孔春霞,郭勝利,湯莉莉

(南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210044)

南京氣溶膠水溶性離子粒徑分布及其隨高度的變化

孔春霞,郭勝利,湯莉莉

(南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210044)

2009年1月對(duì)南京市河西生活區(qū)距地面1.5、54和80 m 3處同步進(jìn)行了大氣顆粒物采樣,并用離子色譜對(duì)樣品進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,隨著高度的增加,PM10和PM2.1的質(zhì)量濃度逐漸降低,而總離子濃度隨高度增加而增大。氣溶膠中最主要的3種水溶性離子分別為,且3個(gè)高度的與濃度之比均大于1,表明該生活區(qū)移動(dòng)排放源已經(jīng)成為大氣氣溶膠離子的主要來源。3個(gè)高度處各離子粒徑分布規(guī)律為:在0.43～1.1μm出現(xiàn)峰值;在4.7～5.8μm出現(xiàn)峰值;在0.43～1.1μm和4.7～5.8μm出現(xiàn)雙峰。

氣溶膠;水溶性離子;粒徑分布

0 引言

大氣氣溶膠粒子的大小、狀態(tài)、組成和運(yùn)動(dòng)方式的不同決定了氣溶膠的污染特征以及對(duì)環(huán)境和人類健康的影響程度[1]。據(jù)2008年南京市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)報(bào)道[2],南京市首要污染物為可吸入顆粒物的天數(shù)達(dá)290 d,而水溶性離子是可吸入顆粒物的重要組成成分[3-4],大氣中的一些有害物質(zhì)能夠與水溶性離子發(fā)生協(xié)同作用,對(duì)人體的危害也會(huì)有所增加。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,城市的高層建筑物日益增多,人們的活動(dòng)空間早已不再局限于地面,而是已經(jīng)拓展至離地面40～100 m[5]甚至更高空間。因此對(duì)可吸入顆粒物及其中的水溶性離子的研究顯得日益迫切。

Qin等[6]對(duì)紐約4 a(2000—2003年)的研究表明,和為主要水溶性離子,濃度分別為5.3、2.5、2.3μg·m-3,三者占PM2.5的54%～67%。銀燕等[7]對(duì)南京市區(qū)和北郊的研究表明:PM2.1中的離子日平均濃度依次為:,該6種水溶性離子質(zhì)量濃度總和分別占市區(qū)和北郊PM2.1的46.99%、42.32%。樊曙先等[8]對(duì)銀川市顆粒物研究表明,各粒徑粒子的質(zhì)量濃度隨高度遞減,PM10占TSP的比例卻隨高度增加。本文以南京市河西生活區(qū)一幢27層高層建筑為觀測點(diǎn),分析了南京市冬季氣溶膠質(zhì)量濃度和水溶性離子濃度隨高度變化規(guī)律及其粒徑分布特性。

1 樣品的采集和分析

樣品采集點(diǎn)設(shè)在南京市河西地區(qū)某生活小區(qū)內(nèi)一幢27層的高層建筑上,分別在距地面高度1.5、54和80m布設(shè)3個(gè)采樣監(jiān)測點(diǎn),采樣點(diǎn)附近100m范圍內(nèi)無明顯的污染點(diǎn)源,整個(gè)采樣點(diǎn)能夠較好地代表該生活區(qū)的大氣狀況。從2009年1月12—16日共計(jì)5d對(duì)3個(gè)不同高度監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行同步監(jiān)測,每日連續(xù)采集12h,采樣期間天氣晴朗。

1.1 采樣儀器和材料

采用FA-3型氣溶膠粒度分布采樣器,設(shè)置流速為28.3L/m in,粒子的50%切割等效空氣學(xué)粒徑(EAD)為9.0、5.8、4.7、3.3、2.1、1.1、0.65、0.43 μm。選用濾膜為80mm聚四氟乙烯微孔濾膜。采樣前后于干燥器中干燥平衡48h再稱重,用精度為0.1m g的電子天平(FA2004,上海上天精密儀器有限公司)準(zhǔn)確稱量。

