民用燃煤排放細顆粒中金屬元素排放特征及單顆粒分析

張銀曉,盧春穎,張 劍,王新鋒,李衛(wèi)軍

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民用燃煤排放細顆粒中金屬元素排放特征及單顆粒分析

張銀曉1,2,盧春穎1,張 劍1,王新鋒1,李衛(wèi)軍2*

(1.山東大學環(huán)境研究院,山東 濟南 250100；2.浙江大學地球科學學院大氣科學系,浙江 杭州 310027)

通過模擬民用煤炭燃燒,采集了5種不同成熟度的典型塊煤燃燒排放的單顆粒和PM2.5樣品.利用帶能譜儀的透射電鏡研究了金屬顆粒的單顆粒特征,運用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和發(fā)射光譜儀獲得了PM2.5樣品中14種金屬元素(包括8種重金屬)的濃度特征.結(jié)果顯示,民用燃煤排放的含金屬元素的顆粒物主要有礦物顆粒、部分碳質(zhì)顆粒、富K顆粒、富S[K]顆粒、富Fe顆粒、富Zn顆粒和富Pb顆粒共7種.5種民用燃煤排放的14種金屬元素占PM2.5的1.29%~15.54%,其中Al、Ca和Na占金屬元素總量的57%~80%,是民用燃煤排放的主要的金屬元素;V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn和Pb這8種重金屬元素占PM2.5的0.09%~2.53%,其中Zn和Pb占重金屬總量的54%~91%,在民用燃煤排放的重金屬中占主導(dǎo).單顆粒分析結(jié)果顯示Zn和Pb元素主要富集在粒徑小于1μm的富Zn和富Pb顆粒中,這些細顆粒能夠直接進入人體,對人體健康造成威脅.因此,建議居民應(yīng)通過使用精煤或天然氣等清潔能源來減少重金屬的排放.

民用燃煤；金屬元素；重金屬；氣溶膠單顆粒；細顆粒

我國是世界上最大的煤炭消耗國,2014年全國煤炭消耗量達41億t,約占全球消耗總量的一半[1-2].在我國城市郊區(qū)及農(nóng)村地區(qū),煤炭是居民用于炊事和取暖活動的主要燃料[3].與工業(yè)活動相比,民用燃煤的燃燒效率低且無任何排放控制措施,初步估計民用燃煤的顆粒物排放因子是工業(yè)活動的100倍以上[4],這也導(dǎo)致了民用燃煤排放的細顆粒物(PM2.5)占所有燃煤活動排放的30%以上[5].最近研究表明民用燃煤對京津冀地區(qū)PM2.5月均濃度的貢獻達到了46%[6].因此,民用燃煤是造成我國北方空氣污染的主要原因之一.

PM2.5濃度增加是造成灰霾產(chǎn)生的本質(zhì)原因[7]. PM2.5的來源多且成分復(fù)雜,作為其成分之一的金屬元素(如Al、Ca、Mg、Na、Fe、Cu、Pb、Cd、Zn、Cr等)一直是備受關(guān)注的熱點[8-9].我國大氣顆粒物中金屬元素的含量表現(xiàn)出采暖期大于采暖前,冬季高、夏季低和北方燃煤城市大于南方一般城市的分布特點[9-13],這表明冬季燃煤是我國大氣顆粒物中金屬元素的重要來源.例如在北京地區(qū),煤炭和生物質(zhì)燃燒對冬季PM2.5中的金屬元素的貢獻率達34.2%[11].燃煤排放的金屬元素,尤其是重金屬,對人體健康存在威脅.相關(guān)研究表明宣威農(nóng)村地區(qū)肺癌的高發(fā)病率與家庭使用煙煤高度相關(guān)[14],Zn、Cd和Pb等重金屬可能導(dǎo)致該地區(qū)室內(nèi)外的可吸入顆粒物(PM10)具有較強氧化性損傷能力[15],從而危害人體健康.因此,研究民用燃煤排放細顆粒物中的金屬元素對大氣污染防治及人體健康評價具有重要意義.

