霍霄瑋 薛科社 許博健 史良于 史瑞祥

(西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127)

西安市冬夏季交通主干道環(huán)境空氣中苯系物的污染特征*

霍霄瑋 薛科社#許博健 史良于 史瑞祥

(西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127)

利用活性炭吸附/二硫化碳解吸—氣相色譜法對西安市具有代表性的大慶路和長安路兩處交通主干道進行環(huán)境空氣監(jiān)測，分析了冬季和夏季的苯、甲苯、乙苯、二甲苯(BTEX)等苯系物的濃度水平和日變化特征。結果表明，大慶路和長安路環(huán)境空氣中總BTEX平均質(zhì)量濃度冬季分別為55.27、46.01μg/m3，夏季分別為32.54、20.32μg/m3。兩路段最主要的BTEX均為苯和甲苯。BTEX日變化趨勢研究顯示，冬季呈現(xiàn)早中晚3個高峰，而夏季只有早晚兩個高峰；長安路由于地處西安市繁華的商業(yè)區(qū)，晚高峰出現(xiàn)的比大慶路晚。

苯系物 交通主干道 環(huán)境空氣 西安市

大部分揮發(fā)性有機物(VOCs)具有大氣化學反應活性，是形成臭氧和PM2.5的重要前體物[1-2]。眾多關于VOCs的研究表明，苯、甲苯、乙苯、二甲苯(BTEX)等苯系物是大氣VOCs的主要組分，具有較大的臭氧生成潛勢[3]和二次有機氣溶膠轉化潛力[4]。長期接觸BTEX等苯系物會對人體的呼吸系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)造成慢性或急性傷害，甚至具有致癌風險[5-6]。因此，許多發(fā)達國家已將BTEX的監(jiān)測作為環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測的常規(guī)項目，但我國的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)尚未對BTEX進行限定。

我國環(huán)境科學工作者在各大城市做了BTEX的研究工作，但主要集中在經(jīng)濟發(fā)達的京津冀地區(qū)[7-8]和長三角地區(qū)[9]，西北地區(qū)研究較少。近年來，西部大開發(fā)和新絲綢之路戰(zhàn)略的實施使西北地區(qū)經(jīng)濟高速發(fā)展，但隨之引起的環(huán)境空氣污染問題也越來越突出。西安市是重要的西北城市，大氣污染問題尤為突出。PM2.5和臭氧已成為西安市冬夏季的首要大氣污染物，所以研究PM2.5和臭氧的重要前體物BTEX十分必要。研究證明，機動車尾氣排放是城市BTEX的重要來源[10]。因此，本研究對西安市冬夏季兩處具有代表性的大慶路和長安路交通主干道環(huán)境空氣中BTEX的污染特征進行了研究，以期為西安市大氣污染的治理提供參考。

1 實驗部分

1.1 采樣點布設

西安市的道路網(wǎng)為方格網(wǎng)、棋盤式布局，以穿越鐘樓的南北主干道為中心主軸，與穿越五路口和蓮湖路的東西主干道交匯，形成“十”字型格局。本研究將采樣點設置于西安市大慶路開遠門附近交通主干道(以下簡稱大慶路)和長安路小寨附近交通主干道(以下簡稱長安路)。大慶路和長安路分別是東西主干道和南北主干道的重要路段，均為雙向八車道，交通繁忙，車流量大。經(jīng)實地調(diào)研，大慶路車流量約為2 435輛/h，長安路車流量約為2 417輛/h。

1.2 樣品采集

在距機動車道邊緣1.0～1.5 m的人行道上采集樣品，采樣點距地面高度為1.5 m。分別在冬季(2015年12月至2016年1月)和夏季(2016年7月至8月)進行了樣品采集，冬季共采13次，夏季共采14次。每次采樣選取8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00 7個時間點，取各個時間點的平均值來研究BTEX日變化特征，取各個季節(jié)的平均值來表示BTEX季節(jié)濃度。依照《環(huán)境空氣 苯系物的測定 活性炭吸附/二硫化碳解吸—氣相色譜法》(HJ 584—2010)的規(guī)定，每個時間點采樣時將GH-1溶劑解析型活性炭采樣管與TH-110B型大氣采樣器連接，以0.3 L/min的速率采集空氣1 h，采樣結束后將活性炭采樣管兩端用聚四氟乙烯密封，避光保存，帶回實驗室冷凍保存，24 h內(nèi)完成分析。

