沈陽(yáng)市大氣PM10濃度變化特征及其無(wú)機(jī)水溶性成分分析

李 媛，姜承志

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

沈陽(yáng)市大氣PM10濃度變化特征及其無(wú)機(jī)水溶性成分分析

李 媛，姜承志

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

霧霾中可吸入顆粒物PM10能通過(guò)呼吸系統(tǒng)沉積于肺部對(duì)人體造成傷害。沈陽(yáng)市為典型的重工業(yè)城市，PM10污染較為嚴(yán)重。本研究主要基于沈陽(yáng)市2006～2015年的大氣顆粒物濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)，探究沈陽(yáng)市近幾年空氣質(zhì)量狀況，大氣污染物的時(shí)空特性。利用中流量采樣器采集顆粒物的樣品(2016)，并對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析；利用火焰原子吸收器分析PM10中主要無(wú)機(jī)水溶性成分(Ca2+和Mg2+)的含量。結(jié)果表明，PM10中無(wú)機(jī)水溶性成分Ca2+的質(zhì)量變化范圍為0.0721～0.3123mg；Mg2+的質(zhì)量變化范圍為0.0354～0.0690mg。

沈陽(yáng)；霧霾；無(wú)機(jī)水溶性離子；PM10

環(huán)境問(wèn)題事關(guān)人類的健康和生存，一直是人們關(guān)心和科學(xué)研究的熱點(diǎn)課題。近些年來(lái)，霧霾天氣持續(xù)擴(kuò)散，嚴(yán)重影響了人民群眾的身體健康、環(huán)境質(zhì)量、社會(huì)穩(wěn)定。霧霾天氣是一種大氣污染狀態(tài)，霧霾是對(duì)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述。

中國(guó)不少地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入霧一起作為災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報(bào)，統(tǒng)稱為“霧霾天氣”。當(dāng)前已引起人們重視的霧霾顆粒物分為兩類：PM2.5(細(xì)顆粒物)和PM10(可吸入顆粒物)。歐盟空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限定，PM10的年平均值最多為25μg/m3。聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織的指導(dǎo)原則建議：PM10的年平均值為10μg/m3。

1 霧霾成分分析

大氣顆粒物化學(xué)組分形成機(jī)理復(fù)雜，來(lái)源多種多樣，對(duì)環(huán)境有相當(dāng)嚴(yán)重的危害。可吸入顆粒物PM10已成為大氣環(huán)境的主要污染物之一?？晌腩w粒物會(huì)危害人體健康，散射太陽(yáng)輻射，影響地球-大氣系統(tǒng)能量平衡，降低能見度[1-3]。流行病學(xué)數(shù)據(jù)表明：顆粒物對(duì)人體健康的危害有季節(jié)性變化，如在同樣顆粒物污染濃度的暴露下,夏季有更高的死亡率和住院率[4]。

大氣顆粒物PM10是環(huán)境大氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于10μm的固態(tài)或液態(tài)顆粒狀物質(zhì)的總稱。降塵和PM10是粒徑不同的2種空氣顆粒物，其化學(xué)組成特征的差異能夠有效傳遞大氣環(huán)境污染的多種信息。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，不同城市大氣PM10化學(xué)組成的時(shí)空分布和來(lái)源存在顯著特點(diǎn)[5-9]。

按化學(xué)組成分類，顆粒物主要由硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、重金屬及有機(jī)物等成分構(gòu)成。其中，重金屬主要包括來(lái)自人為源和自然源的銅、鎘、鉛、錳、鋅、釩等元素，有機(jī)物按其官能團(tuán)分類主要分為多環(huán)芳烴、正構(gòu)烷烴、雜環(huán)化合物及有機(jī)酸等組分。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

沈陽(yáng)市大氣顆粒物濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于沈陽(yáng)市空氣質(zhì)量發(fā)布系統(tǒng)。

2.2 水溶性離子分析方法

取1/4濾膜放入25mL稱量瓶中，加入10mL去蒸餾水，恒溫超聲40min，靜置，用0.45μm濾膜過(guò)濾；再次向原稱量瓶中加入5mL蒸餾水，并置于超聲波清洗器中再次超聲40min后經(jīng)0.45μm微孔濾膜第二次過(guò)濾，將兩次濾液混合。將配置好的溶液用火焰原子吸收(WFX-130B型，北京瑞利分析儀器公司)，分析樣品中的陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+)濃度。

