大氣重金屬濃度分布特點(diǎn)

大氣重金屬濃度分布特點(diǎn)本文作者：伊麗米熱?阿布達(dá)力木迪麗努爾?塔力甫阿布力孜?伊米提作者單位：新疆大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院石油天然氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工業(yè)化，城市化，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和能源需求增加導(dǎo)致城市空氣質(zhì)量深刻惡化［1］。經(jīng)過(guò)多年對(duì)大氣顆粒物進(jìn)行的深入研究表明，其對(duì)環(huán)境的影響很大，比如能夠改變太陽(yáng)輻射的平衡并且降低能見(jiàn)度等，由于地區(qū)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展存在著差異，大氣顆粒物的化學(xué)成分、組成具有很大變化［2］?？諝庵械膽腋☆w粒物通常分為總懸浮顆粒物（TSP）和可吸入顆粒物［3］。可吸入顆粒物是指空氣動(dòng)力學(xué)粒徑小于10^m的分散在大氣中呈固態(tài)或液態(tài)的顆粒狀物質(zhì)，是目前大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的一個(gè)通用的重要污染指標(biāo)。在PM10中，小于2.5um的顆粒物（PM2.5）稱為細(xì)顆粒物，介于2.5~10um之間的顆粒物（PM2.5~10）稱為粗顆粒物［4］。這些細(xì)顆粒物粒徑小，在大氣中滯留時(shí)間長(zhǎng)，通過(guò)呼吸作用進(jìn)入人體后可以沉積在肺泡內(nèi)，從而危及人類健康。PM2.5由于其比表面積較大，攜帶有大量重金屬、PAHs、誘變劑以及病菌等有毒有害物質(zhì)，比起粗顆粒物更容易對(duì)人體健康構(gòu)成威脅。研究表明，PM2.5與人類呼吸道疾病、心肺疾病引起的死亡率呈正相關(guān)關(guān)系［5］。大氣顆粒物中的重金屬進(jìn)入人體的途徑主要有呼吸作用［6］、吞食作用［7］和皮膚接觸。大氣氣溶膠是影響輻射傳輸?shù)囊粋€(gè)重要因素，它不但吸收和散射太陽(yáng)輻射，影響大氣的光學(xué)性質(zhì)，改變大氣能見(jiàn)度，而且對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射能量平衡也有重要影響。PM2.5細(xì)粒子污染對(duì)城市灰霾的形成及能見(jiàn)度的惡化有極大貢獻(xiàn)。氣溶膠粒子數(shù)濃度日際變化，主要受降水、風(fēng)速、風(fēng)向及相對(duì)濕度等氣象條件的影響。偏東風(fēng)有助于氣溶膠濃度的增加［8］。能見(jiàn)度和細(xì)粒子質(zhì)量濃度呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)，而與PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)性就差一些。細(xì)粒子質(zhì)量濃度的高低是決定能見(jiàn)度好壞的主要因子?？梢試L試?yán)眉?xì)粒子質(zhì)量濃度的觀測(cè)結(jié)果來(lái)估算大氣能見(jiàn)度。1999年6月持續(xù)高溫期間即使細(xì)粒子質(zhì)量濃度很高，能見(jiàn)度并不很低，而2000年1月細(xì)粒子質(zhì)量濃度在并不高的情況下，能見(jiàn)度卻較低。這可能是因?yàn)榧?xì)粒子中的成分不同的緣故，因?yàn)槟芤?jiàn)度的細(xì)粒子中主要的化學(xué)組分具有密切關(guān)系。活躍的光化學(xué)可能是前者的主要來(lái)源，燃煤可能是后者的主要來(lái)源，二者在化學(xué)成分上具有很明顯的差別［9］。有研究表明：全球變暖會(huì)導(dǎo)致地表水分蒸發(fā)的增加，從而引發(fā)全球干旱化的發(fā)展和加劇，干旱半干旱區(qū)問(wèn)題將變得更為嚴(yán)重。