1.3 樣品測定

1.3.1 樣品預處理

依照HJ 584—2010的規(guī)定，將活性炭采樣管中活性炭倒入磨口具塞試管中，加入1.0 mL二硫化碳后密閉，輕輕振蕩，在室溫下解吸1 h，取1 μL解吸液注入日本島津GC-2010型氣相色譜儀中檢測苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯6種化合物。

1.3.2 色譜條件

進樣口溫度為200 ℃，壓力為100 kPa，分流比為10∶1；檢測器為氫火焰離子化檢測器(FID)，溫度為200 ℃，H2流量為40 mL/min，空氣流量為50 mL/min，尾吹氣(氦氣)流量為30 mL/min；色譜柱為美國安捷倫科技有限公司的HP-1MS石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，初始柱溫為35 ℃，保持5 min后，以5 ℃/min升溫至80 ℃；載氣為氦氣，純度為99.999%。

1.3.3 質(zhì)量控制

每次采集樣品時，做現(xiàn)場空白樣品；采樣前對大氣采樣器進行校準，對活性炭采樣管進行穿透體積實驗，保證采樣流量平穩(wěn)，待測物未發(fā)生穿透現(xiàn)象；對同一濃度的標準溶液連續(xù)進樣7次，各化合物的相對標準偏差均小于4%；BTEX的方法檢出限為1.0×10-3～1.5×10-3mg/m3，滿足質(zhì)量控制要求。由于間二甲苯和對二甲苯不能有效分離，以下統(tǒng)稱為間對二甲苯。

2 結果與討論

2.1 BTEX濃度水平及來源分析

大慶路和長安路冬夏兩季環(huán)境空氣中BTEX質(zhì)量濃度如表1所示?？梢?，大慶路和長安路環(huán)境空氣中總BTEX平均質(zhì)量濃度冬季分別為55.27、46.01 μg/m3，夏季分別為32.54、20.32 μg/m3。總體來說，大慶路的BTEX濃度高于長安路，這是因為大慶路位于西安市城西工業(yè)生產(chǎn)的集中區(qū)域，周邊有眾多加工制造廠，除了交通污染源外，還存在涂料油漆、工業(yè)溶劑、化學試劑等工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的BTEX。兩采樣點的最主要污染物是苯和甲苯。大慶路夏季的間對二甲苯濃度高于苯和甲苯是因為間二甲苯和對二甲苯未分離，其結果是兩種化合物的和。

從季節(jié)分析，大慶路和長安路均表現(xiàn)出BTEX濃度冬季高于夏季，與翟增秀等[11]的研究結果一致。冬季BTEX污染程度普遍高于夏季，這可能與氣象條件[12]和污染源排放強度有關：一方面西安市冬季大氣穩(wěn)定度強，混合層高度低，污染物不易擴散，而夏季大氣對流強，污染物易擴散；另一方面，冬季除了來自機動車尾氣排放和汽油揮發(fā)外[13]，化石燃料和生物質(zhì)不完全燃燒排放也有一定的貢獻[14]。

由于GB 3095—2012尚未對BTEX進行限定，參考歐盟對苯的最大質(zhì)量濃度(5 μg/m3)限定和世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦的甲苯日均接觸閾值(8.21 μg/m3)進行評價，大慶路和長安路冬夏兩季的苯濃度均超標，兩采樣點的甲苯濃度冬季超過了WHO的日均接觸閾值。

