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PM2.5监测仪器的技术之争

行业聚焦点中国仪表网2012年04月26日 08:51人气:11804

  导读:今年,京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及各直辖市、省会城市和计划单列市要按照新的《环境空气质量标准》开展监测工作。由中国环境监测总站承担的PM2.5监测仪器比对工作还未结束,对于地方环境监测部门来说,现在该如何选择监测仪器?基于不同原理研发的监测仪器,为何会有较大差距?
  
  PM2.5这个小颗粒引起的大争议还在继续。
  
  眼下,各地环保部门正在积极筹措加强环境空气质量监测工作,监测行业成为备受关注的焦点。根据初步估算,全国388个地级以上城市购置相关监测设备需要20多亿元。
  
  今年年初,一则关于PM2.5监测设备的报道引人注目:振荡天平法仪器的监测结果较β射线法偏低15%~17%,这也是去年北京市环保局的监测数据比美国大使馆低的原因之一。事实是否真的如此?
  
  今年,京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及各直辖市、省会城市和计划单列市要按照新的《环境空气质量标准》开展监测工作。由中国环境监测总站承担的PM2.5监测仪器比对工作还未结束,对于地方环境监测部门来说,现在该如何选择监测仪器?基于不同原理研发的监测仪器,为何会有较大差距?
  
  监测PM2.5到底难在哪?
  
  振荡天平法和β射线法仪器测得的数值都要与手工采样结果进行比对
  
  “振荡天平法和β射线法的测量原理都没有错,不能笼统地说哪个偏高或偏低,这两种方法测得的数据都不是真值。颗粒物的构成很复杂,不像二氧化硫等污染物那样容易测量,各地的颗粒物成分也可能不同,监测工作因此就更为困难。现在,以手工采样的重量法作为基准,其他方法的监测值是否准确,要与手工采样的结果进行比较,手工采样测得的数值才被认为是真值。”中国环境监测总站大气室主任王瑞斌告诉记者,虽然手工采样也可能有颗粒物损失等问题,但在目前技术水平所能达到的范围内,就认为这是基准。
  
  2011年11月1日,《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》(HJ618—2011)开始实施。所谓重量法,是指分别通过具有一定切割特性的采样器,以恒速抽取定量体积空气,使环境空气中PM2.5和PM10被截留在已知质量的滤膜上,根据采样前后滤膜的重量差和采样体积,计算出PM2.5和PM10的浓度。
  
  振荡天平技术是上世纪80年代,由美国R&P公司应用于环境颗粒物自动监测领域的。在仪器中测量样品质量的微量振荡天平传感器主要部件是一支一端固定、另一端装有滤膜的空心锥形玻璃管,样品气流通过滤膜,颗粒物被收集在滤膜上。在工作时,空心锥形玻璃管处于振荡状态,振荡频率会随着滤膜上收集颗粒物质量的变化发生改变,仪器通过准确测量频率变化得到颗粒物的质量,然后根据收集这些颗粒物时采集的样品体积计算出样品的浓度。
  
  “但是,在测量过程中,为了消除水汽影响,需要加温,但加温过程会造成颗粒物中挥发性物质的损失,从而影响数据准确性。”王瑞斌告诉记者。为了解决这一问题,赛默飞研制出了滤膜动态测量系统(Filter Dynamic Measurement System,以下简称FDMS),可对仪器结果进行校准。
  
  “FDMS不是某种补偿措施,而是真正意义上能够准确测量到挥发性颗粒物,这是FDMS的设计初衷。”赛默飞世尔科技(中国)有限公司中国商务运营总监周晓斌强调。
  
  在β射线法PM2.5颗粒物监测仪中,样品气体的相对湿度被调整到35%以下,样品进入仪器主机后颗粒物被收集在可以自动更换的滤膜上。滤膜两侧分别设置了β射线源和β射线检测器。随着滤膜上收集的颗粒物越来越多,颗粒物质量也随之增加,β射线检测器检测到的β射线强度也会相应地减弱。仪器通过分析β射线检测器的信号变化得到一定时段内采集的颗粒物质量数值,结合相同时段内采集样品体积,最终得出采样时段的颗粒物浓度。
  
  据介绍,PM2.5监测的最大挑战就是水的问题和挥发性颗粒物的捕捉问题。即使采用手工采样,也会出现这些问题。采访中,周晓斌一直在强调,“只有发明了FDMS,才能真正测量PM2.5中挥发性颗粒物的情况”。
  
  而业内专家表示,加装FDMS后,仪器的维护更为复杂,尤其是在国内颗粒物成分复杂的情况下。
  
  周晓斌也承认,加装了FDMS后,维护工作量会增加。“振荡天平法仪器在美国的使用率达到62%左右,捕捉了别的方法不能捕捉的东西,这是有代价的,包括价格、维护等方面。目前,我们已经对这一仪器进行了改良,并在努力提高售后服务的能力。”
  
  该如何选择监测仪器?
  
