试论PM2.5 监测技术及防控技术

姜楠

（辽宁绿海森源环境检测有限公司，辽宁 沈阳110000）

空气中PM2.5 的含量与当地工业规模和排污情况有直接关系。随着我国工业体系的逐步完善，以及产业结构的深化调整，关于PM2.5 防控的技术研究也越来越多。特别是高精度传感元件和智能化检测装置的推广使用，实现了空气中PM2.5 含量的动态监控，同时也为下一步采取防控策略提供了必要的参考。应当认识到，PM2.5 的防控是一项长期、艰巨和持续的工作，不断尝试监测技术、防控技术的研究、应用和推广，才能彻底打赢这场“蓝天保卫战”。

1 PM2.5 的监测技术

1.1 重量法

PM2.5 是直径小于2.5μm的大气颗粒物，可以使用一些孔径在微米级以下的滤膜，将其固定在中空的采样管内，启动采样管一端的吸气设备，以恒定速度抽取空气，使空气定向流动并通过滤膜，这样就可以从空气中捕捉这些微小颗粒，然后使用实验室内专门的称量工具，获得这些颗粒的重量，由此来评估和监测空气中PM2.5 的含量，即为重量法。在运用该方法时，颗粒物的采集方法、实验室称量操作、重量计算公式等，均应符合《环境空气颗粒物（PM2.5）手工检测方法（重量法）技术规范》（HJ656-2013）中的相关规定。

1.2 β 射线吸收法

研究表明，颗粒物对β 射线有一定的吸收作用。利用这一特性，我们可以通过计算β 射线的吸收量，判断空气中PM2.5 的浓度。操作方法为：选取一个中空的采样管，采样管中间使用微米级以下的滤膜将其隔开。在采样管的另一端使用采样泵抽取空气，当空气流过滤膜时，可以在滤膜上获取一定量的颗粒物。然后在实验室环境下，使用β 射线分别照射空白滤膜和采样滤膜，然后对比两片滤膜对β 射线吸收量的多少，由此得到了空气中PM2.5 的质量浓度。

1.3 微量振荡天平法

此种监测方法中核心设备是一台高精度的质量传感器。质量传感器内部有一个空心振荡锥形管，锥形管的顶部为固定端，下部为振荡端。振荡端有一处纳米级的滤膜。在实验室内，使用采样泵制造出1m3/h 的空气流量，空气流经滤膜时，颗粒物因为粒径过大，会被截留在滤膜上。这样一来，滤膜的总重量就会增加，原来的平衡状态被打破，产生振荡。此时质量传感器会根据振荡频率，进而推算出空气中PM2.5 的含量。相比于重量法，微量振荡天平法虽然在操作流程和具体细节上更加繁琐，但是监测精度也有了明显提升，适用于对PM2.5 监测有更高要求情况。

2 PM2.5 的防控技术

对于室外空气中PM2.5 的防控，主要是从源头上采取措施，例如对于高排放的工业企业，要求其必须将废气处理达标后方可排放。本文探讨的PM2.5 防控技术，主要针对室内密闭环境。室内PM2.5 的防控也有很多方法可供选择，比较简单有效的是选择空气较好的天气开窗通风，或是在室内使用空气净化器、适当种植一些绿植等。除了上述常规措施外，还可以尝试以下几种除尘技术:

2.1 吸附技术

使用活性炭可以对空气中的PM2.5 进行有效的吸附，进而达到降低空气中PM2.5 含量的效果。但是作为一种被动防控措施，使用吸附技术防控PM2.5 也有诸多条件限制。首先，在活性炭的材料选择上，要注意材料的孔径必须小于颗粒物的直径，才能发挥截留效果；其次是活性炭的饱和能力。根据质量的优劣，有的活性炭饱和能力强，有效吸附时间更长。在活性炭达到吸附饱和后，必须更换材料，才能继续发挥对PM2.5 的吸附效果。最后，空气必须要适当的流动，让空气吹过活性炭，才能达到很好的吸附效果。如果室内密闭环境下空气流动性差，那么吸附效果也会大打折扣。

