石家莊市城市道路揚(yáng)塵成分譜及特征分析

張 濤，孫彥敏

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心 , 河北石家莊 050022)

石家莊市城市道路揚(yáng)塵成分譜及特征分析

張 濤，孫彥敏

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心 , 河北石家莊 050022)

大氣污染防治工程;石家莊市;城市道路揚(yáng)塵;成分譜;特征分析

石家莊市處于國家劃定的京津冀重點(diǎn)大氣污染防治區(qū)域，被國家列入率先實(shí)施新的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的城市。2015年，在中國74 個實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)第一階段監(jiān)測的城市中石家莊市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)排名列第67位[1]，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對大氣污染貢獻(xiàn)最大的為顆粒物(PM10和PM2.5)[2]。根據(jù)《2013年石家莊市環(huán)境空氣PM10及PM2.5源解析科研項(xiàng)目》研究結(jié)果，2013年石家莊市城市揚(yáng)塵在PM10中年分擔(dān)率為28.7%，在PM2.5中為12.9%，春季城市揚(yáng)塵在PM2.5中提升到24.6%。隨著城市規(guī)模擴(kuò)大，交通道路成倍增長，機(jī)動車保有量急劇增加，由道路交通引起的揚(yáng)塵污染已成為城市揚(yáng)塵的主要來源，重污染天氣期間石家莊市NO2濃度與PM2.5濃度相關(guān)性高于SO2與PM2.5相關(guān)性，PM2.5的峰值濃度滯后于NO2，反映了機(jī)動車尾氣二次轉(zhuǎn)化對PM2.5污染的影響[3]。因此科學(xué)防控道路揚(yáng)塵污染是改善石家莊市環(huán)境空氣質(zhì)量的一種重要途徑[4]。

本文通過對石家莊市城市道路揚(yáng)塵進(jìn)行樣品采集及分析[5]，建立了石家莊市城市道路揚(yáng)塵成分譜，并對道路揚(yáng)塵成分譜特征進(jìn)行了研究分析，從而為環(huán)境管理部門采取切實(shí)有效的治理措施提供可靠的技術(shù)支撐[6]，同時也為中國大氣顆粒物來源解析工作提供參考依據(jù)。

1 樣品采集及分析

1.1 道路揚(yáng)塵樣品采集

在石家莊市區(qū)二環(huán)以內(nèi)選取 4條主干道、2條快速路、2條次干道、4條支路作為本次采樣路段。于2013年5月下旬對主干道、快速路，每隔3 km采集一個樣品；對次干道、支路在主要交通路口各采集2個樣品,共獲得12個路段的26個樣品[7]。采樣點(diǎn)位圖[8]見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)位圖Fig.1 Sampling point bitmap

用帶有配套紙袋的真空吸塵器，在擬定的點(diǎn)位區(qū)域以1 m2/min的速度均勻吸取機(jī)動車道與非機(jī)動車道間路面上的揚(yáng)塵，樣品量不低于500 g，采樣完畢后取下吸塵紙袋，檢查是否有破損，完好即裝入密封袋中，同時記錄采樣信息。

1.2 樣品的制備

將采集的樣品在實(shí)驗(yàn)室自然晾干后，用106 μm(140目)的尼龍篩對其進(jìn)行分篩，將分篩后的樣品取約50 g，再過38 μm(400目)尼龍篩后收集裝入密封袋中備用于再懸浮。

1.3 再懸浮PM10及PM2.5樣品的采集

將制備好的樣品引入顆粒物再懸浮系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)，由不同切割頭完成對PM10和PM2.5的聚丙烯濾膜和石英濾膜采樣。再懸浮系統(tǒng)采用南開大學(xué)研制的NK-ZXF顆粒物再懸浮采樣器，濾膜使用Waltman公司生產(chǎn)的47 cm聚丙烯膜和石英膜。

