拨开云中quot;雾quot;:论PM2.5监测技术与形成机制的研究现状及发展

*尹泽琦

(湖南省长沙市第一中学 湖南 410005)

拨开云中quot;雾quot;:论PM2.5监测技术与形成机制的研究现状及发展

*尹泽琦

(湖南省长沙市第一中学 湖南 410005)

雾霾问题是现今中国经济社会发展进程中面临的一个重要挑战,如果长期得不到解决将会给中国带来越来越大的社会、经济负担.雾霾天气是一种大气污染状态,其中的PM2.5(直径小于等于2.5μm的颗粒物)则被认为是造成雾霾天气的quot;元凶quot;.本文全面分析PM2.5的监测技术以及形成机制,并基于分析数据对PM2.5的监测及防治的发展提出指导意见.

雾霾;PM2.5;监测技术;前驱体

1.前言

近几年里,机场因雾霾延误、取消或转场的航班的新闻比比皆是;城市交通因雾霾天气能见度极低而瘫痪的报道已不再是独家新闻;北京儿童医院在严重雾霾天由于呼吸道感染的日就诊数更是多达3000个.在中国,根据Aaron Cohen调查显示每年2520万人健康生命的损失中有123.4万人是由于大气污染而死亡.影响健康的风险因子有很多,然而这项具有里程碑意义的研究结果表明,空气污染是当今世界首要风险因子之一,对中国和亚洲其他发展中国家的人们造成的影响最大.

在2005年,世界卫生组织WHO就提出了PM2.5,PM2.5是雾霾的主要成分之一,它应环境空气质量标准所满足的二级标准和24小时平均浓度限值分别为35μg/m3和75μg/m3.PM2.5的主要特点是比表面积较大,并且富集重金属元素和有机污染物.作为可入肺颗粒,PM2.5会直接导致心血管病等疾病,增加慢性病患者的死亡率.PM2.5既是局地污染物,也是区域性及全球性污染物,人们展开了深入研究,人们对于它的认识目前只处于初级阶段,还没有系统的研究.同时,我国是全球PM2.5污染的高值区之一,这更加凸显了我们必须采取有效行动以减少污染暴露.

本文主要对目前PM2.5前驱体、质量及化学成分的监测技术进行了总结,并且基于这些监测技术对其形成机制的研究现状进行了讨论,最后希望针对分析结果去思考新的监测方法、最后基于分析数据对PM2.5的防治提出指导意见.

2.PM2.5的监测研究现状

(1)PM2.5的前驱体监测技术

监测PM2.5前驱体的方法主要有化学方法和光学方法.化学方法主要包括电化学法、气相色谱法、化学发光法等.光学方法包括非分散红外光谱技术、非分散紫外光谱技术、激光诱导荧光技术.下面分别对这几种方法的原理进行简要的介绍:

①电化学法主要设计三电极的燃料电池,在一定温度条件下工作电极产生的电流与SO2的浓度成正比.

②气相色谱法主要应用先进的气相色谱仪,分析沸点十分相近、十分复杂和浓度较低的多组分混合物.

③化学发光法应用化学发光池,化学发光辐射的总强度与NO、NO2分子数成正比.

④非分散红外光谱技术是一种基于气体吸收理论的方法,如CO、CO2、SO2等气体在红外波段都有自己的特征吸收吸收带,特征吸收就如同指纹一样具有可识别性,通过不同气体在不同波段的吸收以及特征吸收带对红外能量的吸收便可识别气体以及可以反映气体浓度.

⑤非分散紫外光谱技术以测定SO2为例:SO2气体吸收185～315nm区域的紫外光,吸收带的中心波长为285nm,通过测量中心波长的紫外光,与标准配气室的标准物质比较,得到SO2测定结果.

⑥激光诱导荧光技术是一种可视化的、非接触式的激光测量方法.

(2)PM2.5的浓度监测技术

从2008年开始,美国环保署开展了对自动的PM2.5颗粒物监测仪的认证工作,经过美国环保署认可的PM2.5颗粒物监测仪主要采用如下几种技术:Beta射线法、Beta射线光浊度法、微量天平震荡法,除此之外,人们常用的还有质量法、光散射法以及压电晶体频差法.

(3)PM2.5的化学成分监测技术从化学角度看,PM2.5不是单一的某种物质,而是固体和液体混合的微小颗粒物质.PM2.5的化学成分包括了无机和有机的成分.无机成分一般包括了C、N、S、K、Cl、Fe等无机元素,具体形式表现为炭黑、硫酸盐、硝酸盐、铵盐以及一些重金属粒子.有机成分一般包括了烷烃、甲醛、一氯甲烷、多环芳烃等.常用的化学成分监测技术有无机盐在线测定和有机组分在线测定.