對(duì)1970—1990年中國(guó)大氣水分的變化研究表明：大氣水分在20年中是增長(zhǎng)的，其中增長(zhǎng)多在對(duì)流層低層，主要增長(zhǎng)地區(qū)在東北、西南和南部沿海地區(qū)，在華北和中南部分地區(qū)卻呈下降趨勢(shì)。大氣水分與地面氣溫的關(guān)系取決于地區(qū)與季節(jié)。在東北地區(qū)，大氣水分的增長(zhǎng)與地面氣溫增暖相一致，華北地區(qū)則不然；在西南地區(qū)只有秋、冬兩季的大氣水分與地面氣溫有明顯的相關(guān)關(guān)系。大氣水分與降水具有密切的正相關(guān)關(guān)系。美國(guó)的相對(duì)濕度也呈下降趨勢(shì)，與水滴蒸發(fā)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。蒸發(fā)增加40%，相對(duì)濕度減少25%?45%，濕度減少是造成干旱的原因之一［10］。烏魯木齊市由于其特殊的地理位置、氣象因素等條件使得其冬季采暖期風(fēng)速變?yōu)槿曜钚?，極易出現(xiàn)陰?kù)F天氣。此種氣象現(xiàn)象經(jīng)常持續(xù)數(shù)天使得大氣污染物不易水平運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散稀釋，隨大氣污染物不斷累積，陰?kù)F范圍也隨之?dāng)U大，導(dǎo)致采暖期內(nèi)的烏魯木齊市經(jīng)?；\罩在煙霧之中［11］?？晌腩w粒物又是烏魯木齊市最為嚴(yán)重的大氣污染物。過(guò)去幾年，政府采取了一系列污染治理措施，但是到后期可吸入顆粒物濃度變化不明顯。到目前為止，關(guān)于烏魯木齊市大氣顆粒物中可吸入顆粒物的污染特征和源解析研究較少，而對(duì)于與人體健康和大氣能見(jiàn)度密切相關(guān)的細(xì)粒子（PM2.5）的研究則更少。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)采集烏魯木齊市一年的可吸入顆粒物并對(duì)其進(jìn)行分析研究，探討了大氣可吸入顆粒物中重金屬在采暖期和非采暖期的變化規(guī)律，并對(duì)不同的重金屬的來(lái)源進(jìn)行了解析，同時(shí)還對(duì)其污染水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)。1材料和方法1.1樣品米集本研究從2009年7月一2010年4月，在新疆大學(xué)5號(hào)樓樓頂（北緯43°77'、東經(jīng)87°61'）采集大氣可吸入顆粒物樣品。采樣設(shè)備有日本產(chǎn)NL20型撞擊式大氣顆粒物采樣頭、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、真空泵組成。米樣頭設(shè)定流量為20L/min，樣品的采集時(shí)間設(shè)定為24h，總共81個(gè)樣品。該采樣頭共有3層構(gòu)成，第一層放有2500QAT-UP型環(huán)形濾膜可以截留dp>10um的顆粒；第二層放有2500QAT-UP型環(huán)形濾膜可以截留2.5~10um的顆粒（PM2.5~10）；最底一層放有QR-100型濾膜，可以截留dp<2.5um的顆粒，采樣介質(zhì)為玻璃纖維膜，采樣前后濾膜均恒溫恒濕48h（溫度25°C，濕度50%）并稱重以確定可吸入顆粒物的質(zhì)量濃度。1.2樣品的前處理將1/2的樣品濾膜剪碎，放入消解瓶?jī)?nèi)，加人6mLHNO3，3mLHClO4。瓶口放置小玻璃漏斗，放置過(guò)夜后在電板上加熱至近干，取下小玻璃漏斗。電板上再加熱至HC1O4耗盡，取下樣品冷卻。用10mL左右的1%HNO3淋洗瓶壁，繼續(xù)于電板上加熱，保持微沸10min，取下冷卻，微孔濾紙過(guò)濾，用1%HNO3定容至25mL容量瓶中，搖勻待測(cè)。取同批號(hào)，等面積空白濾膜按樣品超聲波提取及消解過(guò)程消解，測(cè)定空白值［12］。1.3重金屬測(cè)定待測(cè)樣品中Mn、Cr、Pb、Ni和Cu，F(xiàn)e采用原子吸收分光光度法測(cè)定；Hg、As檢測(cè)用雙道原子熒光光譜法檢測(cè)定。