雾霾形成原因及PM2.5检测方法

雾霾

雾霾，顾名思义是雾和霾。但是雾是雾，霾是霾，雾和霾的区别很大。

二氧化硫、氮氧化物以及可吸入颗粒物这三项是雾霾主要组成，前两者为气态污染物，最后一项颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首。它们与雾气结合在一起，让天空瞬间变得灰蒙蒙的。颗粒物的英文缩写为PM，北京监测的是PM10，也就是直径小于10微米的污染物颗粒。城市有毒颗粒物来源：首先是汽车尾气。使用柴油的大型车是排放PM10的“重犯”，包括大公交、各单位的班车，以及大型运输卡车等。

第二：北方到了冬季烧煤供暖所产生的废气。

第三：工业生产排放的废气。比如冶金、窑炉与锅炉、机电制造业，还有大量汽修喷漆、建材生产窑炉燃烧排放的废气。

第四：建筑工地和道路交通产生的扬尘。

雾——雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统。

霾——霾（mái），也称灰霾（烟霞）空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子也能使大气混浊。

近些年来，随着空气质量逐渐恶化，雾霾天气现象出现频率越来越高，它们在人们毫无防范的时候侵入人体呼吸道和肺叶中，从而引起呼吸系统疾病、心血管系统疾病、血液系统、生殖系统等疾病，诸如咽喉炎、肺气肿、哮喘、鼻炎、支气管炎等炎症，长期处于这种环境还会诱发肺癌、心肌缺血及损伤。

（一）自然环境的原因。一方面，2012年入冬以来，影响我国的冷空气活动较常年偏弱，风速小，风力弱，大气层比较稳定，大部地区稳定类天气出现频率明显偏多，尤其是华北地区高达64.5%，出现为近10年最高，频繁出现的稳定天气造成污染物在近地面层积聚，从而导致雾霾天气多发；另一方面，因我国冬季气溶胶背景浓度高，地区近地面空气相对湿度比较大，在冷空气较弱和水汽条件较好的大尺度大气环流形势下，近地面低空为静风或微风，受大范围静稳天气的原因，沙尘的叠加，偏南气流，湿度大，水汽使干细的粒子迅速膨胀，也催

生了雾霾形成。

（二）环境污染的原因。PM2.5是形成雾霾天气的主要原凶，使用柴油的大型车是排放PM2.5的“重犯”，包括大公交、各单位的班车，以及大型运输卡车等。使用汽油的小型车虽然排放的是气态污染物，比如氮氧化物等，但碰上雾天，也很容易转化为颗粒污染物，加重雾霾，进一步催化雾霾天气的形成，加剧雾霾发展。雾霾形成的另一个原凶，是冬季燃煤产生的二氧化硫及有机物、工业生产排放的废气、大量汽修喷漆、建材生产窑炉燃烧排放的废气、建筑工地和道路交通产生的扬尘，这些悬浮污染物在静稳空气中产生化学反应，转变成大的粒子，也促进了雾霾天气的形成。

（三）地理环境的原因。现在城市里大楼越建越高，阻挡和摩擦作用使风流经城区时明显减弱，促使静风现象增多，导致在垂直方向上出现高空的气温比低空气温更高的逆温现象，逆温层好比一个锅盖覆盖在城市上空，使得大气层低空的空气垂直运动受到限制，空气在水平和垂直方向流动性均非常小，大气扩散条件非常差，受近地面静稳天气控制，扬尘基源和运动差过程中形成空气中的悬浮微粒，难以向高空飘散而被阻滞在低空和近地面，受其控制，城市无论规模大小，其局地交通、生活、生产所需的能源消耗的污染物排放均在低空不断积累，最终集聚在一定空间范围内，与水分子结核集聚成霾。与此同时，由于雾霾天气的湿度较高，水汽较大，雾滴提供了吸附和反应场所加速反应性气态污染物向液态颗粒物成分的转化，同时颗粒物也容易作为凝结核加速雾霾的生成，两者相互作用，迅速形成污染。（四）追求经济发展的原因。在发展就是硬道理的思想指导下，我国以经济建设为中心，长期把国内生产总值（GDP）作为衡量一切的标准。追求GDP本身没有错，错在盲目上。西方国家用了几百年才能完成的事，我们非要几十年就完成，殊不知我们同时也是在用几十年的时间制造了几百年的污染。另外对于引进外资各国都有规定，而像我国这样来者不拒，多多益善的没有第二家，其结果是中国变成了世界工厂，给全世界的知名企业打工，然后把利润送给人家，把污染留给自己，既浪费了宝贵的资源又污染了生存的环境。同时，为扩大内需，没有考虑我国人口众多的国情，道路承载的能力，大力发展汽车产业，鼓励国人购置，忽略这么多汽车尾气对大气污染的后果，据专家介绍汽车尾气排放已占到PM2.5的20%—25%。国人为图方便，企业为了赚钱，国家为了GDP，

当然污染的后果不仅催生了雾霾的产生，还导致了环境的恶化。

PM2.5的检测方法

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。

1.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。

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。

2.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；

tm——称为质量厚度，单位为mg/cm2。

β射线源采用放射源14 C，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。

3.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

4.优缺点

4.1 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。

4.2 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。

5.适用范围

5.1 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。

5.2 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。

6.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。