1.2 分析方法

采樣期間共采得5組樣品,共得135張樣品膜,收樣后用鋁箔包裹,利用重量法即可算出顆粒物的質(zhì)量濃度。將樣品膜剪成條狀碎片,先用無水乙醇潤濕,再加入20mL高純?nèi)ルx子水使之完全淹沒濾膜,超聲提取30m in,提取液用0.22μm的一次性微孔濾膜過濾后于4℃保存至分析。對(duì)空白濾膜采用相同的方法進(jìn)行處理,測定其離子的本底含量,并從實(shí)際樣品分析結(jié)果中扣除。用ICS-2000離子色譜儀(美國D ionex公司)分析樣品中陰離子F-、和陽離子N a+、K+、M g2+、Ca2+共9種水溶性無機(jī)離子的含量。離子色譜的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性都大于0.999,離子檢出限最低為0.016～0.110m g·L-1,標(biāo)準(zhǔn)方差為1.2%～5.7%,加標(biāo)回收率為96%～105%,符合環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制指標(biāo)[9]要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM10和PM2.1隨高度變化特征

通常把2.5μm作為粗細(xì)粒子的分界,由于FA-3型采樣器沒有2.5μm的切割粒徑,因此本文把空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量等效直徑2.1μm作為粗細(xì)粒子的分界。PM2.5細(xì)粒子可進(jìn)入人體的支氣管和肺泡,引發(fā)或加重呼吸系統(tǒng)及循環(huán)系統(tǒng)的疾病,其重要性日益引起人們的重視[10],表1給出了該建筑距離地面1.5、54和80m3個(gè)高度上PM10和PM2.1的平均質(zhì)量濃度及PM2.1與PM10的質(zhì)量濃度百分比。由表1可見,隨著高度的增加,PM10和PM2.1的平均質(zhì)量濃度均逐漸減小,而PM2.1在PM10中的比例卻略微降低。這可能是因?yàn)槎窘孛娲髿廨^穩(wěn)定,加上逆溫、靜風(fēng)等不利氣象條件,使得顆粒物不易向高處擴(kuò)散,所以PM10和PM2.1的質(zhì)量濃度隨高度的增加都有所降低;同時(shí)由于采樣點(diǎn)對(duì)面有一高層住宅建筑工地,其在高處排放的建筑污染源使得高處的粗顆粒物相對(duì)濃度有所增加,所以PM2.1在PM10中的比例有所降低。

表1 不同高度處PM10和PM2.1的平均質(zhì)量濃度以及PM2.1與P M10質(zhì)量濃度的比Table1 Comparison of average m ass concentration of PM10 and PM2.1at different heights and the ratio of PM2.1/PM10

2.2 水溶性離子的濃度水平及其隨高度的變化

1.5、54和80m的PM10中總離子濃度分別為44.69、46.05和55.43μg·m-3,對(duì)PM10的貢獻(xiàn)率分別為17.70%、22.67%和28.20%,其平均濃度在80m處比其在54m和1.5m處分別高出20.38%和24.04%。PM2.1中總離子濃度分別為20.96、23.69和28.32μg·m-3,對(duì)PM2.1的貢獻(xiàn)率分別為18.9%、27.07%和35.72%,其平均濃度在80m處比其在54m和1.5m處分別高出19.57%和35.13%,可見總離子濃度隨高度的升高有增大的趨勢。而根據(jù)表1,隨著高度的增加,PM10和PM2.1的平均質(zhì)量濃度都逐漸減小,這表明水溶性離子更易在質(zhì)量較小的細(xì)粒子中富集,與姚青等[11]的研究結(jié)果一致。

PM10中9種主要水溶性離子濃度隨高度變化情況見圖1。由圖1可知,觀測期間1.5m處PM10中各種水溶性離子的大小依次為,3個(gè)高度變化趨勢基本一致是最主要的3種水溶性無機(jī)離子。這3種離子濃度占總離子濃度的23.62%～29.09%,20.84%～22.21%,17.62%～19.35%,共計(jì)達(dá)65.18%～67.69%。

大氣氣溶膠中的硫酸鹽和硝酸鹽是典型的二次氣溶膠,其主要來源于化石燃料的燃燒,可以利用(質(zhì)量比)的相對(duì)大小來反映機(jī)動(dòng)車和燃煤對(duì)大氣氣溶膠中水溶性組分的相對(duì)貢獻(xiàn),即作為移動(dòng)排放源(機(jī)動(dòng)車)和固定排放源(燃煤)排放強(qiáng)度的指示因子[12-13]。對(duì)1.5、54和80m處氣溶膠的進(jìn)行計(jì)算,其依次為1.06、1.39和1.25,高于北京(0.88)[14]、上海(0.43)[15]、廈門(0.59)[16]、西安(0.38)[17],表明移動(dòng)排放源(機(jī)動(dòng)車)已經(jīng)成為該生活區(qū)大氣氣溶膠離子的主要來源。