目前在民用燃煤排放方面,相關(guān)研究更多地關(guān)注于PM2.5中碳質(zhì)顆粒物、多環(huán)芳烴和水溶性離子的排放因子特性[16-20],而僅少數(shù)學者研究了金屬元素和重金屬元素的排放特征.這些研究都是利用全樣分析法來測定我國民用塊煤和蜂窩煤燃燒排放的PM2.5中金屬元素的種類和濃度等特征[21-22],但無法獲得含金屬元素顆粒物的形貌特征和混合狀態(tài)等信息.而單顆粒分析方法能夠觀察到含金屬元素顆粒物的形貌、粒徑和混合狀態(tài)等獨特信息,這為解釋大氣中金屬元素的來源和顆粒物的老化機制提供幫助[23].為此,本研究利用單顆粒分析方法,并結(jié)合全樣分析法對民用燃煤排放細顆粒物中的金屬元素進行全面系統(tǒng)的研究.采集了5種不同成熟度的民用塊煤燃燒排放的單顆粒和PM2.5樣品,然后利用單顆粒方法分析了含金屬元素顆粒物的形貌和混合特征,利用全樣分析法測定了PM2.5中14種金屬元素(包括8種重金屬)的濃度特征,進一步探討了重金屬對人體健康的影響.

1 材料和方法

1.1 煤種和采樣系統(tǒng)

如表1所示,本研究共選用了5種不同成熟度的塊煤,包括內(nèi)蒙古褐煤、河北褐煤2種褐煤,和陜西氣煤、陜西不粘煤、山西貧煤3種煙煤.

圖1是實驗室采樣系統(tǒng)的示意.該采樣系統(tǒng)由民用燃煤爐灶、稀釋系統(tǒng)、停留室和采樣裝置4部分組成.燃煤爐灶是在農(nóng)村市場購買的用于燃燒塊煤的傳統(tǒng)爐具.稀釋通道主要用于稀釋和冷卻煙氣,下端連接的鼓風機可以吹入空氣,中間放置的石英膜能夠過濾掉空氣中的顆粒物,保證通入稀釋通道的空氣干凈清潔.停留室由玻璃制成,體積為1m3,主要用于儲存煙氣,與其相連的泵可驅(qū)動煙氣聚集在停留室中.采樣系統(tǒng)由采樣頭和采樣器兩部分組成,其通過導(dǎo)管與停留室相連接.每次實驗完成后,關(guān)閉閥1,打開閥2和停留室上面的蓋子,用鼓風機清理采樣系統(tǒng)30min,以保證采樣系統(tǒng)中無任何殘余的煙氣.

表1 5種煤炭的基本信息及燃燒溫度

注:o表示煤炭的鏡質(zhì)體反射率.

圖1 采樣系統(tǒng)示意

1.2 樣品采集

煤炭燃燒過程可分為引燃階段、明火燃燒階段和燃盡階段[24],其中明火階段的燃燒時間較長、排放的顆粒物較多,是煤炭燃燒的主要過程,因此本研究主要采集了煤炭明火階段時排放的細顆粒物.樣品的采集過程如下:先將煤塊切割成直徑為6~8cm的小煤塊,以便煤炭能夠充分燃燒;然后將煤塊引燃放入燃煤爐灶中,待其達到穩(wěn)定的明火狀態(tài)時,打開2個閥門和泵,煙氣將通過稀釋通道到達停留室;當煙氣充滿整個停留室后,開始采集單顆粒和PM2.5樣品,同時測量爐灶內(nèi)的燃燒溫度(表1).使用DKL-2型大氣單顆粒采樣器,孔徑為0.5mm的采樣頭和直徑為3mm覆有一層碳膜的銅網(wǎng)膜來采集單顆粒樣品.采樣流量為1.0L/min,為確保銅網(wǎng)膜上采集到的顆粒物數(shù)量適中、分布均勻,本次實驗的采樣時長設(shè)置為3~15s.采樣完成后將單顆粒樣品保存在溫度為25 ℃、相對濕度為(20±3)%的干燥箱內(nèi).PM2.5樣品采集使用的是便攜式大氣顆粒物采樣器(MiniVol, AirMetrics, U.S.)和47mm的Teflon膜,采樣流量為10.0L/min,采樣時長為1~2min,采樣完成后將樣品保存于-4℃的冰箱內(nèi)以待進一步分析.

