天氣因素對(duì)道路灰塵鉑族元素累積的影響

劉玉燕,劉浩峰,曾何華,張 蘭 (.昌吉學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所,新疆 昌吉 800；.新疆昌吉州環(huán)境監(jiān)測(cè)站,新疆 昌吉 800；.首都師范大學(xué)分析測(cè)試中心,北京 0008)

鉑族元素(PGEs)及其化合物是一類(lèi)高發(fā)生率的致敏物,部分 PGEs化合物還具有致癌效應(yīng)[1-6].因具備較好的催化性能,PGEs被作為催化劑廣泛用于汽車(chē)尾氣催化轉(zhuǎn)化器(VECs)裝置,在凈化尾氣的同時(shí),PGEs顆粒物隨尾氣不斷排放并累積于道路環(huán)境,從而形成一種新的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[7-13].

天氣、氣候條件對(duì)污染物遷移、轉(zhuǎn)化及累積具有深刻影響,但已有 PGEs相關(guān)研究主要針對(duì)氣候條件對(duì)道路環(huán)境PGEs累積的影響開(kāi)展了一些研究[14-16],而天氣因素對(duì)其影響的研究報(bào)道較少.鑒于此,本文選擇新疆昌吉市為研究區(qū),以天氣因素對(duì)道路灰塵PGEs累積的影響及其作用機(jī)制為研究?jī)?nèi)容,以期對(duì)了解區(qū)域環(huán)境地球化學(xué)研究?jī)?nèi)容、深化區(qū)域PGEs循環(huán)過(guò)程與機(jī)制提供參考.

1 材料和方法

1.1 樣品采集

以新疆昌吉市為研究區(qū),選擇該市烏昌大道為主要研究路段,在該路段車(chē)流量相對(duì)穩(wěn)定的頭屯河大橋設(shè)采樣點(diǎn)(87.3293°E,44.0011°N).烏昌大道道路類(lèi)型為城市快速路,最低限速為100km/h,車(chē)流量為 4.9×104pcu/d(昌吉州交警大隊(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)).采樣點(diǎn)周邊無(wú)工業(yè)、固廢、污水等其他污染源.選取 2011～2012年期間若干次較為典型的降雪、降雨、大風(fēng)天氣,對(duì)上述天氣變化前后道路灰塵樣品進(jìn)行采樣(表 1).其中,新疆 11月初開(kāi)始降雪,但 12月后,由于氣溫偏低,路面濕度大,灰塵樣品采集難度加大,故降雪的采樣僅在2011年11～12月進(jìn)行.

樣品由昌吉市交警大隊(duì)和環(huán)衛(wèi)局清潔大隊(duì)協(xié)助采集,采集時(shí)固定面積(長(zhǎng) 20m、寬 0.5m,沿路緣石采集)、固定地點(diǎn)、固定時(shí)間(每日15:00),除車(chē)流外,盡可能排除其他人為干擾.通常,于天氣變化前1日或當(dāng)日15:00采樣,如遇降水,需待地面干燥日的 15:00繼續(xù)采樣;如遇連續(xù)幾日降水,地面持續(xù)潮濕,無(wú)法進(jìn)行連續(xù)采樣時(shí),則需等降水徹底結(jié)束后采樣,此連續(xù)性降水也被視為 1場(chǎng)次降水進(jìn)行研究;大風(fēng)天氣時(shí),可在風(fēng)后當(dāng)日或第2日15:00采樣.樣品用毛刷清掃,聚乙烯鏟截取,采樣工具用稀硝酸清洗過(guò),保證每次采樣工具無(wú)污染,采集的樣品除去大塊砂石和樹(shù)葉枝條等雜質(zhì),自然狀態(tài)下風(fēng)干后置于烘箱內(nèi)烘至恒重(85℃,4h),過(guò)200目篩,過(guò)篩后的樣品均于聚乙烯袋中干燥保存.

表1 采樣期相關(guān)天氣條件Table 1 Weather contitions in sampling period

1.2 樣品分析

1.2.1 主要儀器和試劑 Agilent ICP-MS 7500c型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀;Milli-Q超純水系統(tǒng).內(nèi)標(biāo)由 Re標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液配制;調(diào)諧溶液由鋰、鈷、釔、鈰、鉈混合標(biāo)準(zhǔn)溶液配制(Agilent,Part#5184-3566).

