南京地区大气金属颗粒物的特征和混合状态的研究

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目 录

摘要 1

Abstract 2

1. 引言 3

2. 实验介绍与分析 4

2.1实验介绍 4

2.2实验分析 5

2.2.1气溶胶数浓度特征 6

2.2.2气溶胶粒子的分类 6

3. 实验结果与讨论 7

3.1金属颗粒物正负质谱图的分析 7

3.1.1金属类颗粒物正负质谱图分析 7

3.1.2粉尘类颗粒物正负质谱图分析 8

3.2金属颗粒物风向玫瑰图的分析 10

3.2.1富钾粒子(Rich-K)风向玫瑰图的分析 10

3.2.2富钠粒子(Rich-Na)风向玫瑰图的分析 11

3.2.3工业金属粒子(Industry metal)风向玫瑰图的分析 11

3.2.4粉尘粒子(Dust)风向玫瑰图的分析 12

3.3气溶胶粒子的混合状态 14

4. 总结 15

参考文献 16

致谢 18

南京地区大气金属颗粒物的特征和混合状态的研究

丁婕

, China

Abstract: This article using a single particle aerosol mass spectrometer (SPAMS), observed the aerosol in the atmosphere of Nanjing during the 13 August 2014 solstice to September 22, obtained the chemical characteristics and the mixing state of metal particles. In the atmosphere of Nanjing，the metal particles can be divided into for classes: Rich-K, Rich-Na, Rich-Pb amp; metal and Dust particle types. Through studying the characteristics and the mixing state of those metal particles, we got the following conclusions: (1) The number concentration of aerosol particles is affected by the wind and rain obviously. (2) In the atmosphere of Nanjing, the metal particles have obvious aging phenomenon, result from the chemical plants, steel mills in the eastern of observation points, as well as the nearby ning six-way highway. The dust particles of Nanjing’s atmosphere also have aging phenomenon. The aging processes of Dust-Ca occypies first place, Dust-Al(Mg) comes second. (3) The metal particles in the atmosphere of Nanjing mainly comes from the chemical plants and steel mills in the Industrial zone. The first contribution fountainhead is the pollution emissions of steel mills, followed by the chemical plants. The local dust particles containing metal elements mainly comes from dust and construction dust. The direction of the wind plays a vital role for the concentration and transport of pollutants. The wind has good coincidence with pollutants. (4) In the mixing state, there is a best mixing degree between NO₂^-, NO₃^-, HSO₄^- and Industry metal particles. Rich-K is the second one. It’s illustrated that those particles related to the pollutants injected by chemical plants and steel mills in the upper hand of sampling points. The metal particles shows the strong characteristic of the secondary pollution in the atmosphere of Nanjing.

Key words: Single particles; Metal particles; Iron-containing particles; Mixing state

1.引言

大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，随着现代工业的发展和人类活动的频繁增多，越来越多的有害物质，如大量的颗粒物和二次气溶胶的前体物SO₂和NO_x等排放到大气中，造成了一系列的大气环境污染。颗粒物作为大气组分的一部分，现已成为大气污染物中数量最多、化学性质最为复杂、危害性最大的一类粒子。不同化学形态的金属颗粒物具有不同的化学活性和生物可利用度^[1]，而重金属对人体的危害性主要取决于金属颗粒物的化学活性^[2]。金属颗粒物的化学组成及其性质可以反映出颗粒物在大气中的二次反应情况、老化演变以及各个组分间的混合状态^[3]。因此对大气中金属颗粒物化学形态的分析很重要。

