工业城市大气颗粒污染物的主要成分及其来源分析论文

       摘要：以特定工业城市为例，采用样品采集与化学分析方法，对大气中悬浮颗粒物进行了空间分布、时间分布及化学组成分析。通过在不同区域、不同季节和不同时间段收集颗粒物样本，运用先进的分析技术（如离子色谱、热-光学反射法、电感耦合等离子体质谱法和气相色谱-质谱联用技术）来定性、定量地分析颗粒物中有机碳、元素碳、无机离子、重金属及多环芳烃等污染物。结果表明，工业区悬浮颗粒物浓度显著高于商业区、居住区和郊区，在冬季和春季，悬浮颗粒物浓度远高于其他季节。化学组成分析揭示了复杂污染物谱系，其中，有机物质、无机离子和重金属的存在，指向了工业排放与交通尾气为主要污染源。研究发现为制定大气污染防控策略提供了科学依据，对改善工业城市空气质量、保护居民健康具有重要意义。

       关键词：大气颗粒污染物,悬浮颗粒物,重金属

　　

 

　　随着全球工业化进程加速，工业活动大气污染已成为全球面临的重大环境问题。大气中悬浮颗粒物（PM）浓度持续处于高位，严重影响着城市空气质量。悬浮颗粒物不仅会造成呼吸系统疾病与心血管问题，而且会通过携带有害化学物质，对环境、生态系统造成损害。由于PM成分复杂，来源多样，包括工业排放、汽车尾气、建筑施工和自然源等[1]。因此，深入研究其成分及来源，对制定有效的空气质量管理措施至关重要。研究旨在通过分析工业城市大气中悬浮颗粒物样本，深入探究空间、时间分布特征、化学成分及其潜在来源，旨在为城市大气污染控制与环境保护政策制定提供科学依据。

 

 

 

　　本研究中悬浮颗粒物（PM）采集工作遵循了严格实验流程与技术规范，确保所得数据的准确性、代表性。采集工作主要在选定X工业城市多个监测点进行，包括工业区、商业区、居住区及郊区，以覆盖不同环境下颗粒物浓度变化。采集时间跨度为1a，以获取季节性变化数据。采集设备采用高容量空气采样器，配备PM2.5、PM10采样头，分别收集直径小于2.5、10μm的颗粒物。采样器流量设定为16.7 L/min，确保足够的空气通过量，并捕捉到足够的颗粒物样本。采样周期设置为24 h连续采样，以获取代表性日平均颗粒物浓度。每个监测点每月进行一次采样，以累积足够季节性数据。采集颗粒物样本存储在标准滤膜上，滤膜材质为石英纤维，以最小化样本污染。采样前后，滤膜在无尘室内预烘烤24 h，以去除可能的有机物污染，在恒温、恒湿条件下称重，确保测量准确性。

 

　　采样完成后，采集到的滤膜在密封条件下冷藏运输至实验室进行化学成分分析。实验室分析包括无机元素、有机碳（OC）和元素碳（EC）的量化，采用X射线荧光光谱法（XRF）分析无机元素，热光碳分析仪测定OC和EC。采用高效液相色谱（HPLC）、气相色谱—质谱联用（GC-MS）技术对颗粒物样本中的多环芳烃（PAHs）等有机污染物进行定性、定量分析[2]。所有分析工作均在实验室内完成，实验室条件严格控制，以确保分析数据的准确性、重复性。

 

 

　　在悬浮颗粒物成分分析阶段，采取高精度实验方法来确定颗粒物化学组成，包括无机离子、有机化合物、元素碳（EC）、有机碳（OC）和重金属等。采集样本首先在实验室条件下进行前处理，包括样本称重、分割和准备，以适应不同分析方法需求。无机离子分析采用离子色谱法（IC），针对主要的阳离子（如Na+、K+、Ca2+和Mg2+）和阴离子（如Cl-、NO3-和SO42-）进行定量。该方法前处理包括将滤膜样本用超纯水萃取，通过过滤去除不溶物，将提取液注入离子色谱仪进行分析。有机碳（OC）、元素碳（EC）测定采用热—光学反射法（TOR），该方法可准确区分OC和EC，提供颗粒物样本中碳详细组成信息。样本处理过程中，将滤膜切割成适当大小，放置在热光学反射分析仪样品室内，通过逐渐升高温度方式，使有机碳氧化为CO2，并转化为甲烷进行检测，元素碳则在更高温度下直接转化为CO2进行检测。重金属分析采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS），分析主要金属元素如铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）和镉（Cd）。样本预处理包括将滤膜用硝酸、盐酸的混合酸消解，消解完成后，样本稀释至标准体积，通过ICP-MS进行定量分析。多环芳烃（PAHs）等有机污染物分析采用气相色谱—质谱联用技术（GC-MS），此方法能提供颗粒物样本中多环芳烃详细谱系与浓度信息[3]。样本前处理包括使用有机溶剂（如二氯甲烷）进行超声波萃取，萃取液经净化后注入GC-MS系统进行定性和定量分析。所有分析过程均在控制严格实验室环境下进行，确保实验数据的准确性、可重复性。