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法 稱(chēng)量 5g樣品于 100mL的錐形瓶中,加入 20mL新配置的王水(HCl∶HNO3=3∶1),靜置過(guò)夜后先低溫加熱,然后升溫趕酸至近干時(shí)再加入 20mL新配置的王水,繼續(xù)加熱至5mL時(shí)加入少許水使溶液分散,待溶液冷卻后將樣品和殘?jiān)D(zhuǎn)移至 50mL容量瓶,用水稀釋至刻度,搖勻后靜置2～3d,稀釋50倍后用ICP-MS測(cè)定[13,17-19].應(yīng)用 ICP-MS測(cè)定復(fù)雜環(huán)境基體中的痕量Pt、Pd、Rh時(shí),Pt和Rh受到的質(zhì)譜峰干擾相對(duì)較小,而測(cè)定Pd時(shí)存在著明顯的質(zhì)譜峰干擾,即108Cd、68Zn40Ar、92Mo16O、90ZrO、65Cu40Ar、36Ar69Ga、88Sr17O等對(duì)Pd產(chǎn)生的干擾,這對(duì)痕量Pd的準(zhǔn)確測(cè)定造成一定的困難.

因此,為了準(zhǔn)確測(cè)定樣品中的 Pt、Pd、Rh,采用普通模式測(cè)定 Pt、Rh,采用 ORS技術(shù)測(cè)定Pd.測(cè)定前對(duì)ICP-MS分別采取的兩種模式條件進(jìn)行最佳化選擇[20].元素測(cè)定中所選用的同位素為:103Rh,108Pd,195Pt .

上述實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液系列均由標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋配得,介質(zhì)為 5%硝酸;所用試劑均為優(yōu)級(jí)純,水為超純水.為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,選用如下質(zhì)量控制手段:用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07291、GBW07293測(cè)定進(jìn)行質(zhì)量控制(表2);同時(shí)采用樣品平行控制,對(duì)同一樣品進(jìn)行多次測(cè)定,其平均差不得超過(guò)3%.

表2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07291、GBW07293測(cè)定結(jié)果(ng/g)Table 2 The determination results of national standard product (GBW07291、GBW07293) (ng/g)

2 結(jié)果與討論

2.1 降雪對(duì)道路灰塵PGEs累積的影響

2.1.1 降雪前后道路灰塵PGEs含量變化 11月9日、10日發(fā)生連續(xù)性降雪,降雪前 Rh、Pd、Pt含量分別為3.428,32.31,3.08ng/g,降雪后Rh、Pd、Pt含量分別為3.88,64.1,6.568ng/g,PGEs含量均呈明顯上漲趨勢(shì)(圖1).

圖1 降雪前后道路灰塵PGEs含量變化Fig.1 PGEs concentration before and after the snow

11月15日降雪前后PGEs含量變化:降雪前Rh、Pd、Pt含量分別為 5.99,27.20,5.23ng/g,降雪后 Rh、Pd、Pt含量分別為 4.47,25.28,4.12ng/g,PGEs含量均呈下降趨勢(shì)(圖1).

11月22日、25日降雪前后PGEs含量變化:11月22日,發(fā)生雨夾雪天氣,地面尚未干燥,25日再次發(fā)生零星飄雪,故將其視為 1場(chǎng)次連續(xù)性降雪進(jìn)行研究.降雪前Rh、Pd、Pt含量分別為6.0,51.96,7.37ng/g,降雪后 Rh、Pd、Pt含量分別為6.91,54.07,8.11ng/g,PGEs含量均呈明顯上漲趨勢(shì)(圖1).

12月3日降雪前后PGEs含量變化:降雪前Rh、Pd、Pt含量分別為 6.21,55.07,8.02ng/g,降雪后 Rh、Pd、Pt含量分別為 4.78,52.82,6.67ng/g,PGEs含量呈下降趨勢(shì)(圖1).

2.1.2 主要影響因素 降雪時(shí)道路灰塵 PGEs的輸入除了汽車(chē)VECs的直接排放,還有大氣濕沉降帶來(lái)的 PGEs[19],而此時(shí)道路灰塵 PGEs主要輸出途徑則依賴(lài)于由降水形成的徑流或人為對(duì)積雪的清掃.降雪時(shí),路面能否形成徑流,主要影響因素是降水量與氣溫,氣溫高于 0℃、降水量高于5mm以上時(shí),則可能形成徑流[21-22];氣溫低于 0℃時(shí),積雪不能融化,降水量無(wú)論大小,無(wú)法形成徑流,降雪均被機(jī)械或人力清除.將采樣期內(nèi)降雪類(lèi)型依據(jù)其對(duì)道路灰塵 PGEs累積的影響進(jìn)行劃分:

降水量小(12h降水量＜5mm),且氣溫高于0℃以上時(shí)的降雪、雨夾雪:如11月9日、10日與11月22日、25日降雪.降雪自然消融,因降水量小未形成徑流,道路灰塵 PGEs缺乏輸出途徑,造成PGEs明顯累積,PGEs含量上升.

