李 梅,畢燕茹,黃正旭,粘慧青,周 振,陳多宏,向運(yùn)榮
1.暨南大學(xué)大氣環(huán)境安全與污染控制研究所,廣東 廣州 510632
2.廣州禾信分析儀器有限公司,廣東 廣州 510530
3.廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510308
重金屬污染頻頻引起群體性環(huán)境事件,其中以鉛污染最多[1]。鉛是一種有害人類健康的重金屬元素,對(duì)神經(jīng)有毒性作用,在人體內(nèi)無(wú)任何生理功用。然而,由于環(huán)境中鉛的普遍存在,人體和環(huán)境均遭受嚴(yán)重的鉛污染[2]。在中國(guó),由于快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,大氣鉛污染依然十分嚴(yán)重。研究表明,北京市細(xì)顆粒物PM2.5中,2000—2004年鉛的含量高達(dá) 100 ~ 300 ng/m3[3]。上海市 2002—2003年冬天19個(gè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,PM10中鉛的平均濃度分別為 369、237 ng/m3[4],仍處于較高的水平。Cao S Z等[5]對(duì)全國(guó)多個(gè)焦化廠區(qū)進(jìn)行調(diào)研及分析,發(fā)現(xiàn)住在焦化廠區(qū)的兒童血鉛濃度明顯高于國(guó)家水平。陳純等[6]采用ICP-MS對(duì)北方某市環(huán)境空氣TSP、PM10、PM2.5中的10種重金屬采用富集因子法進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,顆粒物中富集程度最嚴(yán)重的為鎘、鉛。2009年,中國(guó)連續(xù)發(fā)生了陜西鳳翔血鉛超標(biāo)、云南東川鉛污染等多起重金屬鉛污染事件[7]。2012年,廣東省韶關(guān)市仁化縣又發(fā)生大面積兒童血鉛事故,引起了國(guó)家和民眾的廣泛關(guān)注。因此,及時(shí)判斷污染程度,查明鉛污染源,成為解決鉛污染問(wèn)題的重中之重。
目前,常用的大氣重金屬研究方法多為離線采樣分析技術(shù),如用原子吸收分光光度法、X射線熒光法(XRF)、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICPMS)對(duì)大氣重金屬含量進(jìn)行檢測(cè),源解析工作也多是基于膜采樣數(shù)據(jù)。但離線方法的采樣及結(jié)果分析均需要一定周期,時(shí)效性有所不足。近年來(lái),大量快速、靈敏、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)被運(yùn)用到懸浮顆粒物研究中來(lái),大大豐富了顆粒物的研究方法,如基于XRF技術(shù)的大氣重金屬在線分析儀、在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀。其中,在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀可以對(duì)顆粒物的粒徑大小、化學(xué)組成進(jìn)行同步分析,等Gard E[8]、Li L 等[9]分別對(duì)目前應(yīng)用較為廣泛的兩款在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀器ATOFMS(美國(guó))、SPAMS進(jìn)行了詳細(xì)描述。國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)利用ATOFMS和SPAMS在大氣環(huán)境研究與來(lái)源解析[10-15]、大氣化學(xué)[16]、海洋氣溶膠[17]、氣候研究[18-19]、引 擎 排 放[20]、生 物 醫(yī) 藥[21]、材 料 科學(xué)[22]、國(guó)防安全[23]等方面開(kāi)展了一系列研究工作,尤其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。
