机动车源和民用燃料源颗粒物中有机碳和元素碳的排放特征_王红磊.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023机动车源和民用燃料源颗粒物中有机碳和元素碳的排放特征王红磊1，刘思晗1，孙杰娟2，刘焕武2，赵天良1，裴宇儇1，可玥1，武自豪1，刘诗云3(1 南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，南京210044;2 西安市环境监测站，西安710119;3 中科三清科技有限公司，北京100029)摘要:为了获取机动车源尾气和主要民用燃料源燃烧过程排放的颗粒物中含碳气溶胶的排放特征，使用多功能便携式稀释通道采样器和 Model 5L-NDI 型 OC/EC 分析仪，采集分析了典型机动车源(汽油车、轻柴油车、重柴油车)、民用煤(块煤和型煤)和生物质燃料(麦秆、木板、葡萄树树枝)的 PM10和 PM2.5样品中的有机碳(OC)和元素碳(EC)结果表明，不同排放源释放的 PM10和 PM2.5中含碳气溶胶的质量分数存在显著差异 总碳(TC)在不同源 PM10和 PM2.5中的质量分数范围分别为40.8%68.5%和 30.5%70.9%，OC/EC 范围分别为 1.49 31.56 和 1.90 87.57 不同源产生的含碳气溶胶均以 OC 为主，OC 在PM10和 PM2.5中的质量分数范围分别为 56.3%97.0%和 65.0%98.7%在 PM10和 PM2.5的含碳气溶胶中 OC 质量分数按照从高到低的顺序分别为:型煤 块煤 汽油车 木板 麦秆 轻柴车 重柴车和型煤 汽油车 葡萄树枝 块煤 轻柴车 重柴车 不同源排放的 PM10和 PM2.5颗粒物中含碳气溶胶的主导成分不同，通过含碳气溶胶的成分组成可以准确区分其来源关键词:有机碳(OC);元素碳(EC);颗粒物;排放特征;热光碳分析中图分类号:X513文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-1890-09DOI:1013227/j hjkx202205254收稿日期:2022-05-23;修订日期:2022-07-15基金项目:国家自然科学基金项目(41830965，41805096)作者简介:王红磊(1988 )，男，博士，副教授，主要研究方向为大气气溶胶来源特征，E-mail:hongleiwang nuist edu cnEmission Characteristics of Organic Carbon and Elemental Carbon in PM10and PM2.5from Vehicle Exhaust and Civil Combustion FuelsWANG Hong-lei1，LIU Si-han1，SUN Jie-juan2，LIU Huan-wu2，ZHAO Tian-liang1，PEI Yu-xuan1，KE Yue1，WU Zi-hao1，LIU Shi-yun3(1 Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing 210044，China;2 Xian Environmental Monitoring Station，Xian 710119，China;3 Clear Science Technology Co，Ltd，Beijing 100029，China)Abstract:To study the emission characteristics of carbonaceous aerosol in particulate matter emitted from vehicle exhaust and main civil combustion fuels，organic carbon(OC)and elemental carbon(EC)in PM10and PM2.5samples from vehicle sources(gasoline vehicles，light duty diesel vehicles，and heavy duty diesel vehicles)，civil coal(chunk coal and briquette coal)，and biomass fuels(wheat straw，wood plank，and grape branches)were collected and analyzed by using a multifunctional portable dilutionchannel sampler and the Model 5L-NDI OC/EC analyzer The results showed that there were significant differences in the proportion of carbonaceous aerosols in PM10andPM2.5from different emission sources The proportions of total carbon(TC)in PM10and PM2.5of different emission sources were 40.8%-68.5%and 30.5%-70.9%，respectively，and the OC/EC were 1.49-31.56 and 1.90-87.57，respectively The carbon components produced by different emission sources were dominated by OC，and theOC/TC values in PM10and