降水量大(12h降水量＞5mm),且氣溫高于0℃以上時(shí)的降雪或雨夾雪:如11月15日降雪.因氣溫高,降雪量大,積雪融化,形成徑流,道路灰塵 PGEs隨徑流大量輸出,道路灰塵PGEs含量下降.

降雪量無(wú)論大小,氣溫低于 0℃時(shí)的降雪:如12月 3日降雪.因氣溫偏低,積雪不能融化,需人為清除,道路灰塵中部分 PGEs被積雪吸附并隨積雪被清除,PGEs含量下降.交通區(qū)積雪中PGEs的相關(guān)研究亦證實(shí)了這個(gè)結(jié)論[23].

2.2 降雨對(duì)道路灰塵PGEs累積的影響

2.2.1 降雨前后道路灰塵 PGEs含量變化 2012年5月4日、5日、7日降雨前后PGEs含量變化:5月4日、5日、7日分別降小雨.4日降雨前,Rh、Pd、Pt含量分別為 7.65,48.25,8.04ng/g,4日降小雨后 Rh、Pd、Pt含量分別為8.15,56.03,9.01ng/g,PGEs上升明顯;5日降小雨后,Rh、Pd、Pt含量分別為8.18,58.15,10.00ng/g,PGEs含量依舊升高,但上漲趨勢(shì)減緩;7日降雨后,Rh、Pd、Pt含量分別為 6.47,37.55,7.65ng/g,PGEs不再升高,反而呈下降趨勢(shì)(圖2).

圖2 降雨前后道路灰塵PGEs含量變化Fig.2 Variation PGEs Pollution concentration before andafter the rain

2012年5月19日、20日降雨前后PGEs含量變化:5月18日降雨前,Rh、Pd、Pt含量分別為6.18,44.12,4.90ng/g,5月19日小雨后,Rh、Pd、Pt含量分別為10.59,51.37,9.68ng/g,PGEs明顯上升;5月20日中雨后,Rh、Pd、Pt含量分別為 8.72,41.86,8.09ng/g,PGEs含量明顯下降(圖2).

2012年6月3日降雨前后PGEs含量變化:降雨前 Rh、Pd、Pt含量分別為 9.35,42.93,10.97ng/g,降雨后 Rh、Pd、Pt含量分別為 6.76,36.74,8.04ng/g,PGEs明顯下降(圖2).

2.2.2 主要影響因素 降雨時(shí)道路灰塵 PGEs的輸入途徑與降雪相同,即除了汽車(chē) VECs的直接排放,還有大氣濕沉降帶來(lái)的 PGEs,但其主要輸出途徑則僅依賴(lài)于降雨徑流.只有當(dāng)降水量高于 5mm以上時(shí),才有可能形成徑流[21-22].將采樣期內(nèi)降雨類(lèi)型依據(jù)其對(duì)道路灰塵PGEs累積的影響進(jìn)行劃分.

單場(chǎng)次小雨(12h降水量＜5mm):如2012年5月4日、5月5日、5月19日的單場(chǎng)次降雨.因降水量小未形成徑流,道路灰塵 PGEs缺乏輸出途徑,造成PGEs明顯累積,PGEs含量上升.

單場(chǎng)次中雨以上降雨(12h降水量＞5mm):如5月20日、6月3日降雨.因降雨量大,形成徑流,道路灰塵PGEs隨徑流大量輸出,道路灰塵PGEs含量下降.

連續(xù)性小雨(12h降雨量＜5mm):如2012年5月4日、5日、7日連續(xù)小雨事件.小雨因濕沉降增加了PGEs的輸入,但未形成徑流,PGEs缺乏輸出,易累積,但連續(xù)性小雨后,PGEs累積達(dá)到上限,再降小雨,其含量不再升高并呈緩慢下降趨勢(shì).

干旱區(qū)降水稀少,且單場(chǎng)次降水以小雪、小雨為主,這種天氣形勢(shì)更易于道路灰塵 PGEs的累積.

