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贵阳市秋冬季大气颗粒物化学组分特征分析

2023-09-01 247 上传者：管理员

摘要：为研究贵阳市秋冬季节大气颗粒物化学组分特征,于2021年11月18日—2021年12月4日在花溪区、乌当区、息烽县、修文县同步采集PM10和PM2.5样品,并对其质量浓度、水溶性离子、碳组分和无机元素进行了分析。结果表明PM10质量浓度呈花溪区>息烽县>修文县>乌当区的分布特征,PM2.5质量浓度呈息烽县>花溪区>修文县>乌当区的分布特征;PM10、PM2.5中水溶性阳离子以Ca2+、NH4+、K+为主,花溪区Ca2+、K+的含量相对较高,阴离子以SO42-、NO3-、Cl-为主,息烽县SO42-、NO3-<...更多。

关键词：
化学组分
大气颗粒物
工程化学
特征分析
贵阳市
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颗粒物包括可入肺颗粒物（PM2.5，指大气中空气动力学等效直径等于或小于2.5μm的大气颗粒物的总称）和可吸入颗粒物（PM10，指空气动力学当量直径等于或小于10μm的颗粒物）。颗粒物的来源主要包括自然过程和人为排放，其元素组成极其复杂，几乎包含元素周期表所有元素。颗粒物通过影响大气的直接辐射和间接平衡，进而影响区域/全球气候变化；通过散射/吸收可见光，使大气水平能见度下降，阻碍路面、水路和空中交通；对生态系统造成影响；流行病学研究表明，暴露在高浓度颗粒物中，能够导致呼吸道和心血管系统疾病增加[1,2,3,4]。鉴于颗粒物对气候、环境和人体的影响，相关的研究需要在不同地区不同点位进一步开展。

贵阳市作为贵州省的省会城市和黔中区域核心城市，其空气质量备受关注。2016—2020年期间，贵阳市PM10、PM2.5分别下降1.58μg/m3和0.99μg/m3[5]。虽然贵阳市颗粒物已经达到我国环境空气年均值二级标准，但离世界卫生组织（WHO）指导值（15μg/m3）仍有很大差距，且在秋冬季节，细颗粒物的污染问题仍较为突出，下辖区县仍存在细颗粒超标的情况。鉴于此，本研究通过对贵阳市花溪区、乌当区、修文县和息烽县四个区县的颗粒物化学组分特征进行分析，解析空气中颗粒物的来源情况，为有效开展颗粒物污染防治提供科学依据。

1. 材料与方法

(1）采样点设置。在贵阳市空气质量自动监测站点（国控、省控）附近设置了4个颗粒物采样点位，从南往北依次为花溪区（碧云窝国控站点）、乌当区（燕子冲国控站点）、修文县（龙岗山省控站点）和息烽县（坪上站省控站点）。

(2）样品采集。样品采集时间为2021年11月18日—2021年12月4日，每日22:00—次日20:00四个采样点进行PM10和PM2.5的同步采样。如果采样期间遇到下雨情况，则暂停颗粒物采样。采样仪器使用青岛金仕达智能颗粒物中流量采样器（型号：KB-120F），采样时流量为100L/min。

(3）分析组分及方法。采用重量法分别测量PM10和PM2.5样品的质量浓度；采用原子吸收、X荧光光谱、离子色谱等分析方法分别测量PM10和PM2.5样品中的碳组分（OC、EC）、水溶性离子组分（NH4+、Al3+、Ca2+、K+、Mg2+、Na+、F-、Cl-、NO3-、SO42-、NO2-、PO43-）、无机元素（Fe、Ca、Si、Mg、Al、Na、K、Zn、Cu、As、Pb、V等）。

2. 分析与讨论

(1)PM10和PM2.5碳组分含量分析

通常EC为生物质或化石燃料在不完全燃烧的情况下的产物，OC除了来自燃烧源的一次排放外，还来自VOCs等前体物的二次转化[6]。由图1可知，贵阳市PM10中OC、EC的平均浓度分别为7.41（±4.01）μg/m3、1.85（±0.79）μg/m3;PM2.5中OC、EC的平均浓度分别为6.5（±3.46）μg/m3、1.77（±0.67）μg/m3。比之2013年[7],OC和EC浓度分别下降了56.34%、53.78%。在四个区县中，花溪区PM10和PM2.5中的OC和EC浓度最大，乌当区PM10和PM2.5中的OC和EC浓度最小。

图1不同点位PM10和PM2.5中碳组分含量分析

OC与EC的比值在一定程度上能判断大气中是否有二次有机气溶胶（Secondary Organic Aerosols,SOA）生成，当OC与EC的比值大于2时，OC中有二次气溶胶生成，OC与EC的值较高时，受生物质燃烧的影响大；OC与EC的比值较低，大约为1.1～3.0时，受燃煤或机动车的影响大[8]。在四个区县中，修文县PM10和PM2.5中OC/EC的值最大，分别为4.43和4.41；乌当区PM10和PM2.5中OC/EC的值最小，分别为3.39和3.09。由此可见，在采样期间修文县OC与EC受生物质燃烧的影响相对较大，乌当区OC与EC受生物质燃烧的影响相对较小。