1.3 樣品分析

單顆粒樣品是利用JEOL-2100型透射電子顯微鏡–X射線能譜儀(TEM-EDS)來分析.為保證所分析的顆粒物具有代表性,本實驗從銅網(wǎng)膜的中央到邊緣(顆粒物由粗到細)選擇3~4個網(wǎng)格,對其中含金屬元素的顆粒物進行分析.EDS可以分析顆粒物的元素組成,檢測到原子序數(shù)大于5的元素.由于本實驗使用的是覆蓋一層碳膜的銅網(wǎng)膜,因此我們將不分析Cu元素,且檢測到的C含量也略高于顆粒物中實際的C含量.通過TEM圖片和對應(yīng)的EDS能譜圖,我們能夠獲得顆粒物的形貌特征和元素組成.

Teflon膜采樣前后,將其放置在溫度為20℃和相對濕度為50%的恒溫恒濕條件下平衡24h,然后使用ME5-F型百萬分之一電子天平測量Teflon膜采樣前后的質(zhì)量,計算出質(zhì)量差,得到濾膜上采集到的PM2.5的質(zhì)量.將稱重后的濾膜置于聚四氟乙烯消解罐中,加8mL硝酸、2mL氫氟酸、2mL雙氧水,混合均勻后,蓋上內(nèi)蓋放入外套中,旋緊密封.然后將消解罐放入微波消解儀中加熱,程序升溫至200℃后再冷卻至室溫.取出內(nèi)罐,放置在180℃的電熱板上趕酸至綠豆大小.隨后用2%硝酸定量轉(zhuǎn)移并定容到10mL,從而完成樣品的前處理.利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定6種金屬元素Al、Ca、Mg、K、Na和Fe,利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定8種重金屬元素V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn和Pb,得到溶解后的各金屬元素的質(zhì)量濃度,然后乘以溶液體積,得到整張Teflon膜上各金屬元素的質(zhì)量,各質(zhì)量與PM2.5質(zhì)量的比值即為各金屬元素的濃度(μg/g).

2 結(jié)果和討論

2.1 含金屬元素顆粒物的單顆粒特征

單顆粒分析結(jié)果表明,在民用燃煤排放的細顆粒物中,含金屬元素的顆粒物主要分為7種:礦物顆粒、碳質(zhì)顆粒、富K顆粒、富S[K]顆粒、富Fe顆粒、富Zn顆粒和富Pb顆粒.Li等[25]已對這些顆粒物的分類標準做了描述.

民用燃煤排放的礦物顆粒在透射電鏡電子束下狀態(tài)穩(wěn)定并呈現(xiàn)出不規(guī)則形狀,如圖2A和2B所示.能譜圖表明礦物顆粒主要是由O、Si、Ca、Al、Fe和Mg等元素組成(圖2a和2b).

碳質(zhì)顆粒主要是由豐富的C和少量的O、Si組成,根據(jù)形貌特征可分為有機物和煙塵顆粒[25].單顆粒分析結(jié)果表明,燃煤排放的少量碳質(zhì)顆粒中含有Na元素,如圖2C和2c所示的碳質(zhì)顆粒含有少量的Na和S元素.

單顆粒分析發(fā)現(xiàn)民用燃煤排放少量的富K(圖2D)和富S[K]顆粒(圖2E).S和K元素在電子束下都不穩(wěn)定,容易被破壞并呈現(xiàn)出泡沫狀.能譜圖顯示富K顆粒主要含有K和一定量的O、S等元素(圖2d),而富S[K]顆粒中S元素占主導(dǎo)并含有一定量的K、O等元素(圖2e),這表明這兩類顆粒物的主要成分是K2SO4[26].此外,發(fā)現(xiàn)部分富K顆粒物中還伴隨著Na元素(圖2d).

圖2F顯示的是近圓形的富Fe顆粒,能譜圖表明其主要含有Fe及少量的Ca、Mg、Mn等金屬元素(圖2f).

