南京市北郊大气气溶胶中无机离子的特征及源解析

论文总字数：17774字

目 录

1 引言 4

1.1 大气中颗粒物与气溶胶的介绍 4

1.2 大气气溶胶中水溶性无机离子的介绍 4

1.3 大气气溶胶中水溶性无机离子的组成与季节变化 5

2 实验部分 5

2.1 样品采集 5

2.2 实验方法 5

2.2.1 仪器介绍 6

2.2.2 样品前处理 6

2.3 质量控制与质量保证 6

2.4 主成分分析（SPSS） 8

3 结果与讨论 8

3.1 南京市北郊大气气溶胶中PM2.5和总水溶性离子的变化趋势 8

3.2 南京市北郊大气气溶胶中无机离子的季节变化特征 9

3.3 源解析 13

3.3.1 主成份分析 13

3.3.2 相关性分析 14

3.3.3 NO₃^-和SO₄^2- 的质量比分析 16

4 结论 16

参考文献 17

致谢 18

南京市北郊大气气溶胶中无机离子的特征及源解

李文婧

，China

Abstract : In order to understand in the northern suburb of nanjing atmospheric aerosol seasonal variation characteristics and source of water soluble inorganic ion, ion chromatography is adopted in nanjing in 2015, 169 samples of north suburbs are analyzed.By using SPSS software family composition analysis and correlation analysis between the ion.Aerosols in the sulfuric acid root ion, nitrate ion, ammonium ion and chloride ion is the main component of water-soluble ion in PM2.5 the four ionic accounted for a large proportion in the total water soluble ion.And use the outskirts of NO₃ ^- / SO₄^{2 -} quality than to judge types of main pollution source, etc.

Key words : water soluble inorganic ion、seasonal change、mass concentration, ion chromatography

1 引言

1.1 大气中颗粒物与气溶胶的介绍

大气颗粒物可分为气态和气溶胶颗粒态，气溶胶到目前为止并没有统一定义^[1]。现在主要关心和研究的是气溶胶中离子的来源、组成等，所以大气颗粒物又被认为是大气气溶胶体系中的粒子^[2]。气溶胶参与云的形成和湿沉降等^[3]。气溶胶中的某些组分还可以对某些化学反应起到催化作用。气溶胶分为液体颗粒物和固体颗粒物，前者类似球形，后者不规则，有片状、结晶体、雪花状等。其中矿物气溶胶是我国北方环境大气中主要的颗粒物之一，如建筑尘、风扬尘、道路尘和工业扬尘以及来自我国西北戈壁的春季沙尘暴等，它们一般具有不规则的形态特征。二次大气化学反应形成的矿物颗粒以及长条状石膏矿物，其主要成分为钙和硫。生物颗粒物一般具有特殊状的形态和成分，它们很可能是细菌或植物孢粉。

粒径这个概念被用来描述气溶胶颗粒物的大小。能够反应颗粒物的来源等。我们对颗粒物直径有一下三种定义，第一种是光学等效直径，第二种是体积等效直径，最后是空气动力学直径^[4]。颗粒物按形成原因分为分散性气溶胶和凝聚性气溶胶^[5]。前者有海浪飞溅、液态农药的喷洒等。后者是气体遇冷形成的。按物理状态分为固态、液态和固液混合的。按粒径分为总悬浮颗粒物、飘尘、降尘和PM2.5等^[6]。颗粒物在大气中容易被呼吸道人体类，造成身体健康的影响^[7]。由于小粒子含有的有毒物质比大粒子为多，因此它对健康的危害也更大。

不同粒径大小的气溶胶粒子，其化学组分也有很大的差异，在本文中主要分析的是PM_2.5中的无机离子。当颗粒物中的粒子来自不同源时，其组分和含量也不同^[8]。比如来自扬尘和土壤的粒子含有Ca² 和Mg² 等，来自海盐的污染物含有Cl^-和Na 等^[9]。硫酸盐、铵盐和有机物主要来自二次污染^[10]。对流层中的气溶胶主要来自于人类活动。气溶胶的含碳组分为元素碳和有机碳组成。细粒子和粗粒子中都存在硝酸盐，细粒子中的硝酸盐一般硝酸和氨反应生成的硝酸铵，而粗粒子中的硝酸盐一般是粗粒子与硝酸反应生成^[11]。