2.3 大風(fēng)天氣對(duì)道路灰塵PGEs累積的影響

2.3.1 大風(fēng)前后道路灰塵 PGEs含量變化 2011年 11月 8日大風(fēng)前,Rh、Pd、Pt含量分別為6.97,39.93,12.17ng/g,大風(fēng)后,Rh、Pd、Pt含量分別為3.43,32.31,3.08ng/g,大風(fēng)天氣后,灰塵PGEs含量明顯下降(圖3).

圖3 大風(fēng)前后道路灰塵PGEs含量變化Fig.3 Variation of PGEs concentration before and after the strong wind

2012年4月29日小雨、大風(fēng)前后PGEs含量變化:天氣變化前Rh、Pd、Pt含量分別為11.78,51.56,9.59ng/g,天氣變化后Rh、Pd、Pt含量分別為 5.90,27.55,5.55ng/g.小雨與大風(fēng)后,PGEs含量呈明顯下降趨勢(shì)(圖3).

2012年5月10日大風(fēng)前后PGEs含量變化:大風(fēng)前,Rh、Pd、Pt含量分別為 8.03,39.92,9.11ng/g,大風(fēng)后,Rh、Pd、Pt含量分別為 7.16,29.18,5.33ng/g,大風(fēng)天氣后,道路灰塵 PGEs含量明顯下降(圖3).

2012年5月26日大風(fēng)前后PGEs含量變化:大風(fēng)前,Rh、Pd、Pt含量分別為 10.79,59.91,12.92ng/g,大風(fēng)后,Rh、Pd、Pt含量分別為 8.03,39.92,9.11ng/g,大風(fēng)天氣后,道路灰塵 PGEs含量明顯下降(圖3).

2.3.2 主要影響因素 大風(fēng)時(shí)道路灰塵 PGEs的輸入途徑主要依賴(lài)汽車(chē) VECs排放,而主要輸出途徑則依賴(lài)于風(fēng)力外遷.通常,4級(jí)以上風(fēng)力即可使地面灰塵揚(yáng)起,使灰塵及其污染物外遷[21].采樣期內(nèi)4場(chǎng)次大風(fēng)天氣的風(fēng)力均在4級(jí)以上,均可形成對(duì)道路灰塵的清除,灰塵中的 PGEs隨之大量外遷.特別是 2012年 4月 29日小雨后,PGEs含量應(yīng)上升,但當(dāng)日緊接著發(fā)生的大風(fēng)天氣又使 PGEs呈明顯下降趨勢(shì),說(shuō)明大風(fēng)天氣對(duì)灰塵中PGEs的外遷能力很強(qiáng).

另外,同樣是降雪前,PGEs含量并不相同,甚至差異較大,如11月15日、12月3日降雪前Pd的含量分別為27.20,55.07ng/g,降雪前的天氣特征是主要影響因素,如雪前干燥期長(zhǎng)短、上場(chǎng)次降水天氣的特征等[24].降雨前、大風(fēng)前的情況類(lèi)似.

3 結(jié)論

3.1 降水量小(12h降水量＜5mm),且氣溫高于0℃以上時(shí)的降雪(包含雨夾雪)后 PGEs含量上升;降水量大(12h降水量＞5mm),且氣溫高于0℃以上時(shí)的降雪(包含雨夾雪)后 PGEs含量下降;氣溫低于0℃時(shí),無(wú)論降雪量大小,雪后PGEs含量下降.

3.2 單場(chǎng)次小雨(12h降水量＜5mm)后PGEs含量上升;單場(chǎng)次中雨及其以上降雨(12h降水量＞5mm)后PGEs含量下降;連續(xù)性小雨(12h降水量＜5mm)后PGEs含量上升,其累積達(dá)到上限,若繼續(xù)降小雨,其含量不再升高反而呈緩慢下降趨勢(shì).

3.3 4級(jí)以上大風(fēng)天氣均可形成對(duì)道路灰塵的清除,灰塵中PGEs隨之大量外遷,風(fēng)后PGEs含量明顯下降.

[1]李培苗,高學(xué)魯.環(huán)境中人為來(lái)源的鉑族元素及其遷移轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2012,23(12):3514-3525.

[2]Gebel T, Lantzsch H, Plesow K, et al.Genotoxicity of platinum and palladium compounds in human and bacterial cells [J].Mutat.Res., 1997,389:183-190.

[3]Sutherland R A, Pearson D G, Ottley C J.Grain size partitioning of platinum-group elements in road-deposited sediments:Implications for anthropogenic flux estimates from autocatalysts[J].Environ.Pollut., 2008,151(3):503-515.