(2)PM10和PM2.5水溶性离子含量分析

水溶性离子作为大气颗粒物的重要组成部分，与大气颗粒物有着相似的来源[9]。由图2可知，贵阳市PM10中的水溶性阳离子以Ca2+、NH4+、K+为主，其中：Ca2+的含量最高，含量最大为花溪区，浓度为3.18（±2.88）μg/m3，含量最小的乌当区，浓度为0.85（±0.24）μg/m3,Ca2+是典型的地壳元素，主要来源于道路扬尘或工地扬尘[10]。由此可见，花溪区PM10中水溶性离子的含量受道路扬尘或工地扬尘的影响较大；其次是NH4+,NH4+含量最大的为修文县，浓度为1.33（±2.88）μg/m3，含量最小的花溪区，浓度为0.52（±0.24）μg/m3,NH4+主要来源于农业活动、动植物腐败过程及生活污水[11]，由此可见，修文县PM10中水溶性离子的含量受农业活动较大；K+是生物质燃烧的特征物质[12]，花溪区PM10中K+的含量在四个区县中最大。由此可见，花溪区PM10中水溶性离子的含量受生物质燃烧的影响较大。贵阳市PM10中的水溶性阴离子以SO42-、NO3-、Cl-为主，其中：SO42-的含量最高，其次为NO3-，息烽县的SO42-、NO3-浓度在四个区县中最高，其浓度大小分别为6.02（±3.11）μg/m3、3.70（±1.70）μg/m3；修文县的SO42-、NO3-浓度在四个区县中最低，较之息烽县分别低了42.31%和36.35%。

图2不同点位PM10和PM2.5中水溶性离子含量分析

贵阳市PM2.5中水溶阳离子也是以NH4+、Ca2+、K+为主，但与PM10中有所差别的是PM2.5中NH4+的含量最高，其次是Ca2+和K+。在四个区县中，息烽县NH4+的浓度最大，其浓度为1.90（±1.63）μg/m3；花溪区的Ca2+和K+浓度都最大，其浓度分别为0.46（±0.39）μg/m3、0.21（±0.17）μg/m3。PM2.5中水溶阴离子的特征与PM10基本一致。

(3)PM10和PM2.5无机元素含量分析

无机元素是大气颗粒物的主要组成成分，无机元素又包括地壳元素和人类活动示踪元素[13]。由图3可知，贵阳市大气颗粒物中的无机元素含量以地壳主量元素为主，其中：PM10中含量最大的无机元素为Ca，其次为Si，两种元素含量大约占了PM10中无机元素含量的55.44%;PM2.5中含量最大的无机元素为Si，其次为Ca，两种元素含量大约占了PM2.5中无机元素含量的59.27%。在人类活动示踪元素中，以Mg和Zn为主，两种元素含量大约占了PM10中无机元素含量的6.69%和1.72%，在PM2.5无机元素中大约占了6.46%和1.79%。其它元素为V、Cr、Mn、Ni、Cu、Pb、As、Cd、Hg、Ti等重金属元素，PM10中其它元素大约占了无机元素含量的4.07%,PM2.5中其它元素大约占了无机元素含量的4.47%。在四个区县中，PM10中Ca和Si浓度最大的为花溪区，浓度分别为1.63（±1.02）μg/m3和1.30（±2.51）μg/m3。由此可知，花溪区PM10中无机元素含量受地壳元素的影响相对较大。PM2.5中Si浓度最大的为息烽县，浓度为1.76（±3.77）μg/m3,Ca浓度最大的为花溪区，浓度为0.65（±0.63）μg/m3。由此可知，息烽县和花溪区PM2.5中无机元素含量受地壳元素的影响相对较大。

图3不同点位PM10和PM2.5中无机元素含量

3. 结论

(1）在贵阳市四个区县中，PM10、PM2.5中OC与EC浓度最大的为花溪区，浓度最小的为乌当区。从OC/EC比值来看，采样期间修文县碳组分受生物质燃烧的影响相对较大，乌当区受生物质燃烧的影响相对较小。（2）水溶性阳离子以Ca2+、NH4+、K+为主，表明水溶性离子受道路扬尘、工地扬尘或生物质燃烧的影响较大；水溶性阴离子以SO42-、NO3-、Cl-为主，四个区县中SO42-、NO3-含量最高为息烽县，最低的为修文县。（3）无机元素含量以地壳元素为主，含量最高的为Ca和Si，息烽县和花溪区无机元素含量受地壳元素的影响相对较大。

参考文献:

[1]杨员,刘豪,徐鹏,冯培松,王永红.贵州省大气污染防治进展､现存挑战及对策建议[J].环保科技,2022,28:1-7+40.

[2]刘盈盈,殷宝辉,王静,等.济南冬季大气重污染过程颗粒物组分变化特征[J].环境化学,2018,37(12);2749-2757.

[3]王珍,郭军,陈卓.贵阳市秋､冬季PM2.5)中碳组分污染特征及来源分析[J].地球与环境,2015,43(03);285-289.

[4]孙有昌,姜楠,王申博,段时光,张瑞芹.安阳市大气PM(2.5)中水溶性离子季节特征及来源解析[J].环境科学,2020,41(01):75-81.

[5]肖德安,徐浩,池继松,等.贵阳市城区PM(1o)和PM(2.5y水溶性离子特征分析[J].中国环境监测,2021,37(4):65-74.

[6]张勇,陈荣祥,陈卓,保玉心.遵义市PM2.5y中水溶性离子的污染特征及来源解析[J.地球与环境,2020,48(05):552-557.

[7]孙佳侯,董喆,李利萍刘洋,陈红阳,张瑞芹.洛阳市大气细颗粒物化学组分特征及溯源分析[J].环境科学,2021,42(12):5624-5632.

文章来源:焦树友,王炜,陈远航等.贵阳市秋冬季大气颗粒物化学组分特征分析[J].当代化工研究,2023(17):45-47.