3 沈陽(yáng)市大氣顆粒物濃度變化分析

3.1 沈陽(yáng)市PM10濃度逐月變化特征

圖1為PM10濃度逐月變化趨勢(shì)圖。

圖1 PM10濃度逐月變化趨勢(shì)

從圖1中可以看出，2006年到2015年，沈陽(yáng)市空氣污染物PM10基本上呈現(xiàn)為先下降后升高的趨勢(shì)，PM10大多分布在50μg/m3到200μg/m3之間，變化幅度較大；2006到2015年，最小月均值出現(xiàn)在5月至9月，最大值多出現(xiàn)在1月或12月；其中2014年、2015年出現(xiàn)2月較1月PM10升高，10月到11月急速上升，11月到12月下降的現(xiàn)象；2007年出現(xiàn)7月小峰值現(xiàn)象，形成“W”型趨勢(shì)線；各個(gè)月的月均PM10年際變化趨勢(shì)不明顯。

3.2 PM10濃度季度變化分析

圖2為沈陽(yáng)市 2006-2015年P(guān)M10濃度季度變化趨勢(shì)圖。

從圖2中可以看出，沈陽(yáng)市PM10具有季節(jié)變化的趨勢(shì)。在夏秋季節(jié)低，在春冬季節(jié)則升高，四季PM10變化波動(dòng)比較大，大多分布在60μg/m3到180μg/m3之間；沈陽(yáng)市季節(jié)變化曲線總體呈鋸齒形，各年份內(nèi)PM10先減后增，表現(xiàn)為“U”型波動(dòng)。

對(duì)于形成明顯四季變化的原因，從氣候氣象特征來(lái)看，北方冬季少雨多霧，逆溫天氣較夏季頻繁，且光照較弱，日照時(shí)間短，不利于空氣中污染物的擴(kuò)散和稀釋，是造成冬季污染重的主要原因。而夏季逆溫天氣偏弱，太陽(yáng)福射很強(qiáng)，溫度高，大氣對(duì)流活動(dòng)旺盛，尤其5月左右降水充足，對(duì)空氣中的污染物起到清除和沖刷的作用，故而夏季污染較輕。

圖2 沈陽(yáng)市 2006-2015年P(guān)M10濃度季度變化趨勢(shì)

3.3 PM10濃度年度變化分析

圖3為沈陽(yáng)市2006-2015年P(guān)M10濃度年度變化趨勢(shì)圖。

圖3 PM10濃度年度變化趨勢(shì)

從圖3中可以看出，2006年到2012年沈陽(yáng)市PM10有明顯的下降趨勢(shì)，表明此階段大氣污染得到了有效的控制；2012年開始，PM10升高，到2013年后開始下降。PM10濃度在91μg/m3到128μg/m3之間波動(dòng)。

4 水溶性離子的測(cè)定

Ca2+和Mg2+作為土壤、沙塵的示蹤離子，具有相同的季節(jié)變化趨勢(shì)。Ca2+和Mg2+平均濃度冬季最高，夏季最低，這可能是由于夏季較多的降水，有利于大氣中土壤、沙塵粒子的濕清除；冬季風(fēng)速較大、降水較少，空氣比較干燥有利于土壤、沙塵粒子的再懸浮，使得大氣氣溶膠中Ca2+和Mg2+濃度增加。

利用中流量采樣器采集春季3、4、5月上中下旬的顆粒物的樣品，經(jīng)過(guò)前處理成水溶液，利用火焰原子吸收器進(jìn)行Ca2+和Mg2+成分吸光度分析，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算，得到Ca2+和Mg2+的質(zhì)量與占比，見表1。

沈陽(yáng)市春季PM10質(zhì)量變化范圍為2.8～13.5mg；PM10中無(wú)機(jī)水溶性成分Ca2+的質(zhì)量變化范圍為0.0721～0.3123mg；Mg2+的質(zhì)量變化范圍為0.0354～0.0690mg；PM10中水溶性離子Ca2+占PM10的比例為1.44%～10.6%；PM10中水溶性離子Mg2+占PM10的比例為0.44%～2.03%。

