淮南市不同功能区大气PM_...学组分季节分布及其来源解析_张婧伟.pdf

引用格式：张婧伟，杜诗文，周雪明，等淮南市不同功能区大气 的化学组分季节分布及其来源解析安全与环境工程，（）：，（）：淮南市不同功能区大气 的化学组分季节分布及其来源解析张婧伟，杜诗文，周雪明，王晴晴，左栋，杨雨灵，覃园园，秦娟娟，杨艳蓉，石绍萱，谭吉华，彭思怡（太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 ；中国科学院大气物理研究所，北京 ；中国科学院大学资源与环境学院，北京 ；北京中科数源科技公司，北京 ）摘要：为研究淮南市不同功能区 年大气细颗粒物（）的季节污染特征及其来源情况，采用热光碳分析仪、离子色谱仪和电感耦合等离子体质谱仪分别对淮南市八公山区政府、潘集区和师范学院个采样站点不同季节大气 滤膜样品中碳质组分、水溶性无机离子和无机元素进行检测分析。结果表明：采样期间，在潘集区采样站点大气 的污染最为严重，其季节变化特征表现为冬季春季秋季夏季；从大气 中各组分的质量浓度年平均值来看，在潘集区采样站点碳质组分和无机元素的污染最为严重，而在师范学院采样站点水溶性无机离子的污染最严重；从大气 中各组分的质量浓度季节变化来看，在秋季碳质组分的平均质量浓度最高、夏季其平均质量浓度最低，在春、冬季水溶性无机离子的平均质量浓度高于夏、秋季，无机元素呈现出夏季春季秋季冬季的季节变化规律；模型污染源解析结果显示，淮南市大气 污染主要来自燃煤排放源和机动车排放源。关键词：；水溶性无机离子；无机元素；碳质组分；季节分布；源解析；淮南市中图分类号：文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（、）作者简介：张婧伟（），女，硕士研究生，主要研究方向为材料成形先进制造技术。：通讯作者：王晴晴（），女，博士，特别研究助理，主要从事大气气溶胶理化特性方面的研究。：，（，；，；，；，）：（），第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，；：；细颗粒物（）是主要的大气污染物，除了影响空气质量外，它还与气候变化相关，并且危害生态系统和人体健康。而这些作用效果与 的化学组分密切相关，所以 及其化学组分的研究是目前大气污染研究的热点问题，而评估大气污染特征和水平是防治大气污染的前提条件。当前安徽省淮南市处于产业转型及能源结构调整期，煤炭消耗量大、电力企业围城、工业企业污染治理水平偏低、城市机动车增长迅速、扬尘等使得当地空气质量问题凸显。杨叶等研 究 了 淮 南 市 大 气 颗 粒 物 、的污染特征及其来源，发现淮南市的采矿区和工业区大气颗粒物污染较严重，这是由于工业区的污染物排放大，采矿区的污染源主要有采煤、煤运输和扬尘，这对大气颗粒物中水溶性离子、碳质组分和金属元素等都有重要的影响；欧金萍等分析了淮南市大气颗粒物中水溶性离子的分布特征，总结出淮南市大气颗粒 物 中 主 要 的 无 机 离 子 组 分 有、和，且冬季无机离子的浓度高于夏季，大气颗粒物中水溶性离子主要来源于土壤源、工业污染及二次转化；张松 分析了淮南市采煤沉陷区的大气颗粒物，发现夏季雾霾期的大气颗粒物污染水平比冬季采暖期更为严重，大气颗粒物中主要重金属元素为、，主要的水溶性离子有、和；胡煜等 研究了淮南市大气 中 的污染特征及来源，结果表明该市冬季 污染最严重，夏季 污染最轻，且采矿区、商业区和工业区的 污染最严重，主要来源于煤燃烧和机动车尾气排放等。基于以往对淮南市大气颗粒物中各典型组分的研究，为了进一步深入探究淮南市大气 中主要化学组分的污染特征及其来源，本研究于 年春（月）、夏（月）、秋（月）和 年冬季（月）分别采集了淮南市八公山区政府、潘集区和师范学院个采样站点的大气 滤膜样品，并对大气 滤膜样品中水溶性无机离子、碳质组分和无机元素的污染特征及其来源进行了分析，研究了淮南市不同功能区大气 全组分的季节分布特征及其来源，以期为“生态淮南”建设和淮南市大气污染防治提供依据。