由于在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜激光能量較高,因此對(duì)于重金屬的解析具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。Moffet R C等[24]利用ATOFMS對(duì)墨西哥工業(yè)區(qū)的含重金屬氣溶膠進(jìn)行了檢測(cè),并與XRF,PIXE等傳統(tǒng)的重金屬檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比。ATOFMS檢測(cè)到的重金屬變化趨勢(shì)與傳統(tǒng)方法獲得的趨勢(shì)非常一致。此外,Snyder D C 等[25]還利用ATOFMS評(píng)估點(diǎn)源排放對(duì)大氣中重金屬氣溶膠的影響。結(jié)合風(fēng)玫瑰圖可以知道鎘、銻、鋇、硒主要來(lái)自東南方向的點(diǎn)源。張雅萍[26]運(yùn)用ATOFMS對(duì)上海市的含鉛氣溶膠顆粒進(jìn)行源解析。然而,針對(duì)重金屬血鉛污染事故的研究至今未見(jiàn)報(bào)道。
針對(duì)上述的仁化縣兒童血鉛事故,采用SPAMS對(duì)該地區(qū)事故較為嚴(yán)重的A、B兩鎮(zhèn)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),調(diào)查當(dāng)?shù)卮髿饧?xì)顆粒物中鉛污染程度及找出鉛污染的排放源,以期為當(dāng)?shù)氐闹亟饘傥廴局卫硖峁┯行У臎Q策依據(jù)。
采樣點(diǎn)分別設(shè)置在華南地區(qū)A、B兩鎮(zhèn)政府辦公樓前的空地,利用移動(dòng)監(jiān)測(cè)車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。兩個(gè)采樣點(diǎn)分別位于A、B兩鎮(zhèn)城區(qū)中心,點(diǎn)位代表的是交通、居住及商業(yè)綜合區(qū)。采樣口離地面2.5 m,空氣流動(dòng)性較好,可代表該地區(qū)大氣環(huán)境。分別于2012年6月22—25日在 A鎮(zhèn),2012年6月25日—7月2日在B鎮(zhèn),使用在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS 0515)儀器開(kāi)展大氣監(jiān)測(cè),兩個(gè)點(diǎn)位分別采集3、7 d的有效數(shù)據(jù)。
儀器由進(jìn)樣系統(tǒng)、測(cè)徑系統(tǒng)、電離系統(tǒng)、質(zhì)譜分析系統(tǒng)組成,其基本原理為氣溶膠顆粒通過(guò)一進(jìn)樣管進(jìn)入儀器,在三級(jí)差動(dòng)真空條件下,不同顆粒由于粒徑的不同導(dǎo)致不同的速度,然后顆粒在空氣動(dòng)力學(xué)透鏡的作用下聚焦成為準(zhǔn)直顆粒束,在離開(kāi)空氣動(dòng)力學(xué)透鏡后進(jìn)入測(cè)徑區(qū),在測(cè)徑區(qū)顆粒連續(xù)經(jīng)過(guò)兩束532 nm測(cè)徑激光器發(fā)射的激光束,產(chǎn)生的散射光分別被橢球面鏡反射聚焦到光電倍增管(PMT)上得以檢測(cè),通過(guò)時(shí)序電路測(cè)量?jī)蓚€(gè)PMT信號(hào)的時(shí)間間隔,就可以計(jì)算顆粒的飛行速度,進(jìn)而換算出顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)直徑,另外顆粒的速度還用來(lái)控制當(dāng)顆粒到達(dá)電離區(qū)中心的時(shí)候電離激光出射激光將顆粒電離。顆粒進(jìn)入電離區(qū)后,被266 nm Nd:YAG紫外脈沖激光電離產(chǎn)生正負(fù)離子,然后離子被雙極型飛行時(shí)間質(zhì)量分析器檢測(cè),可同時(shí)得到顆粒物的正負(fù)離子信息。通過(guò)SPAMS可同時(shí)獲取單個(gè)顆粒物的粒徑大小和化學(xué)組成,從而達(dá)到對(duì)每個(gè)顆粒物來(lái)源的精確判別。
SPAMS采集數(shù)據(jù)使用 YAADA(運(yùn)行在Matlab平臺(tái)上,專門用來(lái)分析單顆粒質(zhì)譜數(shù)據(jù)的軟件包,Version2.1 版本,http://www.yaada.org)進(jìn)行分析。
