濟(jì)南市環(huán)境空氣中PM2.5的碳組成與特征分析

韓道汶，王思晴，安 偉

（1.濟(jì)南市環(huán)境科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250014；2.山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)，山東濟(jì)南250010）

濟(jì)南市環(huán)境空氣中PM2.5的碳組成與特征分析

韓道汶1，王思晴2，安 偉2

（1.濟(jì)南市環(huán)境科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250014；2.山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)，山東濟(jì)南250010）

對濟(jì)南市環(huán)境空氣中PM2.5中碳組分污染特征的研究結(jié)果表明，濟(jì)南市環(huán)境空氣細(xì)顆粒物中碳主要以有機(jī)碳（OC）和元素碳（EC）的形式存在，二者濃度以冬季最高，且變化趨勢相同；OC占總碳比例較高；冬季二次有機(jī)氣溶膠(SOC)濃度最高，與污染源排放及氣象條件有關(guān)。

PM2.5；碳；有機(jī)碳；元素碳；二次有機(jī)氣溶膠

大氣細(xì)粒子對人體健康、能見度和氣候變化有重要影響并涉及二次污染和跨區(qū)域輸送等問題，因而受到廣泛關(guān)注，是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1～3]，其對人體健康的危害已被國內(nèi)外大量的毒理和流行病學(xué)研究所證實(shí)[4]。PM2.5主要來自化石與生物質(zhì)燃料燃燒過程的一次排放及與之相關(guān)的氣態(tài)前體物的二次轉(zhuǎn)化。碳是大氣細(xì)顆粒物中富含的主要元素之一，主要以有機(jī)碳（Organic Carbon，OC） 和元素碳 （Elemental Carbon，EC） 的形式存在[5]。其中OC既包括燃燒等過程直接排放的一次有機(jī)碳（Primary Organic Carbon，POC），也包括有機(jī)氣體和大氣化學(xué)反應(yīng)生成的二次有機(jī)碳（Secondary Organic Carbon，SOC）。EC主要來源于化石燃料或木材等生物質(zhì)燃料不完全燃燒時(shí)的直接排放。OC對光有散射作用，EC有較強(qiáng)的吸光、吸熱能力，兩者聯(lián)合作用，給人體健康、大氣能見度、氣候變化等帶來一定影響[6～7]。

濟(jì)南市的煤炭燃燒、機(jī)動車尾氣、道路揚(yáng)塵以及工業(yè)污染等共同作用，使得城市顆粒物污染尤其突出。該研究探討了濟(jì)南市PM2.5中碳組分的污染特征，以期為城市細(xì)顆粒物污染防治提供技術(shù)支持。

1 采樣與分析

于2010年1月至2011年1月在濟(jì)南市監(jiān)測中心站樓頂進(jìn)行PM2.5樣品連續(xù)采集，每隔3天采集一個(gè)樣品，每個(gè)樣品連續(xù)監(jiān)測21 h。采樣過程中嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)控措施，確保采集樣品的代表性和有效性。顆粒物中有機(jī)碳和元素碳的濃度采用美國2001A熱光碳分析儀進(jìn)行定量測量。采樣前將石英濾膜在450℃條件下灼燒2 h，以去除殘留碳和其他雜質(zhì)。

2 分析與討論

2.1 PM2.5中OC和EC的濃度

碳組分濃度范圍和平均濃度如圖1所示。結(jié)果表明：采樣期間，PM2.5中ρ(OC)一般高于ρ (EC)。PM2.5中ρ(OC)為（16.98±10.31）μg/m3，日變化范圍在6.5～59.86μg/m3，ρ(EC)為（5.81±2.82）μg/m3，日變化范圍為1.63～23.66μg/m3，且OC/ TC高達(dá)79.30%，OC占PM2.5的14.75%，EC占PM2.5的5.05%，表明碳組分是PM2.5的重要組成部分。與其他城市碳組分濃度的比較結(jié)果如圖2所示，濟(jì)南市略微高于上海、北京，和廣州、杭州等南方城市持平，遠(yuǎn)高于瑞士等歐洲國家水平。