2.2 负离子技术

负离子是一种带有电荷的原子，带有电荷后能够对周围微小的颗粒物产生凝聚，这些原本因为质量较小而在空气中漂浮的颗粒物，在负离子的凝聚下，质量增加，进而沉降下来。这样空气中的PM2.5 含量就会降低。使用负离子技术防控PM2.5，并没有将这些颗粒物直接清除掉，而是转换了位置状态，即从空气中沉降到了地面或物体表面。当我们走过地面，或是物体被快速移动时，原本沉降的PM2.5 可能会再次飘散到空气中。因此，使用负离子技术虽然能够在短时间内将空气中PM2.5 的浓度降下来，但是很难做到完全的净化空气。

2.3 静电集尘技术

在一些工业企业的生产车间，可能会产生较多的PM2.5。利用静电吸附作用，可以对空气中的细小粉尘产生强力吸附，达到净化效果。原理是在车间内放置一台静电除尘器，设备启动后会在一定场域内释放出高压静电。当含有一定浓度PM2.5 的空气从该场域流过后，微小颗粒物带上了电荷，然后被吸附在除尘板上。相比于上述的负离子技术，静电除尘的优点在于可以将除尘板拆下并清理表面的颗粒物，然后反复多次使用。另外从净化效果、操作难度上来看，也有一定的优势。

2.4 HEPA过滤技术

HEPA（高效空气过滤器）是目前较为常用的室内PM2.5 防控措施之一。其滤纸采用超细玻璃纤维等多种新型高分子材料组成，直径最小可达0.05μm，因此可以过滤掉大部分PM2.5。根据组成型式的不同，目前市场上可以选择的HEPA包括V型密褶式过滤器、有/无隔板高效过滤器等几种。另外，按照我国的《高效空气过滤器性能试验方法 透过率和阻力》（GB/T6165-2008）中的相关要求，HEPA有2 种规格的过滤器。其中高级别的过滤器应满足对0.1μm的滤除率得到99.9%以上，在防控PM2.5 方面效果明显。

3 一种PM2.5 监测和防治系统的设计

3.1 系统结构组成

该系统主要包含5 个模块，分别是：（1）PM2.5 传感器，用于感知空气中PM2.5 的含量，并将信号反馈给控制中心；（2）单片机。主要负责信号的运算处理，同时根据设定程序，结合预算结果下达相应的控制指令；（3）执行单元。在接收单片机下达的控制指令后，通电并进行喷淋，达到净化效果。（4）电源。外接220V直流电，然后使用变压器降压为5V，为单片机提供稳定运行电压；（5）显示屏。可以显示传感器反馈的PM2.5 浓度参数，以及执行后空气中PM2.5 的浓度参数。系统结构组成如图1 所示。

图1 PM2.5 监测与防治系统结构图

3.2 电子设备的选择

采用GP2Y1010AU0F 光学监测传感器模块。其特点是：（1）传感器在检测如香烟烟雾等非常细的颗粒时，是特别有效的。（2）该装置中，一个红外发光二极管和光电晶体管，对角布置成允许其检测到在空气中的灰尘反射光。（3）该传感器具有极低的电流消耗，可以搭载7VDC的传感器。（4）输出的是一个模拟电压正比于所测得的粉尘浓度，敏感性为0.5V/0.1mg/m3。（5）精度高。传感器中心有个洞可以让空气自由流过，定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。

3.3 系统运作流程

（1）根据具体空气环境设定任意的报警最大值和二分之一最大值。（2）实时、快速检测空气中粉尘浓度（即PM2.5 浓度）。（3）当浓度超出报警二分之一最大值发出光亮警示、超出最大值时发出声光报警。（4）超过最大值时驱动喷洒淋浴装置（小水泵）工作，并启动直流电机正转关闭哨位门窗（电机关闭门窗后即停转）。（5）待空气环境恢复正常PM2.5 值后，淋浴装置关闭。

结束语

在公众环保意识增强的背景下，对于PM2.5 的危害有了更加深刻的认识，采取必要而有效的防控措施，在改善空气质量和保护人体健康等方面有积极作用。特别是在一些工业园区附近，或是雾霾天气较多的地方，必须要动态的做好PM2.5 的监测工作，利用微量振荡天平法或β 射线吸收法，精准的获取空气中PM2.5 的含量。如果含量超标，则需要采取相应的防控措施，通过源头治理与技术防控相结合，营造干净、健康的环境。