民用燃煤排放的重金屬顆粒主要包括富Zn和富Pb顆粒.圖3A顯示富S顆粒表面有一層半透明狀的富Zn包裹層,該包裹層主要包括Zn、S、Cl等元素(圖3a).Li等[27]在外場觀測中也發(fā)現(xiàn)了類似的富Zn顆粒,一般認為它們是ZnSO4和ZnCl2.圖3B顯示富Pb顆粒呈深黑色且內(nèi)混在富K顆粒中,能譜表明該顆粒含有Pb和少量的Fe元素等(圖3b).

圖3 民用燃煤排放含重金屬顆粒物的透射電鏡圖及能譜

2.2 金屬元素的排放特征

表2顯示,5種燃煤排放的PM2.5中金屬元素的總濃度為12855.79~155413.43μg/g,所占比例為1.29%~15.54%,其中內(nèi)蒙古褐煤的比例最高,為15.54%,而其他4種燃煤的比例都在4%以下,與內(nèi)蒙古褐煤的結(jié)果相差較大,這可能與煤炭成熟度有關(guān).相關(guān)研究表明煤炭成熟度是影響燃煤排放的主要因素[16,28].例如Chen等[16]研究表明低成熟度煙煤的顆粒物排放因子是高成熟度無煙煤的1~3個數(shù)量級.

表2 5種民用燃煤排放PM2.5中14種金屬元素的濃度及百分含量

注:濃度單位是μg/g,表示每克PM2.5中含有微克的金屬元素;重金屬包括V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn和Pb.

Ge等[22]研究表明民用蜂窩煤和煤餅燃燒排放的相對應(yīng)的14種金屬元素總含量分別占PM2.5的31.18%和12.13%,此結(jié)果遠大于本研究的結(jié)果(除內(nèi)蒙古褐煤外),這可能與煤的制作工藝有關(guān).本實驗采用的塊煤是從市場直接購買的原煤,而Ge等[22]所使用的蜂窩煤是由原煤、石灰、助燃劑、防水劑和粘合劑混合加工制成,煤餅由原煤和粘合劑---黏土混合制成.這些助燃劑和粘合劑等物質(zhì)的混入,可能增加煤炭燃燒排放的金屬量.劉海彪等[21]研究表明民用蜂窩煤的Pb和Zn的排放因子是塊煤的56和6倍.因此,與蜂窩煤和煤餅相比,民用原煤燃燒會排放更少量的金屬元素.

圖4顯示,在2種褐煤排放的金屬元素中,Al和Ca兩者含量之和分別為59%和65%,是占主導(dǎo)的金屬元素;而對于3種煙煤,Na成為含量最高的金屬元素.總體而言,在5種民用燃煤排放的金屬元素中, Al、Ca和Na元素的含量相對較高,三者含量之和為57%~80%,而K、Mg和Fe3種金屬元素的含量相對較低.因此,Al、Ca和Na元素是民用燃煤排放細顆粒物中主要的金屬元素.該結(jié)果與其他研究相似,例如郝曉潔[29]研究了宣威煤燃燒排放的顆粒物中金屬元素的質(zhì)量濃度,發(fā)現(xiàn)Al、Ca和K這3種元素含量較大,是主要的金屬元素,但此結(jié)果中K元素含量與本文結(jié)果略有不同,這可能與使用的煤種有關(guān),而且此研究未檢測Na元素的含量.

圖4 5種民用燃煤排放PM2.5中金屬元素的相對濃度百分比

2.3 重金屬的排放特征

重金屬是民用燃煤排放的PM2.5中重要的組成部分[21].本研究表明5種民用燃煤排放的重金屬總量為910.93~25285.71μg/g,占PM2.5的0.09%~2.53% (表2),占金屬元素總量的5%~23%(圖4).圖5顯示,5種燃煤排放的Zn和Pb元素共占重金屬總量的54%~91%,其中陜西氣煤的比例最高,達到91%.該結(jié)果與相關(guān)文獻中的研究結(jié)果相一致,例如劉海彪等[21]利用稀釋通道采樣系統(tǒng)和室內(nèi)模擬燃燒,測定了民用蜂窩煤和塊煤燃燒排放PM2.5中重金屬的排放因子,發(fā)現(xiàn)Zn和Pb的排放因子最高;Ge等[22]研究表明民用蜂窩煤和煤餅燃燒排放的重金屬中,Zn和Pb的濃度最高且是其他重金屬的1~3個數(shù)量級.因此,Zn和Pb是民用燃煤排放PM2.5中最主要的重金屬成分.