2結(jié)果與討論2.1PM2.5~10和PM2.5質(zhì)量濃度的分析PM2.5和PM2.5~10樣品的質(zhì)量濃度變化如圖1所示，PM2.5-10質(zhì)量濃度范圍為12.3~138.9ug/m3平均值為79.85ug/m3，PM2.5質(zhì)量濃度的變化范圍為36.6~406.6ug/m3，平均值為222.40ug/m3，超過(guò)美國(guó)EPA1997年頒布的PM2.5日平均值35ug/m3的6.4倍［13］。由2010年7月-2011年4月采樣的可吸入顆粒物的日平均值可知，烏魯木齊市PM2.5的月平均濃度最高的是2011年1月為406.25ug/m3；最低是2010年9月為36.7ug/m3。PM2.5~10的月平均濃度最高的是2011年1月為138.9ug/m3；最低是2010年9月為12.3ug/m3。由于烏魯木齊市霧天氣集中出現(xiàn)在冬季，從而導(dǎo)致顆粒物濃度較高，特別是由于可吸入顆粒的富集作用，導(dǎo)致1月的濃度最高。烏魯木齊從12月開(kāi)始進(jìn)入深冬季節(jié)，光照較弱、日照時(shí)間短、逆溫出現(xiàn)頻率增大及大氣對(duì)流不活躍等不利于空氣中污染物質(zhì)擴(kuò)散的因素較多，因此空氣質(zhì)量維持在嚴(yán)重污染的水平。烏魯木齊市的6、7、8月是較典型的夏季季節(jié)，溫暖、濕潤(rùn)雨量充，雨水的沖刷及其他氣象因素使得大多時(shí)候的空氣質(zhì)量較好［14］。2.2PM2.5~10和PM2.5季節(jié)性變化圖2表示的是不同季節(jié)的PM2.5~10、PM2.5的濃度和氣象因素的關(guān)系，從圖2中可以看出在冬季濃度較大，這可能是由于在冬季風(fēng)速低和濕度高于其他的季節(jié)（易發(fā)生相際反應(yīng)）；夏季可吸入顆粒物濃度較小，這可能是夏季的溫度高、濕度低、風(fēng)速較高，粒子干燥。環(huán)境對(duì)粗顆粒的貢獻(xiàn)比在其他的兩個(gè)季節(jié)中的要高［1］。2.3PM2.5和PM2.5~10中重金屬的濃度分布特征2.3.1采樣期間PM2.5和PM2.5~10中重金屬的總濃度分布特征圖3給出了PM2.5~10、PM2.5中重金屬在采樣期內(nèi)的總平均含量。由圖3可知：烏魯木齊市PM2.5~10和PM2.5中7種金屬元素的濃度順序排列為Cr>Pb>Mn>Cu>Ni>As>Hg。Cr、Pb和Mn的含量也較高，平均濃度分別為195.43、120.15、100.03ng/m3和327.57、295.89、145.31ng/m3；Ni、Cu、As和Hg的含量較低，平均濃度分別為57.74、47.96、35.22、0.99ng/m3和59.55、81.88、30.78、2.03ng/m3，而且重金屬在PM2.5中的含量均高于PM2.5~10中的含量，特別Mn、Cr、Pb、Hg、Cu和As。說(shuō)明對(duì)人體危害較大的金屬元素主要富集在小于2.5um的細(xì)顆粒上，即重金屬在細(xì)離子中易于富集。2.3.2采暖期、非采暖期PM2.5和PM2.5~10中重金屬的總濃度分布特征由表1、2可知，除Ni之外其他重金屬的濃度采暖期均高于非采暖期。2.4重金屬污染水平的評(píng)價(jià)為了進(jìn)一步了解烏魯木齊市采暖期可吸入顆粒物中重金屬污染水平及其對(duì)人體的危害，本研究采用評(píng)價(jià)沉積物重金屬污染常用的地積累指數(shù)法，對(duì)重金屬污染進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Mull污染指數(shù)Igeo的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Igeo=log2（Cn/1.5Bn）式中，Cn表示元素n在沉積物中的含量（mg/kg）；本研究中為各重金屬元素在顆粒物中的含量；Bn表示沉積物中該元素的地球化學(xué)背景值。