表1 PM10中Ca2+和Mg2+質(zhì)量與占比

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)市2006-2015年P(guān)M10濃度的數(shù)據(jù)整理，大氣顆粒物TSP和可吸入顆粒物PM10的分級(jí)采集，分析其中主要的無(wú)機(jī)水溶性離子(Ca2+和Mg2+)的含量，得出以下結(jié)論：

(1)沈陽(yáng)市年際大氣污染物變化呈“U”型波動(dòng)，春冬季節(jié)污染較嚴(yán)重，夏秋季節(jié)污染較??；PM10波動(dòng)較劇烈，近似為“U”型的變化趨勢(shì)；大氣污染物在2006-2012年呈下降趨勢(shì)，2012年后污染物出現(xiàn)升高現(xiàn)象，2013年開始下降。

(2)沈陽(yáng)市春季PM10質(zhì)量變化范圍為2.8～13.5mg；PM10中無(wú)機(jī)水溶性成分Ca2+的質(zhì)量變化范圍為0.0721～0.3123mg；Mg2+的質(zhì)量變化范圍為0.0354～0.0690mg；PM10中水溶性離子Ca2+占PM10的比例為1.44%～10.6%；PM10中水溶性離子Mg2+占PM10的比例為0.44%～2.03%。

[1] 楊復(fù)沫,馬永亮.細(xì)微大氣顆粒物PM2.5及其研究概況[J].世界環(huán)境,2000 (4):32-34.

[2] 謝驊,王庚辰.北京市大氣細(xì)粒態(tài)氣溶膠的化學(xué)成分研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2001,21(5):432-435.

[3] 謝鵬,劉曉云,劉兆榮,等.我國(guó)人群大氣顆粒物污染暴露-反應(yīng)關(guān)系的研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2009,29(10):1034-1040.

[4] Ostro B.Fine particulate air pollution and mortality in two Southern California counties [J].Environmental Research,1995,70(2):98-104.

[5] Meza-Figueroa D,De la O-Villanueva M,De la Parra M L.Heavy metal distribution in dust from elementary schools in Hermosillo,Sonora,México [J].Atmospheric Environment,2007,41(2):276-288.

[6] 耿彥紅,劉衛(wèi),單健,等.上海市大氣顆粒物中水溶性離子的粒徑分布特征[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2010,30(12):1585-1589.

[7] Tripathi B D,Tripathi A,Misra K.Atmospheric dustfall deposition in Varanasi City [J].Atmospheric Environment Part B-Urban Atmosphere,1991,25(1):109-112.

[8] 姚振坤,馮滿,呂森林,等.上海城區(qū)和臨安本底站 PM2.5的物化特征及來(lái)源解析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2010,30(3):289- 285.

[9] 吳琳,馮銀廠,戴莉,等.天津市大氣中 PM10、PM2.5及其碳組分污染特征分析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2009,29(11):1134-1139.

CharacteristicsofAtmosphericPM10ConcentrationVariationandAnalysisofInorganicWaterSolubleComponentsinShenyang

LI Yuan，JIANG Chengzhi

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Haze inhalable particulate PM10can be deposited through the respiratory system in the lungs and cause harm to the human body.Shenyang City as a typical heavy industrial city,PM10pollution is more serious.This study is based on the observation data of atmospheric particulate matter in Shenyang from 2006 to 2015,and explores the air quality and atmospheric and temporal characteristics of air pollutants in Shenyang in recent years.Samples of the particulate matter (2016) were collected using a flow sampler and the samples were analyzed for chemical composition.The contents of main inorganic water-soluble components (Ca2+and Mg2+) in PM10were analyzed by flame atomic absorber.The results showed that the mass change of Ca2+in PM10was 0.0721～0.3123mg,and the mass change of Mg2+was 0.0354 ～0.0690mg.

Shenyang；haze；inorganic water-soluble ions；PM10

2017-04-07

遼寧省科學(xué)事業(yè)公益研究基金資助項(xiàng)目(201500100)；遼寧省科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(2015225025)；沈陽(yáng)市科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目

(F14-222-5-00)；沈陽(yáng)市委教科委2015“雙服務(wù)”專項(xiàng)資助項(xiàng)目。

李媛(1993—)，女，碩士研究生；通訊作者：姜承志(1974—)，女，博士，副教授。研究方向：大氣污染防治、廢水治理技術(shù)。

1003-1251(2017)06-0084-04

TQ028.3

A

趙麗琴)