新余市PM2.5化學(xué)組分特征分析

趙文濤，劉海江，劉華東，劉 寅

(1.江西省新余生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江西 新余 338000；2.新余市渝水生態(tài)環(huán)境局，江西 新余 338000；3.北京雪迪龍科技股份有限公司，北京 102200；4.中科弘清(北京)科技有限公司，北京 100088)

1 材料和方法

1.1 采樣點(diǎn)位布設(shè)

綜合考慮新余市地形、氣象、環(huán)境等影響因素及基本數(shù)據(jù)的依托性，環(huán)境受體采樣點(diǎn)的布設(shè)基本與新余市大氣環(huán)境質(zhì)量國(guó)控站點(diǎn)相同，盡量覆蓋主要的功能區(qū)。東北方向的飛宇站點(diǎn)作為上風(fēng)向企業(yè)聚集區(qū)域，但飛宇站點(diǎn)樓頂不具備采樣條件，因此將上風(fēng)向站點(diǎn)調(diào)整為距離1.5 km的高新區(qū)環(huán)保局站點(diǎn)。第二水廠站點(diǎn)作為人口和交通密集區(qū)域，氣象局站點(diǎn)作為細(xì)顆粒物濃度高值站點(diǎn)，新鋼沁園村站點(diǎn)則主要為下風(fēng)向和重點(diǎn)企業(yè)排放區(qū)。點(diǎn)位分布詳見(jiàn)圖1。

圖1 新余市區(qū)顆粒物樣品采集點(diǎn)位

1.2 樣品采集

2020年8月、10月、12月和2021年1月安排為PM2.5采樣周期和連續(xù)采樣時(shí)間。每個(gè)月選取20天進(jìn)行采樣，每次連續(xù)采樣時(shí)間為46小時(shí)，采樣時(shí)間從早上9：00到第三日7：00，每個(gè)站點(diǎn)每個(gè)采樣月設(shè)置一組全過(guò)程空白樣品與平行樣。選取顆粒物濃度值較高的市氣象局與第二水廠站點(diǎn)對(duì)PM10進(jìn)行同步連續(xù)采樣。本次顆粒物樣品采集使用四臺(tái)青島眾瑞ZR-3930D型多通道環(huán)境空氣顆粒物采樣器在四個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行粗細(xì)顆粒物樣品采集，不同通道選用濾膜直徑均為47毫米的特氟龍膜、石英膜進(jìn)行同步樣品采集，切割頭為多級(jí)碰撞式切割器，顆粒物空氣動(dòng)力學(xué)切割粒徑為2.5微米和10微米。共采集PM2.5樣品171組，PM10樣品64組。

1.3 化學(xué)組分分析

1.3.1 無(wú)機(jī)元素分析

取一定面積采集的特氟龍膜樣品放置于聚四氟乙烯消解罐中，加入5毫升MOS級(jí)硝酸，放置2小時(shí)后再加入2毫升MOS級(jí)鹽酸，2毫升優(yōu)級(jí)純H2O2，加蓋密封后，用微波消解萃取儀消解(在15分鐘內(nèi)升溫到190 ℃后至少保持30分鐘)。待消解罐冷卻至室溫，再利用趕酸器在140 ℃將消解液濃縮至約0.5毫升(4-5小時(shí))，用超純水轉(zhuǎn)移定容為25毫升。經(jīng)0.22微米過(guò)濾膜過(guò)濾后，將濾液分為兩份分別用于 ICP-MS(賽默飛世爾iCAP Qc)及ICP-OES(PE公司OPTIMA8300)分析27種元素分析，后者分析Si、Al、Fe、K、Na、Ca、Mg。

1.3.2 水溶性離子分析

1.3.3 碳分析

剪取0.51 cm2的采集的石英膜樣品，參照《環(huán)境空氣顆粒物來(lái)源解析監(jiān)測(cè)技術(shù)方法指南》中推薦的元素碳和有機(jī)碳的熱光法對(duì)顆粒物樣品進(jìn)行碳分析。測(cè)試儀器為美國(guó)沙漠所生產(chǎn)的DRI2001A熱-光碳分析儀(Thermal Optical Carbon Analyzer)，定量有機(jī)碳和元素碳的8個(gè)組分(OC1、OC2、OC3、OC4、EC1、EC2、EC3、OPC)。IMPROVEA協(xié)議將總有機(jī)碳TOC定義為OC1+OC2+OC3+OC4+OPC，總元素碳TEC定義為EC1+EC2+EC3-OPC，TC=TOC+TEC。

1.4 質(zhì)量控制

上述分析測(cè)試部分外包中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心完成。

以空白、平行、加標(biāo)回收進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效性審核，都滿足相關(guān)要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 2020年P(guān)M2.5污染特征