鉛同位素組成除受放射性衰變、混合作用影響外,一般不會(huì)因它所經(jīng)歷的物理、化學(xué)、生物作用而發(fā)生變化,這就有可能把鉛的同位素豐度組成比作為含鉛顆粒物的一種“指紋”識(shí)別區(qū)分鉛的不同來(lái)源,即可將鉛的同位素組成作為示蹤含鉛礦物質(zhì)來(lái)源最直接、最有效的方法之一[27]。因此,本次監(jiān)測(cè)分析中將采用示蹤離子法,利用鉛的 3個(gè)同位素峰(206Pb+、207Pb+、208Pb+)對(duì)含鉛顆粒物進(jìn)行定性追蹤,分析含鉛顆粒物的質(zhì)譜特征、顆粒粒徑大小及排放變化情況,并依據(jù)污染源譜庫(kù)各種源排放污染物的特征離子,與本次監(jiān)測(cè)的在線質(zhì)譜測(cè)量結(jié)果比對(duì),判別含鉛顆粒物的具體來(lái)源。含鉛顆粒物的定性標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。對(duì)鉛的3個(gè)同位素峰(206Pb+、207Pb+、208Pb+)的最小峰面積均限定為50,采用鉛的3個(gè)同位素峰作為含鉛顆粒物主要特征離子來(lái)提取含鉛顆粒物。
表1 含鉛顆粒物的定性標(biāo)準(zhǔn)
監(jiān)測(cè)期間A、B鎮(zhèn)兩個(gè)點(diǎn)位的氣象數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可看出,監(jiān)測(cè)期間的天氣基本為陣雨或大雨天氣。降雨情況下,顆粒物受濕沉降的影響,質(zhì)量濃度會(huì)降低[28-29]。在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀檢測(cè)到的總顆粒物數(shù)濃度也會(huì)降低,但由于其能夠?qū)蝹€(gè)粒子的化學(xué)組成進(jìn)行識(shí)別和歸類,因此當(dāng)對(duì)大氣中含鉛顆粒數(shù)濃度的百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí),反映的是一種相對(duì)含量,仍能較為客觀的反映出各點(diǎn)含鉛顆粒物的污染情況[30]。
表2 監(jiān)測(cè)期間的天氣狀況
圖1、圖2分別為兩地區(qū)含鉛顆粒物的比例隨時(shí)間變化趨勢(shì)(15 min一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))。
圖1 A鎮(zhèn)含鉛顆粒物的比例隨時(shí)間變化
圖2 B鎮(zhèn)含鉛顆粒物的比例隨時(shí)間變化
由圖1、圖2可以看出,A、B兩鎮(zhèn)含鉛顆粒物數(shù)濃度占比基本都在夜間或凌晨達(dá)到高峰,如A鎮(zhèn)在 6月 23日 23:00—24日 03:00、25日04:00—08:00時(shí)段,B鎮(zhèn)在6月26日00:00—03:00、29 日03:00—05:00、30 日01:00—03:00、7月2日05:00—07:00時(shí)段都出現(xiàn)不同程度的排放高峰,高峰時(shí)刻含鉛顆粒物數(shù)濃度占比最高達(dá)到67%(即每采集100個(gè)顆粒,其中67個(gè)顆粒含有鉛),而其他時(shí)間含鉛顆粒物比例相對(duì)較低。
A、B兩鎮(zhèn)鉛污染狀況與廣州市區(qū)及鶴山的數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。由表3可以看出,監(jiān)測(cè)期間A鎮(zhèn)含鉛顆粒物的數(shù)濃度平均占比分別是廣州市區(qū)和鶴山的3.3、3.7倍;B鎮(zhèn)含鉛顆粒物數(shù)濃度的平均占比則是廣州市區(qū)和鶴山的2.7、3倍。高峰時(shí)段含鉛顆粒物的數(shù)濃度占比差別則更為明顯,A鎮(zhèn)分別是廣州市區(qū)、鶴山的6.9、10倍,B鎮(zhèn)分別是廣州市區(qū)、鶴山的 8.4、12.2倍。由此可見(jiàn),A、B兩鎮(zhèn)大氣中含鉛顆粒物污染非常嚴(yán)重。
表3 A、B鎮(zhèn)鉛污染狀況與廣州市區(qū)及鶴山的對(duì)比
A、B兩鎮(zhèn)含鉛顆粒物排放高峰的平均譜圖(含有鉛的顆粒物的質(zhì)譜圖累加后取平均),見(jiàn)圖3、圖4。比較發(fā)現(xiàn),兩地區(qū)的平均質(zhì)譜圖非常相似,均含有明顯的Pb+、EC(一系列碳簇)、,SO等信號(hào)。
圖3 A鎮(zhèn)的含鉛顆粒物平均譜圖
圖4 B鎮(zhèn)的含鉛顆粒物平均譜圖
A、B鎮(zhèn)兩地含鉛顆粒的粒徑分布情況如圖5所示。從圖5可以看出,A、B鎮(zhèn)兩地含鉛顆粒物的粒徑分布相似。通過(guò)兩地含鉛顆粒物的平均質(zhì)譜圖及粒徑分布的相似性,可以說(shuō)明,這些顆粒物的產(chǎn)生過(guò)程可能是一致的或者說(shuō)來(lái)源于同一類的排放源。
