基于掃描電鏡法的大氣顆粒物源解析研究

基于掃描電鏡法的大氣顆粒物源解析研究

吉林省中部以北的松花江岸。北溫帶氣候。季風(fēng)氣候交替發(fā)生，四季分明。西南風(fēng)是其主導(dǎo)的風(fēng)向，年平均風(fēng)速為2.51m/s。吉林市是我國重要的化工城市,根據(jù)吉林市1996—2000年的大氣污染統(tǒng)計(jì)顯示:二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳年日均值輕微超標(biāo),總懸浮顆粒物年日均值濃度超標(biāo)較大,說明總懸浮顆粒物對空氣污染影響較大。因此,明確各污染源對TSP的貢獻(xiàn)情況,對于大氣顆粒物的污染防治具有指導(dǎo)意義。多年來,國內(nèi)外研究學(xué)者不斷應(yīng)用多種測量技術(shù),對源和受體的大氣顆粒物樣品進(jìn)行形態(tài)分析、表面分析、微區(qū)分析和單顆粒分析工作。掃描電子顯微鏡(SEM)用于分析氣溶膠粒子的大小、幾何形狀、顏色和光學(xué)性質(zhì),通過單個(gè)粒子的這些形態(tài)學(xué)參數(shù)可以定性地鑒別氣溶膠的來源,甚至可以分辨出單個(gè)源。青島、廣州等城市已成功應(yīng)用掃描電鏡技術(shù)對大氣顆粒物的來源進(jìn)行研究,取得了很多重要的研究成果。本文以吉林市作為研究對象,分析源樣品、采暖期和非采暖期的受體樣品的形貌特征,通過形態(tài)學(xué)參數(shù)定性地鑒別出大氣顆粒物的來源,為CMB模型計(jì)算結(jié)果提供定性和半定量的依據(jù)。1試驗(yàn)部分1.1樣品采集1.1.1采樣時(shí)間、采樣位點(diǎn)選取受體樣品采用TH-1000型(武漢天虹智能儀表廠)大流量TSP采樣器,采樣濾膜為孔徑0.45μm醋酸纖維濾膜,采樣流量為1.05m3/min。分采暖期(2005年2月)和非采暖期(2005年9月)兩次采樣。采樣點(diǎn)位的選取在空間分布上既考慮了城區(qū)大氣污染物的遷移擴(kuò)散特征,也覆蓋了吉林市公布的大氣污染指數(shù)監(jiān)測站點(diǎn),采樣點(diǎn)位包括化工學(xué)院院內(nèi)、哈達(dá)灣、環(huán)境監(jiān)測站、電力學(xué)院共4個(gè)。采樣方法為每次連續(xù)采樣3d,每天24h。1.1.2取樣方法圖1主要是揚(yáng)塵、土壤風(fēng)砂氣在綜合分析吉林市自然環(huán)境特征及城區(qū)分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,源類樣品選用道路塵、揚(yáng)塵、建筑塵、土壤風(fēng)沙塵和燃煤塵作為主要研究對象。道路塵樣品在城市各主要交通干道(主要是在干道的十字路口)取樣,取樣32個(gè);揚(yáng)塵樣品是在居民區(qū)采用網(wǎng)格布點(diǎn),收取二、三樓道內(nèi)長期未打掃的窗臺上的積灰,共取樣21個(gè);建筑塵樣品采集散落在施工作業(yè)面的建筑塵混合樣品及水泥廠排放的飛灰,布設(shè)1個(gè)點(diǎn)位,采集樣品1個(gè);土壤風(fēng)沙塵樣品在城市四郊東、南、西、北方向均勻布點(diǎn),在主導(dǎo)風(fēng)向西南風(fēng)的下風(fēng)向加密布點(diǎn),共布設(shè)11個(gè)點(diǎn)位,為保證土壤剖面完整、層次清楚且無侵入體,故取城郊地面下10～20cm處的土壤,采集樣品11個(gè);燃煤塵樣品采集工業(yè)鍋爐、工業(yè)窯爐、電廠鍋爐及其它工業(yè)燃煤源排放的燃煤塵,采集到6個(gè)樣品。1.2樣品采集和表征所有源類樣品在實(shí)驗(yàn)室自然晾干之后,過150目篩,然后對各類樣品分別混樣,放入干燥器內(nèi)保存,待測;受體樣品采樣前,空白有機(jī)濾膜在烘箱60℃條件下烘2h,空白石英濾膜在馬福爐500℃條件下烘2h,放入干燥器內(nèi),平衡3d,稱重;采樣后,濾膜放入干燥器內(nèi),平衡3d,稱重。1.3數(shù)據(jù)分析方法掃描電子顯微鏡是以能量為1～30keV的電子束作為微束激發(fā)源,以光柵狀掃描方式照射到光度分析試樣的表面,分析入射電子和試樣表面物質(zhì)的相互作用所產(chǎn)生的多種信息,從而研究TSP表面微區(qū)形貌、粒徑分布及結(jié)晶學(xué)特征的一種先進(jìn)分析手段。本文采用HITACHI-X650型掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析。排放源樣品是將采集物均勻散布在樣品臺上;受體樣品是從濾膜上剪下均勻的面積約為64mm2的小塊,貼在樣品臺上,編號記錄。然后用離子濺射儀對樣品噴金。2結(jié)果與討論2.1源樣品的形態(tài)特征分析在掃描電鏡下,可以看到不同顆粒物的形態(tài)存在較明顯的差異(圖1-5)。