圖1 濟(jì)南市PM2.5中碳組分濃度分布

2.2 PM2.5中碳組分的季節(jié)變化

由圖1可見，PM2.5中OC和EC質(zhì)量濃度隨季節(jié)變化顯著，冬季最高，其次為秋季，而春季和夏季相對較低。主要原因是冬季取暖燃煤量增加，而低溫下機(jī)動車?yán)鋯右苍黾恿藱C(jī)動車尾氣的排放量，同時(shí)冬季氣象特征較穩(wěn)定，風(fēng)速較低，不利于污染物的稀釋擴(kuò)散，因而冬季OC、EC濃度較高；秋季大氣中的光化學(xué)反應(yīng)作用使OC含量上升，OC/EC增高；而春季和夏季氣候變暖，降雨等對碳顆粒物具有沖刷作用，使碳濃度降低。

2.3 PM2.5中的OC/EC值

OC/EC的值可以評價(jià)二次污染的程度。Chow等[8]將 (OC/EC)＞2.0作為判斷生成SOC的依據(jù)，該臨界值已被很多研究者采用。當(dāng) (OC/ EC)＞2.0時(shí)，表明存在SOC。

圖2 濟(jì)南市與其他城市碳組分濃度比較

從圖1可以看出，濟(jì)南市一年四季的OC與EC比值均大于2.0，表明存在SOC，冬季尤其突出。這可能是由于冬季大氣擴(kuò)散條件差，降雨量相對較少，而排放的大氣污染物又較多，濟(jì)南市特殊的地理?xiàng)l件使得這些污染物容易在大氣中積聚，通過光化學(xué)反應(yīng)形成二次有機(jī)碳顆粒物，導(dǎo)致濟(jì)南市冬季二次污染尤為嚴(yán)重。

2.4 二次有機(jī)碳 (SOC)污染程度核算

該研究按照Castro等[9]提出的OC/EC最小比值法來估算樣品中的SOC，估算公式：

式中：OCsec—SOC質(zhì)量濃度（μg/m3）；

OCtot—OC質(zhì)量濃度（μg/m3）；

（OC/EC）min—OC/EC的最小值。

該研究觀測期內(nèi)PM2.5(OC/EC)min的范圍為1. 02～3.24，采用平均值2.13作為(OC/EC)min來計(jì)算SCO的含量，結(jié)果見圖3。

圖3 濟(jì)南市SOC濃度及在OC中的百分含量

由圖3可知，監(jiān)測點(diǎn)OCsec在OC中所占百分比年均值達(dá)到27.12%，表明二次有機(jī)碳是PM2.5中有機(jī)顆粒物的重要組成部分。冬季OCsec/OC達(dá)到37.67%，遠(yuǎn)高于其他季節(jié)的比值，與OC/EC比值的四季變化規(guī)律一致。原因在于冬季增加的供熱燃煤不僅會排放一次碳污染物，同時(shí)污染物排放量的大量增加、不利的天氣擴(kuò)散條件以及特殊地形等，使得氣態(tài)污染物在大氣中的停留時(shí)間較長，增加了生成SOC機(jī)率。這一結(jié)果與其他部分城市的污染規(guī)律比較一致。

3 結(jié)論

碳組分是濟(jì)南市大氣細(xì)顆粒物的重要組成部分，主要以有機(jī)碳（OC）和元素碳（EC）的形式存在，且OC占TC比例較高。二者濃度以冬季最高，且變化趨勢相同。不同采樣時(shí)期都存在不同程度的二次污染，冬季的二次污染比其他季節(jié)嚴(yán)重，這與污染源排放、氣象條件及濟(jì)南市特殊的地理位置等有關(guān)。

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表2 2005-2009年4個(gè)直轄市的碳效率 元/t

圖1 2005-2009年4個(gè)直轄市的碳效率

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The Analysis on the Characteristics of the Carbon Com position of PM2.5in Jinan Atmosphere

Han Daowen1,Wang Siqing2,An Wei2
(1.Jinan Academy of Environmental Sciences,Jinan Shandong 250014,China; 2.Shandong Experimental High School,Jinan Shandong 250010,China）

The analysis results of pollution characteristics of PM2.5in Jinan atmosphere show that the carbon in particles PM2.5in atmosphere exists in the form of OC which has a higher proportion and in the form of EC.The concentrations of OC and EC reach the highest level in winter and with the same trend.The concentration of SOC is highest in winter,which relates with the pollution sources and meteorological condition.

PM2.5;Carbon;OC;EC;SOC

X 831

A

1008-813X（2012）04-0042-03

10.3969 /j.issn.1008-813X.2012.04.013

2012-03-20

韓道汶（1976- ），男，山東濟(jì)南人，畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)熱能工程專業(yè)，高級工程師，主要從事大氣環(huán)境監(jiān)測科研工作。