1.2 大气气溶胶中水溶性无机离子的介绍

人类活动的排放导致了大气气溶胶的急剧增加，潜在地影响人体健康、城市和区域能见度、酸沉降以及地球的辐射平衡^[12]。下面主要介绍无机及组分中的水溶性离子。SO₄^2-、NO₃^-、NH₄ 是具有代表性的几种离子。它们有吸湿性，所以在大气过程中有重要作用^[13]。阴离子的主要存在形式是硫酸盐、硝酸盐和卤素离子。而NH₄ 和碱金属是阳离子的主要存在形式。二次水溶性离子是大气气溶胶中的主要部分，比如硫酸盐、硝酸盐和铵盐等，这三种离子主要是由气态粒子转化形成的及气态前体物分别是SO₂、NH₃和NO_x^[14]。它们占水溶性无机盐的70%以上。弄清楚它们在大气中的形成机制对于分析浓度变化有着重要的意义。在大气层中，SO₂容易被其它氧化性的物质氧化形成SO₃，然后SO₃再和H₂O反应形成H₂SO₄。最后再通过均相和非均相反应形成了硫酸气溶胶。硫酸盐也在此过程中形成了^[15]。NH₃与大气中的HNO₃和H₂SO₄反应生成硝酸铵、硫酸铵或硫酸氢铵。也可以在酸性颗粒物的表面上反应生成铵盐。

1.3 大气气溶胶中水溶性无机离子的组成与季节变化

在国外，Safai等人^[16]研究印度西部城市发现在不同季节各种离子的变化规律不一样。Kocak等^[17]在地中海东北沿岸站点采样后，通过分析发现离子成分与季节的干湿有联系。在冬天，多雨的月份，离子浓度最小；而且夏天干旱时，颗粒物不断累积，离子成分浓度增高。苏等^[18]在富士山采集样品检测后发现，钙离子、硫酸根离子、铵根离子是重要的水溶性离子。在水溶性离子总质量浓度中，钙离子、硫酸根离子、铵根离子年平均量浓度所占的比例分别是22.1%、41.8%、29.3%。

在国内，有关大气气溶胶中水溶性无机离子的研究逐渐成为热点。主要研究离子组成、时空变化和源解析等。我国发生雾霾天气越来越频繁，对环境造成了影响，因此，研究大气中水溶性离子可以帮助认识气溶胶的污染特征和来源。这样可以提供颗粒物污染控制的依据。刘臻等^[19]人发现在青岛沿海地区，硫酸根离子、硝酸根离子、铵根离子PM2.5中主要的无机离子，三种离子质量浓度之和占总离子质量浓度的70%。内陆地区与沿海又不相同，比如贵阳，硫酸根离子、铵根离子、钙离子是主要的水溶性成分，三种质量浓度之和占总离子的78%。由此看出，不同国家不同地区不同周边环境下，气溶胶中的主要离子成分也不相同。下面主要通过离子色谱法来研究南京市北郊大气气溶胶中无机离子的特征及来源。

2 实验部分

2.1 样品采集

采样点在图书馆顶楼天台处，离地面大约50米，代表南京北郊。采样时间是2015年1月至12月，下雨天不采样。大气颗粒物采样使用的是PM2.5大流量采样器(美国EPA)，流量是1.13m³/min。采样的石英滤膜面积是20.3cm*25.4cm。在采样之前，滤膜要放在马弗炉中灼烧两个小时（温度设置为500℃），其中可能的有机杂质可以被除去。灼烧以后的滤膜温度降低后，用锡纸包好，放在室温条件下的干燥器中干燥平衡24小时后，再称采样前的膜质量，记为m₀之后放入干燥器中保存后待用。在采样器上放置膜之前，要用酒精清洗镊子和放膜的盘。采样时间是24h采集一次。下雨天不采样。还要记录温度、湿度、风速等气象条件和颗粒物污染状况。采样后将滤膜放在干燥器中24h以后称重，然后低温保存。根据膜的增重计算采样点PM2.5的质量浓度。Δm是采样后膜重量-采样前膜重量），计算方法是Δm/V，V是采样体积，可以用采样流量*采样时间。

2.2 实验方法

2.2.1 仪器介绍

我们采用的ICS2000/3000型离子色谱仪是美国Thermo Fisher公司的，淋洗液，高压输送泵，进样阀，分析柱，抑制器和电导池是其主要的部分^[20]。仪器分析过程：淋洗液的输送→进样→色谱柱分离→抑制器降低背景电导→检测器检测^[21]。仪器对检测离子的定性和定量是通过出峰时间和峰面积实现的。首先配制不同浓度的标准溶液，进样分析得到峰面积，然后各离子峰面积与离子浓度之间的线性关系。该关系式用来对离子定量分析。出峰的时间用来定性分析。但是随着仪器状况的不同，其出峰时间会改变，比如仪器压力值的变化对SO₄^2-离子的影响比较大。离子色谱仪器的使用条件：测定阴离子色谱条件 色谱柱：阴离子色谱柱；流动相：超纯水：流速：1mL/min；进样量为100μL；柱温30℃；抑制器类型ASRS_4mm；抑制器电流25mA；测定阳离子色谱条件 色谱柱：阳离子色谱柱；流动相是甲烷磺酸溶液，浓度为32mmol/L；1mL/L的流速；100μL的进样量为；柱温是40℃；CSRS_4mm是抑制器的类型；抑制器的电流94mA。

2.2.2 样品前处理

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：17774字

相关图片展示：