2.1.1細(xì)胞培養(yǎng)生長第一生長纖維,主要有暗道路塵(圖1)表現(xiàn)為多數(shù)顆粒物表面較光滑、質(zhì)地致密,粒徑較大;個(gè)別粒徑較小,形狀不規(guī)則,表面粗糙、明暗相間。平均粒徑約為10μm,最大粒徑為100μm,最小粒徑為0.5μm。2.1.2天然晶體結(jié)構(gòu)揚(yáng)塵(圖2)表現(xiàn)為40%的顆粒物表面較為光滑、質(zhì)地致密,形狀較圓潤,其中有些可見其天然晶體結(jié)構(gòu);分析為長石、SiO2等,其它形狀不規(guī)則,表面粗糙,有片狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu),也有絮狀結(jié)構(gòu)、絲狀結(jié)構(gòu),分析為煤煙塵、有機(jī)質(zhì)類。粒徑大小不均勻,平均粒徑約為9μm,最大粒徑為70μm,最小粒徑為2μm。2.1.3天然晶體結(jié)構(gòu)土壤風(fēng)沙塵(圖3)表現(xiàn)為顆粒物表面光滑、明亮,質(zhì)地致密,形狀較為規(guī)則,可見其天然晶體結(jié)構(gòu)。平均粒徑約為30μm,最大粒徑為80μm,最小粒徑為5μm。2.1.4顆粒的滑動(dòng)試驗(yàn)建筑塵(圖4)表現(xiàn)為多數(shù)形狀較規(guī)則、無棱角,表面不光滑,少數(shù)為較大的圓滑球狀顆粒。分析結(jié)果為:以泥土和水泥塵成分為主,其他以SiO2為輔,平均粒徑約為7μm,最大粒徑為30μm,最小粒徑為2μm。2.1.5燃燒結(jié)構(gòu)的變化煤灰(圖5)表現(xiàn)為多數(shù)顆粒物相互聚集、形狀不規(guī)則、表面粗糙、明暗不均,有的燃燒完全可見蜂窩狀結(jié)構(gòu)(圖5a);有的燃燒不完全呈片狀結(jié)構(gòu)(圖5b)。平均粒徑約為10μm,最大粒徑為600μm,最小粒徑為1μm。2.2采暖期受體樣品檢測根據(jù)采暖期受體樣品的電鏡圖片(圖6)可以看出:在放大1500倍電鏡下,毛絨狀聚合體吸附在玻璃纖維上,其中夾雜著球狀顆粒物;在放大5000倍的電鏡下,形狀不規(guī)則、表面粗糙、明暗相間;部分顆粒無棱角、表面光亮,呈球狀和天然晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)與源樣品掃描電鏡圖片對比可見,采暖期受體樣品圖片與揚(yáng)塵、土壤風(fēng)沙塵具有較大相似性,均為表面光滑、質(zhì)地致密,可見天然晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析,受體樣品中主要成分為揚(yáng)塵和土壤風(fēng)沙塵等。根據(jù)非采暖期受體樣品的電鏡圖片(圖7)可以看出:在放大1500倍電鏡下,多數(shù)顆粒形狀較為規(guī)則、質(zhì)地致密,電鏡圖片與源樣品的土壤風(fēng)沙塵圖片相類似;在放大5000倍的電鏡下,多數(shù)形狀較規(guī)則、無棱角、表面不光滑,與建筑塵電鏡圖片吻合度高。經(jīng)分析,受體樣品中主要成分為土壤風(fēng)沙塵和建筑塵。通過對源樣品電鏡圖片的分析可以看出:各污染源均可以從形狀和粒徑上加以區(qū)分。而在大氣TSP采暖期樣品中,由于選用的濾膜過于粗糙,較小的顆粒物滲入到濾膜中,所以觀察到的顆粒物特征不明顯,但仍可以看出揚(yáng)塵和土壤風(fēng)沙塵占較大比重。非采暖期對選用的濾膜進(jìn)行了改進(jìn),分析效果較明顯。2.3非采暖期各污染源貢獻(xiàn)率分析筆者在文獻(xiàn)中采用CMB受體模型對吉林市大氣顆粒物進(jìn)行了源解析研究。具體方法是:將采集的樣品通過X射線熒光光譜分析等方法得到源及受體成分譜數(shù)據(jù)庫,把源及受體的成分譜帶入CMB8.2模型,得出不同排放源對受體的貢獻(xiàn)值及貢獻(xiàn)率。計(jì)算結(jié)果表明:吉林市采暖期各類污染源對空氣中TSP貢獻(xiàn)由大到小依次是揚(yáng)塵、土壤風(fēng)沙塵、道路塵和燃煤塵,其貢獻(xiàn)率分別為52.14%、33.05%、28.65%和8.09%。其中對TSP貢獻(xiàn)最大的是揚(yáng)塵、土壤風(fēng)沙塵、道路塵3類源。非采暖期各類源對TSP貢獻(xiàn)由大到小依次為建筑塵、土壤風(fēng)沙塵、道路塵、揚(yáng)塵和燃煤塵,其貢獻(xiàn)率分別為49.55%、37.66%、17.91%、11.38%和3.83%。在非采暖期,對該市貢獻(xiàn)最大的是建筑塵,其次是土壤風(fēng)沙塵。CMB受體模型能定性識別對受體有貢獻(xiàn)的污染源并定量計(jì)算各污染源的貢獻(xiàn)率。而掃描電鏡法用于對大氣顆粒物來源進(jìn)行定性和半定量的分析,它作為CMB受體模型方法的輔助方法,便于更好地對氣溶膠進(jìn)行形貌觀察和主要成分分析,對于研究顆粒物的物理特征和形態(tài)分布,效果更為直觀。本文應(yīng)用掃描電鏡法對吉林市大氣顆粒物的分析結(jié)果與CMB受體模型分析的結(jié)果是