气溶胶中重金属的输入源主要有土壤粉尘、人为活动、工业排放以及通过海洋飞沫产生的金属颗粒物。粉尘是指悬浮在空气中的固体颗粒，也称为灰尘或是矿尘。国际标准化组织规定，粒径小于75μm的固体悬浮物定义为灰尘。粉尘是通过机械粉碎、道路扬尘、化石燃料燃烧等过程形成的，而扬尘是土壤源沙尘、燃煤烟尘、建筑水泥灰尘、机动车（船）尾气排放尘等排放的颗粒物。粉尘在大气传输的过程中，与空气中的其他不同成分的气溶胶粒子发生混合，在气溶胶粒子的表层发生二次不同相态的化学反应，尤其是与含有金属元素物质的混合。道路扬尘和建筑粉尘中含有大量的Ca元素。自然土壤源为大气提供Ca和Mg元素。道路交通释放的轮胎粉尘是大气中的Cu和Zn的重要来源^[4]。研究表明^[5]，Rich-Fe、Rich-Pb源于附近钢铁厂或是钢铁熔炼厂。大气中含铁颗粒物主要是钢铁行业通过高温过程形成的铁氧化物。目前的研究结果显示，大气气溶胶粒子中的这些含铁物质可以解释为针铁矿(FeO(OH))、赤铁矿(Fe₂O₃)或是磁铁矿(Fe₃O₄)在高温冶金工程中排放至大气中的^[6]。也有学者指出大气中的含有Pb、Zn以及Mn的颗粒物是由金属冶炼和煤炭燃烧过程产生的^[7]。对污染物的浓度进行追踪，发现当采样点位于工业区的下风方时，所测气溶胶粒子中的As、Mn和Pb的浓度会明显的升高^[8]。铁作为一种过渡金属元素，很多学者对大气中的含铁气溶胶粒子做了研究，尤其是对可溶性铁的研究。铁的主要来源还是自然源，但是随着人类活动的频繁和工业的发展，煤燃烧、生物质燃烧以及钢铁工业的排放成为铁主要的人为源。有学者研究表示，人为源的排放会提供更多的可溶性铁，对海洋以及城市污染都有重要的影响作用^[9]。诸多研究表明，大气输入的污染物是海洋污染的重要途径之一^[10]，可溶性铁对海洋的生成力以及气溶胶酸化导致城市污染的加剧有着重要的贡献^[11]。为了解含有金属元素颗粒物的性质，常对大气中金属颗粒的混合状态进行分析。气溶胶的混合状态是指气溶胶粒子大气的传输过程中，在气溶胶粒子的表层与不同成分的物质发生多相态的物理混合或是化学反应，从而产生混合的现象。气溶胶的混合状态改变了气溶胶粒子的物理性质和化学性质，如粒径大小、粒子形状、吸湿性、溶解度、粒子的静电属性等诸多属性，进而影响气溶胶颗粒的光化学性质等。

大气中的金属元素，尤其是重金属对大气环境以及人体健康有着重要的影响。重金属在人体内不能通过各种生物过程降解，而是在一级一级食物链的作用下，富集并进入到人体内。重金属主要吸附在小于2μm的颗粒物上^[12]，作为可吸入粒子进入到人体，对人类的健康造成了危害，从而诱发多种疾病。重金属在人体内能与蛋白质发生反应，使之失去生物活性，同时重金属进入人体的一些器官后，累积到一定的浓度造成人体的慢性中毒。对人类健康具有危害的有毒金属元素有Pb、Cd、Ni、Mn、V以及Zn等。大气中的铁元素进入人体后，会导致DNA链断裂并损伤组织和细胞从而影响人类的健康^[13]。进入人体内的重金属还会发生颗粒物的载体效应^[14]以及各类重金属间发生的联合作用。

由于大气颗粒物来源以及形成因素的不同，导致大气颗粒物的特征具有明显的区域差异性。南京市作为江苏的省会，位于长江下游中部地区，三面环山一面背水，地形属于宁镇丘陵山区，多为低山缓岗。南京的工业园区主要集中在偏东方向，其中化工企业集中在东北方向，钢铁企业在东侧。夏季和秋季南京的主导风向是偏东风，风力平缓。因此偏东方向的污染源容易沿地面扩散，受地形的影响污染物容易堆积，尤其是上风口的化工企业和冶金企业的废气对主城的影响较大。随着工业化和城镇化的发展，城市和工业的交错布局，南京市的污染状况愈发严重。本文通过对南京这个特定地区的大气气溶胶进行采样分析，研究南京地区大气金属颗粒物的特征及其混合状态，可以追踪其主要贡献源，研究污染物的迁移转化。因此，研究南京地区大气中金属颗粒物的特征以及混合状态对人类健康、城市污染及其防治有着重要的意义，为以后城市的污染以及环境治理提供参考。

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