[4]Charlesworth S, Miguel E D, Ordonez A.A review of the distribution of particulate trace elements in urban terrestrial environments and its application to considerations of risk [J].Environmental Geochemistry and Health, 2011,33(2):103-123.

[5]Bonanno G.Trace element accumulation and distribution in the organs of Phragmites australis (common reed) and biomonitoring applications [J].Ecotoxicol.Environ.Saf., 2011, 74(4):1057-1064.

[6]Wang Ya-juan, Li Xiao-zheng.Health risk of platinum group elements from automobile catalysts [J].Procedia Engineering,2012,45:1004-1009.

[7]Zereini F, Alsenz H, Wiseman C L S, et al.Platinum group elements (Pt, Pd, Rh) in airborne particulate matter in rural vs.urban areas of Germany: Concentrations and spatial patterns of distribution [J].Sci.Tot.Environ., 2012,416:261-268.

[8]Orecchio S, Amorello D.Platinum levels in urban soils from Palermo (Italy) [J].Microchemical Journal, 2011,99(2):283-288.

[9]Mihaljevi? M, Galu?ková I, Strnad L, et al.Distribution of platinum group elements in urban soils, comparison of historically different large cities Prague and Ostrava, Czech Republic [J].J.Geochemical Exploration, 2013,124:212-217.

[10]FumMathur R, Balaram V, Satyanarayanan M, et al.Anthropogenic platinum, palladium and rhodium concentrations in road dusts from Hyderabad city, India [J].Environmental Earth Sciences, 2011,62(5):1085-1098.

[11]Zereini F, Dirksen F, Skerstupp B, et al.Sources of anthropogenic platinum-group elements (PGE): automotive catalysts vs PGE-processing industries [J].Environ.Sci.Pollut.Res., 1998,5(4):223-230.

[12]Fumagalli A,Faggion B,Ronchini M et al.Platinum, palladi and rhodium deposition to the Prunus laurus cerasus leaf surfas an indicator of the vehicular traffic pollution in the city Varese area[J].Environ.Sci.Pollut.Res., 2010,17:665-673.

[13]Wang Juan, Zhu Ruo-hua, Shi Yan-zhi.Distribution of platinum group elements in road dust in the Beijing metropolitan area China [J].Journal of Environmental Sciences, 2007,19:29-34.

[14]Munksgaard N C, Lottermoser B G.Mobility and potential bioavailability of traffic-derived trace metals in a ‘wet–dry’tropical region, Northern Australia [J].Environ.Earth Sci., 2010,60:1447-1458.

[15]Whiteley J D.Seasonal variability of platinum, palladium and rhodium (PGE) levels in road dusts and roadside soils, Perth,Western Australia [J].Water Air Soil Pollut., 2005,160:77–93.

[16]劉玉燕,王玉杰.干旱區(qū)氣候條件對(duì)道路灰塵及土壤 Pd、Rh累積的影響 [J].中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(9):1528-1532.

[17]朱 燕,李曉林,李玉蘭,等.同位素稀釋電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析降塵中鉑族元素 [J].分析化學(xué), 2011,39(5):695-699.

[18]徐玲玲,高 博,陸 瑾,等.北京市中心城區(qū)道路塵土中鉑族元素的污染特征 [J].環(huán)境科學(xué), 2011,32(3):736-741.

[19]Pan Su-hong, Sun Ya-li, Zhang G, et al.Spatial distributions and characteristics of platinum group elements (PGEs) in urban dusts from China and India [J].Journal of Geochemical Exploration,2013,128:153-157.

[20]馮 敏,王英鋒,張 蘭,等.應(yīng)用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP2MS)的八級(jí)桿碰撞/反應(yīng)池(ORS)技術(shù)測(cè)定地質(zhì)樣品中的鉑﹑銠、鈀 [J].環(huán)境化學(xué), 2010,29(3):555-557.

[21]Vaze J, FrancisH S.Experimental study of pollutant accumulation on an urban road surface [J].UrbanWater, 2002,4:379-389.

[22]Venkatram A.A critique of emp irical emission factor models : a case study of the AP242model for estimating PM10emissions from paved roads [J].Atmos pheric Environment, 2000,34:1-11.

[23]劉玉燕,劉浩峰,張 蘭.干旱區(qū)城市昌吉降雪及積雪中PGEs含量分布及其影響因素 [J].環(huán)境科學(xué), 2013,34(2):494-498.

[24]劉玉燕,劉 敏,程書(shū)波.道路灰塵PGEs含量的短期變化過(guò)程分析 [J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009,29(9):1864-1870.