圖5 5種民用燃煤排放PM2.5中重金屬元素的相對濃度百分比

單顆粒分析結(jié)果表明民用燃煤排放的Zn和Pb元素主要是以富Zn和富Pb顆粒的形式排放到大氣中,而富Zn和富Pb顆粒的粒徑比較小,都在1μm以下(圖3).因此,這些富集在細顆粒物中的重金屬能夠進入人體呼吸系統(tǒng),甚至可以透過肺泡到達血液循環(huán)系統(tǒng),對人體呼吸系統(tǒng)和心腦血管產(chǎn)生不利影響,從而危害人體健康[30-31].因此,減少燃煤重金屬的排放,對保護人體健康至關(guān)重要.

在工業(yè)和燃煤電廠中,我國多采用袋式除塵器等除塵設(shè)備來控制燃煤的煙塵和重金屬等大氣污染物的排放量[32],然而對于民用燃煤,這些除塵措施并不經(jīng)濟適用.重金屬元素的排放與它在煤中的含量和賦存狀態(tài)等因素密切相關(guān)[33-35].在燃燒過程中,煤中的重金屬可經(jīng)過高溫轉(zhuǎn)化成氣態(tài)揮發(fā)到大氣中,隨后冷卻形成顆粒物或富集在其他顆粒物上[34-35],例如重金屬Zn冷卻形成圓形的富Zn顆粒(圖3A),而重金屬Pb富集在富K顆粒物中(圖3B);此外,我們推測部分賦存在煤炭礦物中的金屬元素會以礦物顆粒的形式直接排放到大氣中,例如Al和Ca等元素(圖2A和2B).對此,我們可通過洗煤技術(shù)來減少原煤中重金屬的含量,從而控制重金屬的排放.洗煤技術(shù)的成本相對較低,并能有效提高煤炭質(zhì)量.研究表明洗選后的精煤中灰分和硫分明顯降低, Zn、Mn、Ni等重金屬含量也明顯降低[33].因此,我們建議居民應(yīng)通過使用精煤或天然氣、電力等清潔能源來減少重金屬的排放,從而保護人體健康.

3 結(jié)論

3.1 利用TEM-EDS對單顆粒源樣品進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)民用燃煤排放的礦物顆粒、部分碳質(zhì)顆粒、富K顆粒、富S[K]顆粒、富Fe顆粒、富Zn顆粒和富Pb顆粒中含有金屬元素.

3.2 5種民用燃煤排放PM2.5中金屬元素的濃度含量為1.29%~15.54%,其中Al、Ca和Na三者之和占金屬元素總量的57%~80%,是主要的金屬元素.

3.3 5種民用燃煤排放的重金屬元素占PM2.5的0.09%~2.53%;其中Zn和Pb元素占重金屬總量的54%~91%,是最主要的重金屬成分;單顆粒分析結(jié)果顯示Zn和Pb元素主要是以富Zn和富Pb顆粒的形式存在于細顆粒物中,這些細顆粒能夠直接進入人體,對人體健康造成威脅.因此,居民應(yīng)更多地使用精煤或清潔能源,從而減少重金屬的排放,保護人體健康.

[1] EIA. International Energy Outlook 2016 [Z]. Washington, DC: 2016.

[2] 國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒 [M]. 北京:中國統(tǒng)計出版社, 2016.

[3] 支國瑞,楊俊超,張 濤,等.我國北方農(nóng)村生活燃煤情況調(diào)查、排放估算及政策啟示 [J]. 環(huán)境科學研究, 2015,28(8):1179-1185.