  组织开展PM2.5手工标准方法和自动监测方法的比对测试
  
  对于正在筹备PM2.5监测工作的全国各地环保部门来说,该如何选择监测仪器?据记者了解,由中国环境监测总站牵头的比对工作正在进行,目前还没有形成最终报告。
  
  为确保“十二五”PM2.5监测工作顺利开展,中国环境监测总站在去年12月开始着手准备PM2.5自动监测方法适用性比对测试工作,并制定了《PM2.5自动监测方法适用性比对测试实验方案》。
  
  根据中国环境监测总站网站的消息,参考美国EPA对PM2.5自动监测仪器的认证方法,以我国手工监测标准方法为标准,要对不同厂家、不同原理的环境空气自动监测仪进行单机比对测试,以全面了解PM2.5监测中的β射线方法、β射线方法联用湿度补偿和光散射法、振荡天平(TEOM)方法、振荡天平联用膜补偿测量方法(TEOM-FDMS)等国内外主流监测方法与手工标准监测方法之间的差异,为我国“十二五”空气监测工作中PM2.5监测技术路线确定、监测技术规范编制提供技术支持。
  
  2012年1月8日起,中国环境监测总站大气室先后调集了美国赛默飞世尔科技公司、美国MetOne公司、河北先河环保、北京中晟泰科公司、武汉天虹公司、安徽蓝盾光电子公司等国内外企业的9种PM2.5自动监测仪器,以及美国赛默飞世尔科技公司、德国Derenda公司、武汉天虹公司等国内外厂家的4种手工采样监测仪器。
  
  2012年1月中旬开始,中国环境监测总站根据已编制的PM2.5监测方法适用性测试方案,组织开展了PM2.5手工标准方法和自动监测方法的比对测试。
  
  “我们所做的是尝试给大家一个建议,但目前还没做完。对于这个测试,我们非常慎重,数据要足够充分,才能证明选型是合适的。如果达到这一标准,我们会在合适的时候公布一些型号。但目前的测试多是在污染较少、干燥天气下进行的,影响仪器性能的大雾天气较少,还需要进一步测试。”
  
  王瑞斌提醒,不要纠结于原理,每一种原理都有很多厂家采用,涉及的仪器有很多型号,但不是所有都可以用,要重结果而不是重原理,关键是要测量准确。“仪器出现误差是很自然的现象,我们对仪器误差是认可的。一个高10%,一个低10%,20%就出来了。如果大家采用了国家认可的型号,结果就是国家认可的。”
  
  相比而言,采用振荡天平法技术的企业较少,国外主要是美国赛默飞世尔公司,安徽蓝盾光电子、武汉天虹等国内厂商也都吸收和引进了这一技术并生产出自己的设备。美国赛默飞世尔、美国METONE、先河环保、武汉天虹等国内外企业生产β射线法监测设备。
  
  南北方不同的气候条件对仪器有不同要求吗?“如果实验数据表明在南北方不同的条件下,仪器表现有差别,会出台明确意见,如果没有数据支撑,不能想当然地说南方或者北方不能用什么。”王瑞斌说。
  
  美国花了10年,我们用几个月行吗?
  
  竞争是必须的,希望是良性的竞争,对市场、企业、用户、政府、技术发展革新都有好处
  
  今年3月,记者在北京见到了赛默飞世尔科技空气质量仪器副总裁兼总经理MichaelNemergut。他表示,赛默飞已经拜访了美国大使馆,希望能将它们的仪器也放到美国大使馆进行PM2.5监测,但目前还没形成相应的机制。
  
  “对于PM2.5的监测问题,美国花了10多年的时间来研究,中国要用几个月时间来跨越,挑战性无疑是很大的。中国没有必要也不应跟着美国走,中国比美国的情况更复杂,但国内应该可以从中借鉴经验,将自己的工作做得更好。”周晓斌说。
  
  据介绍,美国EPA对于PM2.5的监测始于1999年,但在2008年之前,一直采用联邦参比法(简称FRM)也就是手工称重法作为标准方法监测并报送数据。从2008年开始,EPA开始使用联邦等效法(简称FEM),并先后认证了6台监测仪器,包括振荡天平法、β射线法等。
  
  周晓斌告诉记者,美国目前还有大批未经EPA认证的PM2.5监测仪器仍在使用,经过EPA认证后的PM2.5监测仪器要加装FDMS,但这并不是强制标准。如果加装了FDMS,监测结果会被认定为FEM结果,没有加装FDMS的监测结果会被认定为PRE-FEM结果,都需要与FRM进行比对校准。“FEM结果需要每6天与FRM结果比对一次,而PRE-FEM的监测结果需要每3天比对一次。”
  
  虽然各种争论和报道不断出现,但国内对PM2.5监测仪器的大规模采购尚未开始。对于这个即将开启的市场,国内外相关监测仪器企业都在密切关注。
  
  在中国环境监测总站进行的比对测试中,河北先河环保公司的XHPM-2000E监测仪(PM2.5自动监测仪)也在其中。先河环保在今年2月20日的一份澄清公告中表示,“目前,公司在PM2.5自动监测仪技术及产品方面均有充分储备,能够满足政府不同层次的采购需求。”
  
  “竞争是必须的,没有竞争就没有发展。我们希望是良性的竞争,对市场、企业、用户、政府、技术发展革新都有好处。赛默飞可以提供EPA认证的6款仪器中的4款。我们有更宽的产品线,可以满足不同客户的需求。如果选择价格低廉、维护工作量小的,我们有β射线法;如果资金宽裕,考虑挥发性颗粒物,则可用振荡天平法。”周晓斌说。
  
  据介绍,监测仪器的生命周期一般为6~8年,如何在这样一个周期内保证稳定运行,是各地环境监测部门在采购仪器时必须慎重考虑的问题。
  
  根据周晓斌提供的数据,赛默飞目前在国内市场售出的PM2.5监测仪器有100多台,包括振荡天平法和β射线法。
  
  对于赛默飞仪器在国内外的价格差异,周晓斌说,赛默飞在国内市场销售的仪器根据不同原理和不同配置,价格在十几万元到三十几万元之间,“国内市场价格不是简单地用美国市场价格乘以汇率得来的,还要加上7%的关税、17%的增值税、运费等。国内是竞争性很强的市场,我们不可能在美国卖10元,在国内卖12元。”
(本文来源:中国环境报转载请注明出处
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