 适用范围
6.1 重量法
重量法大流量采样器适用于近郊或经济条件相对落后的小城市，也可用于PM10污染变化较小的城市，在国内外环境质量评估中应用比较广泛。

6.2 β射线吸收原理
β射线吸收原理自动监测仪适用范围较广，在24小时空气质量连续自动监测中应用广泛。

在污染较重或地理位置重要的地方，β射线吸收原理自动监测仪可有效的反映出空气中PM10污染浓度的变化情况，为环保部门进行空气质量评估和政府决策提供准确、可靠的数据依据。

7.结论
β射线吸收原理PM2.5自动监测仪完全可以替代传统的重量法大流量采样器进行空气中PM2.5浓度的连续自动监测，并能实时、准确反映空气中PM2.5浓度的变化情况，在PM2.5污染浓度变化较大或地理位置重要的地区作用突出，重量法大流量采样器可作为β射线吸收原理PM2.5自动监测仪24小时连续自动监测的必要补充。

参考文献：
[1]国家环境保护局科技标准司编，大气环境分析方法标准，1998.2。

[2]张玉钧，刘文清等，大气中可吸入粉尘（PM10）β射线法测量的理论与数据处理，中国科学院安徽光学精密机械研究所量子电子学报，2001.2。

[3]崔九思，王钦源，王汉平主编，大气污染监测方法（第二版），化学工业出版社，1997。

[4]张文丽，徐东群，崔九思编，空气细颗粒物（Pm2.5）污染特征及其毒性机制的研究进展，中国环境监测第一期，2002。

[5]吴鹏鸣，姚荣奎，鲍子平主编，环境监测原理与应用，化学工业出版社，1991。