[4] Zhang Y, Schauer J J, Zhang Y, et al. Characteristics of Particulate Carbon Emissions from Real-World Chinese Coal Combustion [J]. Environmental Science & Technology, 2008,42(14):5068-5073.

[5] Li Q, Jiang J, Wang S, et al. Impacts of household coal and biomass combustion on indoor and ambient air quality in China: Current status and implication [J]. Science of the Total Environment, 2017,576: 347-361.

[6] 張眾志.京津冀民用散煤燃燒對該地區(qū)冬季PM2.5污染貢獻模擬研究 [D]. 濟南:山東大學, 2017.

[7] 賀 泓,王新明,王躍思,等.大氣灰霾追因與控制 [J]. 中國科學院院刊, 2013,3(3):344-352.

[8] 王 偉,孔少飛,劉海彪,等.南京市春節(jié)前后大氣 PM2.5中重金屬來源及健康風險評價 [J]. 中國環(huán)境科學, 2016,36(7):2186-2195.

[9] 方鳳滿.中國大氣顆粒物中金屬元素環(huán)境地球化學行為研究 [J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2010,19(4):979-984.

[10] 耿檸波.鄭州市高新區(qū)大氣顆粒物PM2.5中金屬元素分析及污染源解析 [D]. 鄭州:鄭州大學, 2012.

[11] 喬寶文,劉子銳,胡 波,等.北京冬季PM2.5中金屬元素濃度特征和來源分析 [J]. 環(huán)境科學, 2017,38(3):876-883.

[12] 楊勇杰,王躍思,溫天雪,等.采暖期開始前后北京大氣顆粒物中化學元素特征及來源 [J]. 環(huán)境科學, 2008,11:3275-3279.

[13] 朱 奕.長沙市大氣顆粒物中主要金屬元素的濃度水平,分布特性與源解析 [D]. 湘潭:湘潭大學, 2013.

[14] Lan Q, Chapman R S, Schreinemachers D M, et al. Household stove improvement and risk of lung cancer in Xuanwei, China [J]. Journal of the National Cancer Institute, 2002,94(11):826.

[15] 邵龍義,楊園園,吳明遠,等.宣威肺癌高發(fā)村室內(nèi)PM10的氧化性損傷能力及其與微量元素的關(guān)系 [J]. 環(huán)境與健康雜志, 2008,25(12): 1094-1096.

[16] Chen Y J, Zhi G R, Feng Y L, et al. Measurements of Black and Organic Carbon Emission Factors for Household Coal Combustion in China: Implication for Emission Reduction [J]. Environmental Science & Technology, 2009,43(24):9495-9500.

[17] Zhi G R, Chen Y J, Feng Y L, et al. Emission characteristics of carbonaceous particles from various residential coal-stoves in China [J]. Environmental Science & Technology, 2008,42(9):3310-3315.

[18] 海婷婷,陳穎軍,王 艷,等.民用燃煤源中多環(huán)芳烴排放因子實測及其影響因素研究 [J]. 環(huán)境科學, 2013,34(7):2533-2538.

[19] 劉 源,張元勛,魏永杰,等.民用燃煤含碳顆粒物的排放因子測量 [J]. 環(huán)境科學學報, 2007,27(9):1409-1416.

[20] 嚴 沁,孔少飛,劉海彪,等.中國民用燃煤排放細顆粒物中水溶性離子清單及減排啟示 [J]. 中國環(huán)境科學, 2017,10:3708-3721.

[21] 劉海彪,孔少飛,王 偉,等.中國民用煤燃燒排放細顆粒物中重金屬的清單 [J]. 環(huán)境科學, 2016,37(8):2823-2835.

[22] Ge S, Xu X, Chow J C, et al. Emissions of air pollutants from household stoves: Honeycomb coal versus coal cake [J]. Environmental Science & Technology, 2004,38(17):4612-4618.

[23] 李衛(wèi)軍.霧霾和沙塵污染天氣氣溶膠單顆粒研究 [M]. 北京:科學出版社, 2013:8-9.

[24] Bond T C, Covert D S, Kramlich J C, et al. Primary particle emissions from residential coal burning: Optical properties and size distributions [J]. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2002,107(D21), 8347.