 

 

 

　　在本研究中，通过对工业城市内不同区域悬浮颗粒物（PM2.5和PM10）进行采样分析，发现悬浮颗粒物空间分布呈现显著差异，如表1所示。工业区域PM2.5平均质量浓度达到75μg/m3，商业区与居住区的平均质量浓度分别为50、40μg/m3，郊区平均质量浓度最低，约为30μg/m3。对于PM10，工业区平均质量浓度为120μg/m3，商业区、居住区的平均质量浓度分别为90、80μg/m3，郊区平均质量浓度为60μg/m3。数据表明，工业区悬浮颗粒物浓度显著高于其他区域，对PM2.5贡献更为突出。重金属分析揭示了空间分布特性。在工业区，铅（Pb）平均质量浓度为0.3μg/m3，锌（Zn）平均质量浓度为1.2μg/m3，铜（Cu）平均质量浓度为0.8μg/m3，均明显高于商业区、居住区及郊区的平均质量浓度，郊区重金属浓度最低，铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）的平均质量浓度分别为0.05、0.3、0.2μg/m3。结果反映了工业排放是这些区域重金属浓度高的主要原因。工业区由于重工业、制造业活动密集，排放污染物浓度与种类均高于其他区域。商业区、居住区虽然也受到汽车尾气等污染源影响，但由于这些区域工业活动较少，因此，污染物浓度相对较低。郊区远离城市中心、工业活动，受到的人为污染影响最小，污染物浓度最低。

　

 

 

 

　　对悬浮颗粒物（PM2.5和PM10）的时间分布进行分析，揭示其在不同季节和日变化特征，如表2所示。PM2.5季节平均浓度在冬季最高，达到85μg/m3，春季为65μg/m3，夏季和秋季分别为45、55μg/m3。PM10的季节变化模式与PM2.5相似，冬季平均浓度最高，为130μg/m3，春季为110μg/m3，夏季和秋季的平均浓度分别为80、100μg/m3。这种季节性变化主要与采暖需求增加导致的燃煤排放增多以及春季沙尘天气的影响有关。日变化方面，悬浮颗粒物浓度在早高峰、晚高峰时间段（07：00—09：00和17：00—19：00）明显升高，PM2.5的峰值浓度可达到日平均浓度的1.5倍，这主要是由于交通流量增加和大气扩散条件较差所致。夜间（22：00—04：00）浓度则相对较低，因为交通流量减少、大气稳定性较好，有利于污染物扩散。通过这些数据分析，可看出悬浮颗粒物的时间分布受季节变化和日周期性活动的强烈影响。

 

　

 

　　如表3所示，PM2.5样本中，有机碳（OC）质量占比平均为25％，元素碳（EC）质量占比为10％，无机离子（包括硫酸盐SO42-、硝酸盐NO3-和铵盐NH4+）总共质量占比为30％，其中，硫酸盐质量占比最高，达到15％。重金属，如铅（Pb）、锌（Zn）和铜（Cu）的质量浓度分别为0.2、1.0、0.5μg/m3，表明工业排放对PM2.5中重金属含量的贡献显著。多环芳烃（PAHs）作为主要的有机污染物之一，PM2.5中总质量浓度约为10 ng/m3，反映了汽车尾气排放与未完全燃烧煤炭是主要来源。PM10分析结果也表明了类似组成特征。与PM2.5相比，无机离子与有机物的比例略有不同，其中，无机离子占比略高，原因是PM10能吸附更多来自土壤尘及道路尘粗颗粒物。分析结果揭示了工业城市大气中悬浮颗粒物化学组成复杂性，以及控制特定源排放对改善空气质量的重要性。

 

　
 

 

　　本研究采用样品采集与分析方法，探讨了工业城市大气中悬浮颗粒物的空间分布、时间分布及化学组成特征，揭示了悬浮颗粒物浓度在工业区显著高于其他区域，冬季、春季浓度高于其他季节，有机碳、元素碳、无机离子和重金属等构成了颗粒物的主要化学组分。研究表明，工业排放、季节性活动和日常交通对城市大气质量具有重要影响，为城市大气污染控制、环境保护政策的制定提供了科学依据。

 

 

　　[1]张之琳.石家庄市大气颗粒污染物主要成分及其来源分析[J].河北省科学院学报，2017，34（1）：84-88.

 

　　[2]陈琰.烟气颗粒物大气污染源有害成分采样分组分析[J].中阿科技论坛（中英文），2020（8）：45-48.

 

　　[3]朱珊珊.河北邯郸市2013—2017年大气颗粒物化学组成特征的研究[D].桂林：广西大学，2019.