這幾種重金屬取其在烏魯木齊市土壤背景平均值，其值分別為Mn688.00、Cr47.40、Ni28.95、Pb11.20、Ni28.95、Cu26.70、Hg0.06、As10.78mg/kg，F(xiàn)e3.60（百分?jǐn)?shù)）為中國(guó)土壤背景平均值［15］°IgeoW0被列為無(wú)污染，0WIgeoW1為無(wú)污染到中等污染，1WIgeoW2為中等污染，2WIgeoW3為中等至重污染，3WIgeoW4為重污染，4WIgeoW5為重污染至嚴(yán)重污染，IgeoN5為嚴(yán)重污染［16］。2.4.1采暖期、非采暖期PM2.5?10中重金屬污染水平的評(píng)價(jià)由圖4污染指數(shù)可以看出，無(wú)論是采暖期還是非采暖期，污染指數(shù)的最高點(diǎn)及最高平均值都落在了Pb、Hg上，兩者采暖期的污染指數(shù)均高于非采暖期且為嚴(yán)重污染；Cr、Ni、As、Cu在非采暖期污染指數(shù)分別為5.42、4.64、4.5、4.48，在采暖期分別為5.48和4.06、4.89，4.08為重污染至嚴(yán)重污染，其中Cr采暖期及非采暖期的污染指數(shù)相當(dāng)，Ni、3在非采暖期的污染指數(shù)高于采暖期，而As與Pb、Hg相同采暖期高于非采暖期；Mn的最小為非采暖期時(shí)的0.5，在采暖期時(shí)的0.90為無(wú)污染。2.4.2采暖期、非采暖期PM2.5中重金屬污染水平的評(píng)價(jià)在PM2.5中Hg和Pb的最大值仍出現(xiàn)在采暖期，在非采暖期污染指數(shù)分別為6.36和6.44，采暖期分別為8.41和6.61并為嚴(yán)重污染；Cr和Ni、As在非采暖期的Igeo值分別為5.31和5.20、4.80，在采暖期分別為4.64和3.62、3.65判斷為重污染至嚴(yán)重污染，并且這3種金屬在非采暖期的污染水平高于采暖期；Cu在非采暖期的Igeo值為4.54判定為重污染至嚴(yán)重污染，而在采暖期為3.15，為重污染；Mn的污染指數(shù)最小，非采暖期為0.15，采暖期為-0.29，無(wú)污染（圖5）。2.5PM2.5~10和PM2.5中重金屬的來(lái)源分析富集因子（EFs）是一個(gè)反映人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境擾動(dòng)程度的重要指標(biāo)。它是通過(guò)樣品中元素的實(shí)測(cè)值與元素的背景含量進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷表生環(huán)境介質(zhì)中元素的人為影響狀況。富集因子計(jì)算公式為：EF=（Ci/Cn）樣品（/Ci/Cn）土壤背景式中，Ci表示重金屬元素i的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（W/W）；Cn表示標(biāo)準(zhǔn)化元素Fe的濃度（W/W）。如果元素富集因子接近于1，可以認(rèn)為該元素相對(duì)于土壤來(lái)源基本沒(méi)有富集，主要來(lái)自于土壤顆粒；如果元素富集因子大于10，則表明元素除土壤來(lái)源外還受人類活動(dòng)影響［17］。由圖6、7可知在PM2.5~10還是PM2.5中不論是采暖期還是非采暖期，除Mn之外，所測(cè)金屬的EF值均大于1，均受出土壤之外的外部環(huán)境的影響。對(duì)于Cr、Ni、Cu、As而言非采暖期和非采暖期的EF值相當(dāng)，既有相同的污染源；而Pb、Hg采暖期的富集因子遠(yuǎn)高于非采暖期，即烏魯木齊市冬季的環(huán)境條件有利于2種金屬的富集。3結(jié)論烏魯木齊市冬季大氣顆粒物PM2.5?10的平均質(zhì)量濃度超過(guò)了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的1.07倍，PM2.5污染比較嚴(yán)重超過(guò)美國(guó)EPA1997年頒布的PM2.5日平均值的6.4倍。重金屬在PM2.5中的含量均高于PM2.5~10中的含量，特別Mn、Cr、Pb、Hg、Cu和As。說(shuō)明對(duì)人體危害較大的金屬元素主要富集在小于2.55的細(xì)顆粒上，即重金屬在細(xì)離子中