1.4 樣品分析

對采集的濾膜樣品進(jìn)行了無機(jī)元素、水溶性離子和碳分析。具體分析項(xiàng)目見表1。

表1 樣品分析項(xiàng)目表

1.4.1 無機(jī)元素分析

取1/4濾膜樣品用陶瓷剪刀剪碎，放入燒杯中，經(jīng)少量去離子水(2～3 mL)潤濕后，加入硝酸(優(yōu)級純)20 mL和高氯酸(優(yōu)級純)2 mL，置于電熱板上加熱，保持微沸，待有白煙冒出，表明高氯酸開始分解，再適當(dāng)提高溫度，蒸至近干，當(dāng)剪碎的濾膜有明顯收縮時，將燒杯取下。待樣品冷卻后，加入少量去離子水，用中速定量濾紙過濾殘渣，將濾液收集于定容試管中；再用少量去離子水洗濾渣2～3次，也收集于定容試管中，定容至25 mL，待測。此消解方法適用于Ca，S，Na，Mg，Al，V，Ti，As，Hg，Cr，Ba，F(xiàn)e，Mn，Ni，Cu，Zn，Pb，K，Co，Se，Br，Sd的測定。

取1/4濾膜樣品用陶瓷剪刀剪碎，放入聚四氟乙烯消解罐中，加入3%(質(zhì)量體積比)氫氧化鉀溶液20 mL，放置于消解罐專用加熱儀器中，保持微沸，蒸至近干，取下消解罐。過濾，用塑料試管收集濾液并定容至25 mL，待測。此消解方法適用于Si。

經(jīng)預(yù)處理后，用Agilent 7700X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定各無機(jī)元素的含量。

1.4.2 水溶性離子分析

用模具裁取1/8石英濾膜，剪碎后置于25 mL玻璃具蓋離心管中，準(zhǔn)確加入20 mL超純水，超聲萃取60 min，將提取液離心3 min，上清液用0.22 μm一次性過濾頭過濾后進(jìn)入Dionex ICS-2000離子色譜儀分離出陰陽離子，測定水溶性離子的含量。

1.4.3 碳元素分析

從石英濾膜上裁下面積為0.53 cm2小圓片狀樣品，放在DRI2001A型熱/光碳分析儀的進(jìn)樣平臺上，通過設(shè)定好的分析程序，對樣品進(jìn)行碳分析，獲得元素碳和有機(jī)碳的分析結(jié)果。

熱譜圖上無氧加熱時段與各個溫度臺階相對應(yīng)的碳為OC1，OC2，OC3，OC4；而有氧加熱步驟中對應(yīng)各個溫度臺階的碳為EC1，EC2，EC3；其中，EC1中包含了OPC。檢測樣品對633 nm激光的反射光強(qiáng)的變化，將反射光強(qiáng)回到初始光強(qiáng)的時刻定義為EC的起始點(diǎn)，從EC1中分離出OPC。最終，顆粒物樣品的有機(jī)碳總量(TOC)被定義為(OC1+OC2+OC3+OC4+OPC)，元素碳總量(TEC)被定義為(EC1+EC2+EC3-OPC)。

1.4.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

每批次樣品采取校準(zhǔn)曲線校核、試劑空白分析、實(shí)驗(yàn)室空白、全程序空白及加標(biāo)回收質(zhì)控措施，保證樣品準(zhǔn)確度和精密度，校準(zhǔn)點(diǎn)每種元素偏差≤10%，試劑空白的測試結(jié)果均低于方法檢出限，兩次測定的實(shí)驗(yàn)室空白中各待測元素含量的相對偏差≤20%。全程序空白中各待測元素含量的相對偏差>20%，各待測元素的加標(biāo)回收率一般控制在80%～120%。

2 結(jié)果與分析

2.1 石家莊市城市道路揚(yáng)塵源成分譜

城市道路揚(yáng)塵往往被反復(fù)揚(yáng)起-沉降，來源復(fù)雜，屬于混合源類，揚(yáng)塵源主要來自[9]：1)鄰近土壤因風(fēng)蝕、水蝕作用帶來的泥沙與塵土；2)機(jī)動車運(yùn)輸攜帶、灑落的泥沙；3)機(jī)動車行駛排放尾氣中的顆粒物; 4)建筑施工因風(fēng)蝕作用帶來的建筑塵；5)燃煤排放顆粒物降塵;6)大氣降塵。石家莊市城市道路揚(yáng)塵PM10及PM2.5源成分譜[10]，見表2。

表2 石家莊市城市道路揚(yáng)塵顆粒物中成分含量及偏差

Tab.2 Composition and deviation of particulate matter in urban road dust in Shijiazhuang %