PM2.5were 56.3%-97.0%and 65.0%-98.7%，respectively The proportions of OC in carbonaceous aerosols in PM10and PM2.5were in thedescending order of:briquette coal chunk coal gasoline vehicle wood plank wheat straw light duty diesel vehicle heavy duty diesel vehicle and briquette coal gasoline car grape branches chunk coal light duty diesel vehicle heavy duty diesel vehicle，respectively The main components of carbonaceous aerosols in PM10andPM2.5emitted from the various emission sources were different，and source apportionment of carbonaceous aerosols could be accurately distinguished by their ingredientcomposition profilesKey words:organic carbon(OC);elemental carbon(EC);particulate matter;emission factor;thermal/optical carbon随着近几十年来我国经济的快速发展，城市群效应日益增强，以大城市为中心的城市群人口密集、工业和商业集中，人为源已成为影响区域空气质量的最主要原因 气溶胶除了降低能见度形成霾污染外，还会影响全球辐射平衡、携带有毒有害物质影响人体健康以及作为云凝结核影响降雨过程等1 5 含碳气溶胶作为大气颗粒物的重要组成，在城市地区可占到 PM2.5质量浓度的 40%6，7 含碳气溶胶主要由有机碳(organic carbon，OC)和元素碳(elemental carbon，EC)组 成 EC 又 被 称 为 黑 碳(black carbon，BC)，主要来自燃料的不完全燃烧过程，如机动车尾气排放、工业燃煤、烹饪和生物质燃烧等过程8 10 EC 是气溶胶中最重要的吸收性组分，在城市地区可以通过穹顶效应和火炉效应影响边界层结构发展，进而影响大气污染物的扩散过程11，12 此外，传输到边界层以上的 EC 气溶胶可以在大气中长期停留，吸收太阳辐射，加热大气，进而影响全球气候变化13 OC 包含上百种成分复杂的有机物，其形成过程和来源更加复杂多变，包括一次4 期王红磊等:机动车源和民用燃料源颗粒物中有机碳和元素碳的排放特征有机气溶胶和二次有机气溶胶14 16 OC 中包含多种有毒有害的多环芳香烃、烷烃、酯类和有机酸等物质，危害人体健康 OC 多为散射性组分，大气中的OC 可以散射太阳辐射，起到冷却大气的效果16 18 鉴于含碳气溶胶的重要性，国内外已针对其时空分布、传输机制、源汇特征、健康效应和气候效应等方面开展了广泛的研究11 17，19 25 我国针对含碳气溶胶的研究主要集中在京津冀、长三角、珠三角和四川盆地等城市群地区4 6，19 21，23 32 李杏茹等26 发现北京 2008 年奥运会期间平均有 56%、55%和 73%的 PM、OC 和 EC 富集于粒径 2.1 m的细粒子中 Zhao 等27 发现京津冀地区 OC 和 EC在春夏季质量浓度较低，而在秋冬季质量浓度较高，这主要是由于取暖季造成的气溶胶排放源变化导致 谢添等28 通过 2015 2019 年长期观测数据发现南京 OC 和 EC 均呈现出冬高夏低的季节特征，根据 OC/EC 特征比值判断，燃煤源和生物质燃烧源的贡献有所下降，工业源与机动车排放源的影响日益显著 吕欢等29 发现 BC 对光解系数的衰减能力随着 AODBC增大而下降 Andreae 等30 发现广州城区OC/EC 的值为 3.6 1.1，这主要是由于区域霾过程中的高浓度 OC 和具有较低 OC/EC 值的局部排放(主要来自交通源)共同作用造成 Pei 等32 基于2018 2019 年的一年在线观测数据发现，广州当地交通源产生的机动车尾气是含碳气溶胶的主要来源 杨国威等33 发现民用煤燃烧排放的颗粒物及其载带的碳组分集中在细颗粒物上，碳组分的质量中值粒径均小于 2.5 m 梅德清等34 发现柴油机原排、实验室排空和地下停车场的大气颗粒物的 OC/EC 分别为 0.92 2.50、1.40 2.53 和 2.36 4.82 林孜等35 发现鞍山道路扬尘中含有较多的OC 马妍等36 发现天津市春季道路扬尘中碳组分主要来源于燃煤、机动车尾气以及生物质燃烧 刘亚男等37 发现薪柴(栗树枝、桃树枝、松木)、秸秆(玉米芯、玉米秆、黄豆秆、草梗)和民用煤(蜂窝煤、烟煤)这三类物质燃烧排放 VOCs 的物种分类差异较大 胡志远等38 发现国柴油公交车尾气颗粒物碳质组分中 OC 占 73%82%，OC 的主要组分是 OC2 和 OC3，生物柴油对车辆尾气颗粒物 OC 组成比例没有影响我国目前针对含碳气溶胶的理化特征已经开展了深入的研究，但是针对含碳气溶胶排放源的研究还相对较少24 31 OC 与 EC 的比值和相关性分析等多被用作含碳气溶胶排放源识别以及判定二次颗粒物污染的重要指标6，8，21 23 国内近年来针对含碳气溶胶不同来源的排放特性的研究日益增多33 38，但是相比国外相关研究还是非常欠缺 基于我国城市地区典型污染源含碳气溶胶排放特征的研究，对于大气颗粒物中含碳气溶胶准确溯源以及减排治理具有非常重要的实用和科学价值 基于此目的，本文使