圖5 A、B鎮(zhèn)含鉛顆粒的粒徑分布
圖6為廣州市某燃煤電廠排放顆粒物中含鉛顆粒的特征譜圖。
結(jié)合圖3、圖4中A鎮(zhèn)、B鎮(zhèn)的含鉛顆粒物平均譜圖分析,發(fā)現(xiàn)三者含鉛顆粒譜圖十分相似,均同時(shí)含有Pb+、EC(一系列碳簇)、S-2,SO2-4等信號(hào),因此可判斷A、B鎮(zhèn)兩地區(qū)的高濃度鉛來(lái)源于燃煤排放。
圖6 廣州市某燃煤電廠含鉛顆粒物特征譜圖
1)含重金屬鉛顆粒物多在夜間或凌晨時(shí)段存在濃度瞬間增高的現(xiàn)象,且含鉛顆粒物的數(shù)濃度占比與廣州、鶴山等地區(qū)相比均反映了當(dāng)?shù)睾U顆粒物的污染非常嚴(yán)重。
2)通過(guò)分析含鉛顆粒物的質(zhì)譜特征與粒徑分布,判斷該地區(qū)含鉛顆粒物來(lái)源于燃煤排放。
3)監(jiān)測(cè)期間天氣多是大雨或陣雨天氣,并不利于常規(guī)儀器的監(jiān)測(cè),而SPAMS檢測(cè)的是含鉛顆粒物的數(shù)濃度占比情況,其在線監(jiān)測(cè)不受天氣條件影響。
[1]《中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社》編輯部.突發(fā)環(huán)境事件典型案例選編[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2011:267-268.
[2]錢華.環(huán)境鉛污染來(lái)源及其對(duì)人體健康的影響[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),1998,10(6):14-17.
[3]Sun Y L,Zhuang G S,Zhang W J,et al.Characteristics and sources of lead pollution after phasing out leaded gasoline in Beijing [J].Atmospheric Environment,2006,40:2 973-2 985.
[4]Tan M G,Zhang G L,Li X L,et al.Comprehensive study oflead pollution in Shanghaiby multiple techniques[J].Analytical Chemistry,2006,78(23):8 044-8 050.
[5]Cao S Z,Duan X L,Zhao X G,et al.Isotopic ratio based source apportionment of children’s blood lead around coking plant area[J]. Environment International,2014,73:158-166.
[6]陳純,彭國(guó)偉,路新燕,等.北方某市環(huán)境空氣顆粒物中重金屬污染狀況研究[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2009,29(4):38-42.
[7]《中國(guó)環(huán)境年鑒》編輯部.中國(guó)環(huán)境年鑒[M].北京:中國(guó)環(huán)境年鑒出版社,2010.
[8]Gard E,Mayer J E,Morrical B D,et al.Real-Time Analysis of Individual Atmospheric Aerosol Particles:Design and Performance of a Portable ATOFMS[J].Analytical Chemistry,1997,69:4 083-4 091.
[9]Li L,Huang Z X,Dong J G,et al.Real time bipolar time-of-flight mass spectrometer for analyzing single aerosol particles[J].International Journal of Mass Spectrometry,2011,303(2/3):118-124.
[10]Middlebrook A M,Murphy D M,Lee S H,et al.A comparison of particle mass spectrometers during the 1999 Atlanta Supersite Project[J]. Journalof Geophysical Research-Atmospheres,2003,108(D7).