2020年新余市城區(qū)PM2.5平均濃度為30.3微克/立方米，低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)限值。月度PM2.5濃度變化如圖2所示，呈U型，夏季較低，冬季較高。其中12月份PM2.5濃度最為突出，質(zhì)量濃度為52.9微克/立方米，各站點(diǎn)中氣象局站點(diǎn)明顯高于其他站點(diǎn)，其次是第二水廠。2021年1月PM2.5平均濃度因氣象等因素增為30.3微克/立方米。

圖2 2020年新余市城區(qū)PM2.5月度變化

圖3 2020年新余市各站點(diǎn)PM2.5濃度均值

2.2 采樣期間受體PM2.5全年平均化學(xué)組成

圖4 采樣期間新余市PM2.5的全年化學(xué)組分質(zhì)量濃度情況

對(duì)化學(xué)組分進(jìn)行質(zhì)量重構(gòu)，硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、氯鹽、EC和微量元素由直接測(cè)定濃度值推算，有機(jī)物[OM]=1.4×[OC]，[地殼元素]=[2.20×Al]+[2.49×Si]+[1.93×Ti]+[1.63×Ca]+[2.42×Fe]，[微量元素]=[K+]+[Na+]+[Mg2+]+[F-]+[Cl-]+[Ba+Cd+Sn+V+Cr+Mn+Co+Ni+Cu+Zn+As+Se+Pb+Sb]。

質(zhì)量重構(gòu)后新余市PM2.5全年化學(xué)組分構(gòu)成情況如圖5所示，可以看出新余市環(huán)境受體PM2.5的主要物質(zhì)為OM，占比為27%。其次是硝酸鹽、硫酸鹽和銨鹽，占比分別為18%、15%和12%。地殼元素占比為8%，EC約為4%。

圖5 新余市PM2.5物質(zhì)重構(gòu)組分分布圖

2.3 PM2.5顆粒物化學(xué)組分的時(shí)間分布特征

圖6為新余市城區(qū)各季節(jié)PM2.5中無(wú)機(jī)元素質(zhì)量濃度與百分占比情況，地殼元素(Fe、Al、Si等)明顯高于其他無(wú)機(jī)元素，Si的濃度表現(xiàn)出秋季>冬季>夏季，百分占比表現(xiàn)出秋季>夏季>冬季。Si組分主要來(lái)自揚(yáng)塵，說(shuō)明秋季揚(yáng)塵源對(duì)渝水區(qū)PM2.5濃度貢獻(xiàn)率較高。Fe的濃度三個(gè)季節(jié)濃度差異較小，百分占比表現(xiàn)出夏季>秋季>冬季。

圖6 不同季節(jié)渝水區(qū)PM2.5中無(wú)機(jī)元素質(zhì)量濃度與百分占比

圖7 不同季節(jié)渝水區(qū)PM2.5中碳組分與水溶性離子質(zhì)量濃度與百分占比

2.4 PM2.5化學(xué)組分的空間分布特征

從圖8可以看出，新余市4個(gè)站點(diǎn)物質(zhì)構(gòu)成占比較為相似，均為有機(jī)物站點(diǎn)最高(OM)，質(zhì)量占比均在25%以上，其次為硝酸鹽與硫酸鹽，占比均在17%與14%以上。

圖8 新余市各站點(diǎn)PM2.5物質(zhì)重構(gòu)特征對(duì)比

圖9從質(zhì)量濃度上看，氣象局站點(diǎn)組分質(zhì)量濃度均處于較高水平，其中硝酸鹽、硫酸鹽、微量元素質(zhì)量濃度最高。說(shuō)明氣象站站點(diǎn)受周邊燃煤、機(jī)動(dòng)車(chē)等多種污染類(lèi)型影響，導(dǎo)致各類(lèi)組分質(zhì)量濃度均相對(duì)較高，另外第二水廠站點(diǎn)地殼元素濃度最高，說(shuō)明第二水廠受到揚(yáng)塵源影響較大。

圖9 渝水區(qū)與高新區(qū)各站點(diǎn)PM2.5物質(zhì)重構(gòu)質(zhì)量濃度對(duì)比

3 結(jié)論

2020年新余市年渝水區(qū)PM2.5濃度高值主要分在冬季，其中1月與12月PM2.5濃度最為突出，市氣象局站點(diǎn)PM2.5濃度最高，其次為第二水廠站點(diǎn)。

PM2.5的主要物質(zhì)為OM，占比為27%。其次是硝酸鹽、硫酸鹽和銨鹽，占比分別為18%、15%和12%。地殼元素占比為8%，EC約為4%。

地殼元素(Fe、Al、Si等)明顯高于其他無(wú)機(jī)元素，Si的質(zhì)量濃度為秋季>冬季>夏季，百分占比為秋季>夏季>冬季。