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。季風氣候交替發(fā)生，四季分明。西南風是其主導的風向，年平均風速為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)計顯示:二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳年日均值輕微超標,總懸浮顆粒物年日均值濃度超標較大,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的貢獻情況,對于大氣顆粒物的污染防治具有指導意義。多年來,國內外研究學者不斷應用多種測量技術,對源和受體的大氣顆粒物樣品進行形態(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、顏色和光學性質,通過單個粒子的這些形態(tài)學參數(shù)可以定性地鑒別氣溶膠的來源,甚至可以分辨出單個源。青島、廣州等城市已成功應用掃描電鏡技術對大氣顆粒物的來源進行研究,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)學參數(shù)定性地鑒別出大氣顆粒物的來源,為CMB模型計算結果提供定性和半定量的依據(jù)。1試驗部分1.1樣品采集1.1.1采樣時間、采樣位點選取受體樣品采用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,采樣點位包括化工學院院內、哈達灣、環(huán)境監(jiān)測站、電力學院共4個。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主要是揚塵、土壤風砂氣在綜合分析吉林市自然環(huán)境特征及城區(qū)分布特點的基礎上,源類樣品選用道路塵、揚塵、建筑塵、土壤風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;揚塵樣品是在居民區(qū)采用網(wǎng)格布點,收取二、三樓道內長期未打掃的窗臺上的積灰,共取樣21個;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1個點位,采集樣品1個;土壤風沙塵樣品在城市四郊東、南、西、北方向均勻布點,在主導風向西南風的下風向加密布點,共布設11個點位,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;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個樣品。1.2樣品采集和表征所有源類樣品在實驗室自然晾干之后,過150目篩,然后對各類樣品分別混樣,放入干燥器內保存,待測;受體樣品采樣前,空白有機濾膜在烘箱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,平衡3d,稱重;采樣后,濾膜放入干燥器內,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、粒徑分布及結晶學特征的一種先進分析手段。本文采用HITACHI-X650型掃描電子顯微鏡進行分析。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、質地致密,粒徑較大;個別粒徑較小,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天然晶體結構揚塵(圖2)表現(xiàn)為40%的顆粒物表面較為光滑、質地致密,形狀較圓潤,其中有些可見其天然晶體結構;分析為長石、SiO2等,其它形狀不規(guī)則,表面粗糙,有片狀結構、蜂窩狀結構,也有絮狀結構、絲狀結構,分析為煤煙塵、有機質類。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天然晶體結構土壤風沙塵(圖3)表現(xiàn)為顆粒物表面光滑、明亮,質地致密,形狀較為規(guī)則,可見其天然晶體結構。平均粒徑約為30μm,最大粒徑為80μm,最小粒徑為5μm。2.1.4顆粒的滑動試驗建筑塵(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燃燒結構的變化煤灰(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構(圖5a);有的燃燒不完全呈片狀結構(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構。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塵、土壤風沙塵具有較大相似性,均為表面光滑、質地致密,可見天然晶體結構。經(jīng)分析,受體樣品中主要成分為揚塵和土壤風沙塵等。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、質地致密,電鏡圖片與源樣品的土壤風沙塵圖片相類似;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,但仍可以看出揚塵和土壤風沙塵占較大比重。非采暖期對選用的濾膜進行了改進,分析效果較明顯。2.3非采暖期各污染源貢獻率分析筆者在文獻中采用CMB受體模型對吉林市大氣顆粒物進行了源解析研究。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值及貢獻率。計算結果表明:吉林市采暖期各類污染源對空氣中TSP貢獻由大到小依次是揚塵、土壤風沙塵、道路塵和燃煤塵,其貢獻率分別為52.14%、33.05%、28.65%和8.09%。其中對TSP貢獻最大的是揚塵、土壤風沙塵、道路塵3類源。非采暖期各類源對TSP貢獻由大到小依次為建筑塵、土壤風沙塵、道路塵、揚塵和燃煤塵,其貢獻率分別為49.55%、37.66%、17.91%、11.38%和3.83%。在非采暖期,對該市貢獻最大的是建筑塵,其次是土壤風沙塵。CMB受體模型能定性識別對受體有貢獻的污染源并定量計算各污染源的貢獻率。而掃描電鏡法用于對大氣顆粒物來源進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。本文應用掃描電鏡法對吉林市大氣顆粒物的分析結果與CMB受體模型分析的結果是