元素組合PM10PM2．5Ca11．91±4．1720．23±7．62Si2．87±0．663．27±1．17Fe2．51±0．413．47±0．89Mg1．393±0．2861．244±0．433Al1．383±0．1891．881±0．361Na0．262±0．1860．692±0．742K0．258±0．1230．799±0．642Zn0．0946±0．15190．0355±0．0190Mn0．0581±0．01000．0698±0．0177Ti0．0452±0．00860．0371±0．0205Ba0．0402±0．01040．0523±0．0129Pb0．0106±0．00530．0592±0．1480Cu0．0151±0．00560．0392±0．0225Cr0．0119±0．00370．0283±0．0163Ni0．0106±0．00430．0278±0．0251V0．0038±0．00080．0043±0．0017As0．0013±0．00020．0026±0．0032Br0．0008±0．00120．0020±0．0027Cd0．0001±0．00010．0026±0．0073Co0．0008±0．00030．0002±0．0003Se0．0002±0．00000．0002±0．0001Hg0±10．0001±0．0002S0±00±0總計20．8931．94離子組分PM10PM2．5Ca2+3．85±0．008811．74±2．25SO2-41．217±0．4773．102±0．912Na+0．609±0．2292．594±1．237NO-30．354±0．0891．532±0．909K+0．427±0．2561．310±0．500Cl-0．362±0．1251．321±0．395Mg2+0．177±0．0540．500±0．143總計7．0022．1碳組分PM10PM2．5TC8．77±1．8610．11±2．12OC7．97±1．598．89±1．73EC0．87±0．431．48±0．53

為了便于分析，本研究將質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%的成分作為主量組分，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%的成分作為次量組分進(jìn)行分析[11]，石家莊市城市道路揚(yáng)塵的化學(xué)組分含量分布見表3。

表3 道路揚(yáng)塵顆粒物中化學(xué)組分含量分布

2.2 道路揚(yáng)塵中元素成分特征

2.3 道路揚(yáng)塵中離子成分特征

圖2 道路揚(yáng)塵中離子含量分布圖Fig.2 Distribution of ion content in road dust

2.4 道路揚(yáng)塵中碳組分特征

分析道路揚(yáng)塵特征譜，可見顆粒物PM10中OC 和EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7.97%和0.87%，ρOC/ρEC[14]為9.16，PM2.5中OC和EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.89%和1.48%，ρOC/ρEC為6.0。 文獻(xiàn)[15]的研究人員認(rèn)為ρOC/ρEC大于2%時常用來識別二次有機(jī)碳的生成，說明二次有機(jī)碳污染也是城市道路揚(yáng)塵的重要來源。

3 結(jié) 論

1)通過研究分析獲得石家莊市城市道路揚(yáng)塵PM10及PM2.5的成分譜，并由此可知，石家莊市城市道路揚(yáng)塵標(biāo)識性元素為Ca和Si；

2)通過分析石家莊市城市道路揚(yáng)塵PM10，PM2.5成分譜特征，得出建筑施工、燃煤排放、土壤揚(yáng)塵和機(jī)動車污染是道路揚(yáng)塵的主要來源；

由此可知，要減少石家莊市城市道路揚(yáng)塵，必須采取綜合治理的方法。

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Component spectrum and emission characteristic analysis of the urban road dust in Shijiazhuang City

ZHANGTao， SUN Yanmin

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang,Hebei 050022, China)

atmospheric pollution control engineering; Shijiazhuang City; urban road dust; component spectrum; characteristic analysis

1008-1534(2017)02-0150-05

2016-08-30;

2017-02-26；責(zé)任編輯：李 穆

河北省科技支撐計劃項(xiàng)目(13273702D)

張 濤(1977—)，男，河北鹿泉人，高級工程師，碩士，主要從事大氣污染方面的研究。

E-mail:7178817@qq.com

X513

A

10.7535/hbgykj.2017yx02013

張 濤，孫彥敏.石家莊市城市道路揚(yáng)塵成分譜及特征分析[J].河北工業(yè)科技,2017,34(2):150-154. ZHANG Tao，SUN Yanmin.Component spectrum and emission characteristic analysis of the urban road dust in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(2):150-154.