[25] Li W, Shao L, Zhang D, et al. A review of single aerosol particle studies in the atmosphere of East Asia: morphology, mixing state, source, and heterogeneous reactions [J]. Journal of Cleaner Production, 2016,112:1330-1349.

[26] Li W J, Shao L Y, Buseck P R.Haze types in Beijing and the influence of agricultural biomass burning [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2010,10(17):8119-8130.

[27] Li W, Shao L. Transmission electron microscopy study of aerosol particles from the brown hazes in northern China [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2009,114,D09302.

[28] Huang W, Huang B, Bi X, et al. Emission of PAHs, NPAHs and OPAHs from residential honeycomb coal briquette combustion [J]. Energy & Fuels, 2014,28(1):636–642.

[29] 郝曉潔.宣威肺癌高發(fā)區(qū)燃煤排放顆粒物的物化特征與生物活性的研究 [D]. 上海:上海大學, 2014.

[30] 程慧波,王乃昂,李曉紅,等.蘭州主城區(qū)大氣顆粒物質(zhì)量濃度及健康風險 [J]. 中國環(huán)境科學, 2018,38(1):348-360.

[31] 劉建偉,晁思宏,陳艷姣,等.北京市不同年齡人群PM2.5載帶重金屬的健康風險 [J]. 中國環(huán)境科學, 2018,38(4):1540-1549.

[32] 史燕紅.燃煤電廠重金屬排放與控制研究 [D]. 北京:華北電力大學, 2016.

[33] 秦 攀.煤燃燒重金屬生成規(guī)律的研究 [D]. 杭州:浙江大學, 2005.

[34] 郭勝利.燃煤重金屬遷移轉(zhuǎn)化特征及其污染控制研究 [D]. 重慶:重慶大學, 2014.

[35] 王云鶴,李海濱,黃海濤,等.重金屬在煤氣化過程的分布遷移規(guī)律及控制 [J]. 中國環(huán)境科學, 2002,22(6):556-560.

Emission characteristics and individual particle analysis of metals in fine particles emitted from residential coal burning.

ZHANG Yin-xiao1,2, LU Chun-ying1, ZHANG Jian1, WANG Xin-feng1, LI Wei-jun2*

(1.Environment Research Institute, Shandong University, Ji’nan 250100,China；2.Department of Atmospheric Sciences, School of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)., 2018,38(9)：3273~3279

Five typical coals with different maturities were selected and burned in the residential stove, and then the individual particles and PM2.5samples from these coals burning were collected. A transmission electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectrometry (TEM-EDS) was used to analyze physicochemical characteristics of metal-containing individual particles. The concentrations of 14metals (including eight heavy metals) in PM2.5were detected by inductively coupled plasma mass spectrometry and inductively coupled plasma optical emission spectrometer. The individual particle analysis showed seven different types of metal-containing particles: mineral, K-rich, S[K]-rich, Fe-rich, Zn-rich, and Pb-rich particles, and some carbonaceous particles. Mass concentrations of 14metals and eight heavy metals accounted for 1.29%~15.54% and 0.09%~2.53% in PM2.5, respectively. Al, Ca and Na were the dominant metals, accounting for 57%~80% of total metals. Zn and Pb were the dominant heavy metals, accounting for 54%~91% of total heavy metals. TEM observations showed that Zn and Pb mainly occurred in Zn-rich and Pb-rich particles with size<1μm, respectively. These heavy metals can be breathed into deep of human lung and pose adverse effects on human health. Therefore, in order to protect human health, we suggest that residents should use clean coal or clean energy to reduce the heavy metals emissions.

residential coal burning；metals；heavy metals；individual aerosol particles；fine particles

X513

A

1000-6923(2018)09-3273-07

張銀曉(1993-),男,山東無棣人,山東大學碩士研究生,主要從事大氣單顆粒研究.

2018-03-05

國家重點研發(fā)計劃(2017YFC0212700);國家自然科學基金資助項目(41575116,41622504)

* 責任作者, 教授, liweijun@zju.edu.cn