3.PM2.5形成机制研究

(1)PM2.5的化学成分及前驱体

通过监测技术可以了解到PM2.5的具体化学成分及前驱体,PM2.5主要的来源是煤的燃烧、汽车尾气,还有一些其它的因素.煤燃烧过程中会产生大量不易燃烧的粒子,并夹带着未完全燃烧的碳,形成细小固体颗粒,这些细颗粒不但会形成气溶胶,还会催化SO2形成SO3.煤的燃烧会产生SO2,SO2会与空气中的H2O反应,还会被空气中的氧化性物种•OH、H2O2、O3氧化,形成H2SO4,而H2SO4的形成被认为是形成PM2.5的关键步骤.汽车尾气含有未完全燃烧形成的CO、VOCs(挥发性有机化合物),VOCs及其次生产物组成了PM2.5中的有机碳成分,VOCs会与•OH可以催化生成NO2,汽车尾气也会产生SO2.汽车点火还会制造quot;闪电高温quot;条件,使尾气中的NO转变为NO2.此外建筑行业的施工粉尘、粘结剂和添加剂,城市废弃物燃烧产生的颗粒物,热电厂的不完全燃烧和废弃金属也会产生一些颗粒状污染物.

综上所述,PM2.5形成的前驱体主要有SO2、SO3、NO、NO2、VOCs等,关于这些前驱体的在线监测是很重要的,可以对PM2.5的形成源头进行分析,也可以推测PM2.5的化学形成机理.

(2)PM2.5的形成机制

霾目前的形成机制主要归因于气溶胶的形成,气溶胶可分为一次气溶胶和二次气溶胶.一次气溶胶颗粒,主要有两种来源:自然来源(如矿物沙尘、海盐和生物质颗粒)和人为来源(如化石燃料和生物质燃烧过程形成的废气和碳黑粒子),一次气溶胶粒子通常粒径大、质量浓度高,但数浓度低,对霾的贡献有限,主要受排放强度的控制.二次气溶胶颗粒主要指污染源排放入大气中的气体经化学反应后,产生蒸汽压较低的物质,一部分转化为二次气溶胶粒子,一部分生成臭氧,二次气凝胶是构成霾的主要物质,相对湿度决定了二次粒子的生成和低空积累.除了成核过程,低挥发性有机物在颗粒表面的沉积改变粒子的大小和亲水性,即气体-粒子转化过程(gas-to-particleprocess).因此,低挥发物质的聚集将极大加速PM2.5甚至PM10的形成.

4.总结与展望

由于PM2.5成分复杂、各种检测方法特点各异,而且中国不同地方的自然环境差异也较大,因此还没有统一的检测标准方法和仪器设备.而且很多优良的国外进口监测仪器由于国内独特的自然环境、气候条件、污染源等原因而不能正常使用.因此目前PM2.5在线监测还存在比较多的问题.尽快制定相应的国标和提高仪器的使用性能至关重要.

PM2.5的在线监测对于解决PM2.5污染问题十分重要,通过在线监测PM2.5的前驱体、浓度、化学成分可以了解PM2.5的来源以及形成机理从而评估一个地方的大气质量好坏,来对该地的环境治理、产业发展提供指导意见.未来随着自然环境、气候条件的多样化以及污染源的增多,PM2.5的在线监测将会受到更大的挑战,提高监测仪器的性能以及不断改进监测方法至关重要.通过在线监测可知,PM2.5的来源主要是煤的燃烧和汽车尾气,控制汽车尾气的排放、减少工厂废气的排放、提高治理大气污染的技术,尽快实现产业结构的转型升级,这些对于治理PM2.5很重要,因此从源头上扼杀PM2.5的产生需要对症下药.发展新能源技术:加强对于核能、太阳能、风能、潮汐能、地热能等新能源的研发,减少化石能源的直接燃烧利用;发展新能源汽车:汽车已经成为人类社会不可缺少的代步工具,因此不能通过单一的限制出行的方法来减少汽车尾气的排放.

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尹泽琦(2000-),男,湖南省长沙市第一中学;研究方向:化学专业.

Clouds Are Cleared: Research Status and Development of PM2.5 Monitoring Technology and Formation Mechanism

Yin Zeqi
(Changsha No.1 Middle School of Hunan Province, Hunan, 410005)

Haze problem is an important challenge in the process of economic and social development in China today, and if it is not solved in the long term, it will bring more and more social and economic burden to China. Haze weather is a state of air pollution, and PM2.5 (particles with a diameter of less than 2.5 mu m) is considered to be the root cause of haze. This paper comprehensively analyzes the monitoring technology and formation mechanism of PM2.5, and provides guidance for the development of PM2.5 monitoring and control based on the analysis data.

haze;PM2.5;monitoring technology;precursor

T

A