样品采集与分析方法 样品采集源解析采样点原则上设置在城市建成区内，优先考虑国控监测站点或市控监测站点，并兼顾城市内功能区分布。本研究分别在淮南市的八公山区政府、潘集区、师范学院这个国控监测站点同步采集大气 滤 膜 样 品。其 中，八 公 山 区 政 府 监 测 站 点（，）距东 有八公山路，受机动车的影响明显，同时处于几个火电厂的下风向，故排放源主要有机动车排放源和燃煤源，代表西部城区大气 的 污 染 情 况；潘 集 区 监 测 站 点（，）离市政府较远，离农村和煤矿较近，受居民燃煤和煤矿运输的影响较大，能反映主城区之外区域大气的 污 染 情 况；师 范 学 院 监 测 站 点（，）代表中心城区大气的污染情况，北面紧邻洞山西路，是交通、商业和住宅的混合点位，见图。采样时间分别为 年月（春）、月（夏）、月（秋）和 年月（冬），每个季节采样超过，每个样品从当日上午 至次日上午 连续采集。本研究 使 用 中 流 量 采 样 器（青 岛 崂 应第期张婧伟等：淮南市不同功能区大气 的化学组分季节分布及其来源解析图淮南市大气 采样监测站点分布示意图 型，青岛）在个国控监测站点采集大气 滤膜样品，采样流量为 ，滤膜为 的石英膜（，美国）。滤膜使用前先放入马弗炉内焙烧，冷却至室温后放 入 恒 温 恒 湿 箱（温 度 为 ，相 对 湿 度 为）平 衡；之 后 通 过 电 子 天 平（，瑞士）（精密度 ）进行称重，称重结束后保存在低温冰箱备用。采样后的滤膜进行同样称重操作后也放入低温冰箱中待分析。样品分析 水溶性无机离子分析采用离子色谱仪（；）对大气 滤膜样品中阳离子（、）和阴离子（、）的含量进行检测分析。具体分析方法如下：先将的大气 滤膜样品放于 超纯水（）中超声萃取 ；然后用 的微孔水系滤头过滤后获得待测溶液；最后注入离子色谱仪分析样品中水溶性离子。本研究中，阳离子的分析柱为 ，淋洗液为 的 ；阴离子的分析柱 为 ，保 护 柱 为 ，抑 制 器 为 ，淋洗液为 的 ，流速均为 ，试验标准曲线的相关性达到 以上。碳质组分分析本研究利用 热光反射法（）采用热光碳分析仪（，美国沙漠研究所）对大气 滤膜样品中碳质组分即总有机碳（）和元素碳（）的含量进行检测分析。具体分析方法如下：先在纯氦气的环境中，将 的大气 滤膜样品分别在 、和 温度下逐级加热，得到 、含量；然后在含 氧气的氦气环境下，分别在 、和 温度下继续加热滤膜样品，获得 、含量；最后经 催化，使各个温度梯度下产生的 还原为，再通过火焰离子检测器（）对滤膜样品中 和 含量进行检测分析。无机元素分析本研究采用电感耦合等离子体质谱仪（，）对大气 滤膜样品中 种无机元素、的含量进行检测分析。具体分析方法如下：在 消解管中加入 、和 消解的大气 滤膜样品；待消解结束后进行赶酸，并将待测滤膜样品用超纯水定容至 后利用 对滤膜样品中无机元素含量进行检测分析。浓度估算本研究采用 示踪法中 最小比值法来估算淮南市各季节的大气 滤膜样品中 浓度，其计算公式如下：（）（）式中：为样品中二次有机碳浓度（）；为样品中总有机碳浓度（）；为样品中元素碳浓度（）；（）为监测期间样品中 与 日均质量浓度比值的最小值；（）为估算的样品中一次有机碳（）浓度（）。结果与讨论 大气 质量浓度分析淮南市个采样站点大气 质量浓度水平和季节性变化特征，见图。由图可以看出：（）观测期间，淮南市大气 质量浓度的年均值为（），高于我国 环境空气质量标准（）中 规 定 的 二 级 标 准 限 值（）。（）淮南市个采样站点大气 平均质量浓度均随季节发生变化。其中，八公山区政府和潘集区采样站点大气 质量浓度平均值的季节变化趋势均表现为冬季春季秋季夏季，而师范安全与环境工程 ：第 卷图淮南市个采样站点大气 质量浓度水平和季节性变化特征 学院采样站点大气 平均质量浓度的季节变化趋势 表 现 为 冬 季秋 季春 季夏 季，且 大 气 平均质量浓度在冬季最高、夏季最低。