2.3 水溶性離子的粒徑分布特征

由于各級(jí)的粒徑區(qū)間劃分明顯不均等,因此各粒徑范圍離子的質(zhì)量濃度不能直接反映離子的粒徑分布規(guī)律。為客觀地分析其分布規(guī)律,采用質(zhì)量濃度分布函數(shù)q來加以描述

這里用ΔM/ΔlgDp近似地表示。其中:ΔM為某一粒徑區(qū)間離子中離子的質(zhì)量濃度;ΔlgDp為對(duì)應(yīng)粒徑區(qū)間上限與下限粒徑對(duì)數(shù)值的差值。9種水溶性離子粒徑分布情況見圖2。3個(gè)高度處各離子粒徑分布規(guī)律大致可以分為3類:1)在0.43～1.1 μm出現(xiàn)峰值的細(xì)粒子;2)在4.7～5.8μm出現(xiàn)峰值的粗粒子;3)在0.43～1.1μm和4.7～5.8μm出現(xiàn)雙峰的粒子N a+、C l-、F-。但是在不同高度各離子分布具體情況又略有不同,這與徐宏輝等[18]給出的“在垂直高度上各水溶性離子有一致的粒徑分布”的結(jié)論不同。

圖1 3個(gè)高度上PM10中水溶性離子的質(zhì)量濃度Fig.1 The variation of water soluble ion concentration of PM10at the three heights

圖2 水溶性離子的粒徑分布 Fig.2 Size distribution of water soluble ions

3 結(jié)論

1)隨著高度的增加,PM10和PM2.1的質(zhì)量濃度都逐漸減小,且PM2.1在PM10中的比例也逐漸降低。

2)采樣期間,總離子濃度隨高度增加而增大。3個(gè)高度各種水溶性離子的變化趨勢基本一致,是最主要的3種水溶性無機(jī)離子。1.5、54和80m處與之比依次為1.06、1.39和1.25,高于其他城市比值,表明移動(dòng)排放源(機(jī)動(dòng)車)已經(jīng)成為該生活區(qū)大氣氣溶膠離子的主要來源。

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Size Distribution of Water Soluble Ions in Aerosol and Its Variation with Height in Nanjing

KONG Chun-xia,GUO Sheng-li,TANG Li-li

(School of Environmental Science and Engineering,NUIST,Nanjing 210044,China)

Atmospheric particles were simultaneously collected at the heights of 1.5 m,54 m and 80 m in Hexi downtown of Nanjing in January 2009.The samples were then analyzed by Ion Chromatograph.The results showed that,with increase of height,mass concentration of P M10and PM2.1both gradually decreased,whereas the total concentration of ions increased.The three most prominent water soluble inorganic ions areand.Moreover,the concentration ratio ofversusat the three heights were all larger than one,which indicated that the mobile emission sources had become the major source of atmospheric aerosol ions in this district.The size distribution of each type of ions at the three heights were:,and K+peaked at 0.43—1.1μm;,andpeaked at4.7—5.8 μm;N a+,C l-,F-,K+peaked at0.43—1.1μm and4.7—5.8μm.

aerosol;soluble inorganic ions;size distribution

P402

A

1674-7097(2010)06-0757-05

2009-01-05;改回日期:2010-04-23

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2007226);中國氣象局氣象軟科學(xué)項(xiàng)目(GQR2009034);南京信息工程大學(xué)科研項(xiàng)目(Y690)

孔春霞(1982—),女,江蘇姜堰人,講師,研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境化學(xué),chunxiakong@163.com;郭勝利(通信作者),博士,教授,博士生導(dǎo)師,shenglguo@nuist.edu.cn.

孔春霞,郭勝利,湯莉莉.南京氣溶膠水溶性離子粒徑分布及其隨高度的變化[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(6):757-761.Kong Chun-xia,Guo Sheng-li,TangLi-li.Size distribution of water soluble ions in aerosol and its variation with height in Nanjing[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):757-761.

(責(zé)任編輯:劉菲)