[11]Bi X H,Zhang G H,Li L,et al.Mixing state of biomass burning particles by single particle aerosol mass spectrometer in the urban area of PRD,China[J].Atmospheric Environment,2011,45(20):3 447-3 453.
[12]李梅,李磊,黃正旭,等.運(yùn)用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術(shù)初步研究廣州大氣礦塵污染[J].環(huán)境科學(xué)研究,2011,24(6):632-636.
[13]Yang F,Chen H,Du J,et al.Evolution of the mixing state of fine aerosols during haze events in Shanghai[J]. Atmospheric Research,2012(104/105):193-201.
[14]Chen K,Yin Y,Kong S F,et al.Size-resolved chemical composition of atmospheric particles during a straw burning period at Mt.Huang(the Yellow Mountain)of China[J].Atmospheric Environment,2014,84:380-389.
[15]Fu H Y,Zheng M,Yan C Q,et al.Sources and characteristics of fine particles over the Yellow Sea and Bohai Sea using online single particle aerosol mass spectrometer[J].Journal of Environmental Sciences,2015,29:62-70.
[16]Gard E E,Kleeman M J,Gross D S,et al.Direct observation of heterogeneous chemistry in the atmosphere [J]. Science,1998,279(5354):1 184-1 187.
[17]Wang X F, Sultana C M, Trueblood J, et al.Microbial control of sea spray aerosol composition:A tale of two blooms[J].American Chemical Society Central Science,2015,1(3),124-131.
[18]Pratt K A,DeMott P J,F(xiàn)rench J R,et al.In situ detection of biological particles in cloud ice-crystals[J].Nature Geoscience,2009,2(6):397-400.
[19]Jessie M.Creamean,Kaitlyn J,et al.Dust and biological aerosols from the sahara and asia influence precipitation in the western US.[J].Science,2013,339:1 572-1 578.
[20]Cziczo D J,Murphy D M,Thomson D S,et al.Composition of individual particles in the wakes of an Athena II rocketand the space shuttle[J].GeophysicalResearchLetters, 2002, 29(21):331-334.
[21]Srivastava A, Pitesky M E, Steele P T, et al.Comprehensive assignment of mass spectral signatures from individual Bacillus atrophaeus spores in matrixfree laser desorption/ionization bioaerosol mass spectrometry [J]. Analytical Chemistry, 2005,77(10):3 315-3 323.
[22]Park K,Lee D,Rai A,et al.Size-resolved kinetic measurements of aluminum nanoparticle oxidation with single particle mass spectrometry[J].Journal Physical Chemistry B,2005,109(15):7 290-7 299.
[23]Martin A N,F(xiàn)arquar G R,F(xiàn)rank M,et al.Singleparticle aerosol mass spectrometry for the detection and identification of chemical warfare agent simulants[J].Analytical Chemistry,2007,79(16):6 368-6 375.
[24]Moffet R C,Desyaterik Y,Hopkins R J,et al.Characterization of aerosols containing Zn,Pb,and Cl from an, industrialregion ofmexico city[J].EnvironmentalScience & Technology, 2008,42:7 091-7 097.
[25]Snyder D C,Schauer J J,Gross D S,et al.Estimating the contribution of point sources to atmospheric metals using single-particle mass spectrometry [J].Atmospheric Environment, 2009, 43 (26):4 033-4 042.
[26]張雅萍.運(yùn)用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術(shù)研究上海大氣重金屬(Pb,Zn,Cu)污染[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2009:37-38.
[27]邊歸國(guó).大氣顆粒物中鉛污染來(lái)源解析技術(shù)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2009,25(2):48-52.
[28]韓燕,徐虹,畢曉輝,等.降水對(duì)顆粒物的沖刷作用及其對(duì)雨水化學(xué)的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2013,33(2):193-200.
[29]楊健兒.上海市近地表大氣顆粒物污染特征及來(lái)源分析研究[D].上海:華東師范大學(xué),2011:31-33.
[30]牟瑩瑩,樓晟榮,陳長(zhǎng)虹,等.利用SPAMS研究上海秋季氣溶膠污染過(guò)程中顆粒物的老化與混合狀態(tài)[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(6):2 071-2 080.
中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)2015年6期