分析原因认为：一方面是因为夏季平均边界层高，大气垂直混合更强，大气扩散条件好，污染物容易被稀释，而冬季则相反，且常常出现静稳高湿天气，有利于污染物的累积 ；另一方面冬季更多的煤炭燃烧排放提高了大气颗粒物的污染水平。（）淮南市个采样站点大气 年均质量浓度表现出潘集区（）八公山区政府（）师范学院（）的特征。夏季，大气 平均质量浓度在八公山区政府采样站点最高，这可能是由于八公山区政府交通流量大，且处于几个火电厂的下风向，排放的大气 前体污染物较多所致；在春、秋和冬季，潘集区采样站点大气 平均质量浓度最高，主要原因为潘集区靠近农村和煤矿，春、秋季生物质燃烧排放较多，冬季家庭供暖的燃煤量增加不仅使得燃煤排放增加，也间接表明周边煤矿开采和运输过程的大气颗粒物排放增加。大气 的化学组成分析 水溶性无机离子分析淮南市个采样站点大气 中水溶性无机离子的组成和季节性变化特征，见图。由图可知：淮南市个采样站点的水溶性无图淮南市个采样站点大气 中水溶性无机离子的组成和季节性变化特征 机离子年均质量浓度在八公山区政府、潘集区和师范学院分别为（）、（）和（），其中师范学院采样站点的水溶性无机离子污染程度最严重；春、冬季淮南市个采样站点的水溶性无机离子平均质量浓度高于夏、秋季，对应的水溶性无机离子平均质量浓度分别为（）、（）和（）、（）。这种季节性差异主要是由于机动车冷启动和燃煤取暖 ，冬季 和等气态前体物排放量增加，且冬季大气扩散条件较差，这些气态前体物再通过二次转化生成高浓度的 组分硫酸盐和硝酸盐 ；夏季大气扩散条件有利，和 等气态前体物排放量较低，且不易聚集，因而导致夏季水溶性离子浓度最低。淮南市个采样站点在每个季节中最主要的水溶性无机离子均为、和 ，它们共占水溶性无机离子总量的。与 的质量浓度之比可以用于判断大气中 和 的固定源和移动源的相对重要程度。通常认为 比值高反映了污染源以固定源为主；反之，则表明移动源的影响较大。整个研究期间，淮南市个采样站点的 年均值约在 之间，都小于，说明淮南市的大气污染呈现燃煤排放污染与机动车排放污染共存的复合污染类型。在冬季，师范学院采样站点的浓度较高，而是生物质燃料燃烧的示踪物，表明该站点周围住第期张婧伟等：淮南市不同功能区大气 的化学组分季节分布及其来源解析宅和商业活动在冬季生物质燃料燃烧排放增强。在春季，淮南市个采样站点的 浓度均比其他季节高，是土壤尘的指标之一，在春季沙尘暴发生时经常观察到 浓度较高。在冬季，淮南市个采样站点均检测到较高的 浓度，来自于燃煤排放，这也是由于冬季燃煤排放的增加造成的。碳质组分分析图和表列出了淮南市个采样站点大气 中碳质组分（和 ）的组成和季节性变化特征。图淮南市个采样站点大气 中碳质组分的组成和季节性变化特征 由图可知：在八公山区政府、潘集区和师范学院个采样站点 和 的年均质量浓度分别为（）和（）、（）和（）、（）和（），潘集区采样站点的、年均质量浓度均要高于其他站点，说明碳质组分污染较严重；在淮南市个采样站点碳质组分污染均表现出秋季春季冬季夏季的季节性变化特 征，其 平 均 质 量 浓 度 分 别 为（）、（）、（）和（），其中在八公山区政府采样站点 的平均质量浓度以春季秋季冬季夏季的顺序递减，但在潘集区和师范学院采样站点 的平均质量浓度则表现为秋季春季冬季夏季的季节分布特点，而在淮南市个采样站点 的平均质量浓度的季节变化规律一致，均为春季秋季冬季夏季。在春、夏季不同季节 和 质量浓度的分布特征主要与其来源有关，春季相对较低的温度较夏季更有利于 在颗粒物表面的吸附和转化。在潘集区与师范学院采样站点 和 质量浓度的季节性变化差异表明这两个采样站点 和 的排放源贡献不同。表淮南市个采样站点 、与 比值的年平均值和季节性变化特征 ，采样站点时间 年均值 八公山春季 区政府夏季 秋季 冬季 年均值 春季 潘集区夏季 秋季 冬季 年均值 春季 师范学院夏季 秋季 冬季 由表可知：淮南市个采样站点 的比值均为夏、秋季高于冬、春季，而 的比值呈现出春、秋季高于冬、夏季的季节分布特点，由此可知不同季节的 化学组分和来源构成是不同安全与环境工程 ：第 卷的。和 在 中的占比决定了大气颗粒物对光散