表1 大慶路和長安路冬夏兩季環(huán)境空氣中BTEX質(zhì)量濃度

2.2 BTEX日變化特征

如圖1(a)所示，大慶路冬季環(huán)境空氣中BTEX各組分以及總BTEX日變化趨勢基本相似，呈早中晚3個高峰。早晚高峰正好是8:00和18:00上下班交通高峰期，說明BTEX與交通排放緊密相關。18:00之后，各污染物濃度呈下降趨勢，一方面由于交通流量下降，汽車尾氣排放開始降低；另一方面由于附近工廠停止工作，工業(yè)溶劑、涂料等停止或減少使用。中午12:00—14:00的高峰與北京市等大多數(shù)城市的研究結果不同[15]，但李明謙[16]在研究西安市城區(qū)VOCs時也發(fā)現(xiàn)類似的結果。BTEX濃度的日變化特征與污染物的來源和氣象條件等都密切相關。中午時段，街邊飯館生意火熱，大量煤燃燒所排放的污染物可能是中午時段重要的污染來源。此外，冬季大氣穩(wěn)定度強，大氣對流弱，污染物不易擴散[17]，也可能是中午時段污染物濃度偏高的原因。圖1(b)顯示了大慶路夏季環(huán)境空氣中BTEX各組分以及總BTEX日變化趨勢。與冬季不同的是，夏季只有兩個高峰。上午8:00出現(xiàn)第1個高峰，隨后BTEX各組分以及總BTEX濃度下降，14:00降為最低，與VELASCO等[18]的研究結果相同，之后又開始上升，18:00左右出現(xiàn)第2個高峰，這兩個時間與人類活動(主要是化石燃料燃燒和機動車尾氣排放)密切相關。中午沒有出現(xiàn)高峰可能是因為西安市夏季氣溫高，大氣邊界層高度隨之增高，對流作用強烈，光化學反應消耗和大氣對流擴散降低了環(huán)境空氣中BTEX的濃度。

圖1 BTEX各組分濃度的日變化Fig.1 Diurnal variation of benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes

如圖1(c)所示，長安路冬季環(huán)境空氣中BTEX各組分以及總BTEX日變化也呈現(xiàn)早中晚3個高峰，但與大慶路不同的是，長安路晚高峰出現(xiàn)的更晚，這可能是長安路處于西安市繁華的商業(yè)區(qū)，交通晚高峰一直持續(xù)到20:00以后。此外，長安路附近還有城中村使用簡易煤爐作為冬季的主要取暖方式，化石燃料燃燒排放非常嚴重。如圖1(d)所示，長安路夏季環(huán)境空氣中BTEX各組分以及總BTEX日變化趨勢也只呈現(xiàn)早晚兩個高峰，早高峰出現(xiàn)在8:00，同樣地，晚高峰持續(xù)到20:00以后。

3 結 論

(1) 大慶路和長安路環(huán)境空氣中總BTEX冬季平均質(zhì)量濃度分別為55.27、46.01 μg/m3，明顯高于夏季(大慶路和長安路分別為32.54、20.32 μg/m3)。大慶路和長安路相比，大慶路BTEX濃度總體高于長安路。苯和甲苯是西安市環(huán)境空氣中最主要的BTEX污染物。

(2) BTEX日變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，冬季環(huán)境空氣中BTEX日變化趨勢呈現(xiàn)早中晚3個高峰，而夏季只有早晚兩個高峰。長安路由于地處西安市繁華的商業(yè)區(qū)，晚高峰出現(xiàn)的比大慶路更晚。

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PollutioncharacteristicsofbenzenesinambientairaroundtrafficarteriesduringwinterandsummerinXi’an

HUOXiaowei,XUEKeshe,XUBojian,SHILiangyu,SHIRuixiang.

(CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,NorthwestUniversity,Xi’anShaanxi710127)

The monitoring of ambient air in two typical traffic arteries (Daqing Road and Chang’an Road) in Xi’an was carried out by activated carbon adsorption/carbon disulfide desorption coupled with gas chromatography. The concentration levels and diurnal variations of benezenes (benzene,toluene,ethylbenzene and xylenes (BTEX)) were studied during winter and summer. Results showed that the average mass concentrations of total BTEX during winter were 55.27 and 46.01 μg/m3in Daqing Road and Chang’an Road,respectively,and those during summer were 32.54 and 20.32 μg/m3,respectively. The most dominant BTEX were benzene and toluene in both sampling points. The diurnal variations of BTEX showed that 3 peaks existed in winter while only 2 peaks in summer;the evening peak came later in Chang’an Road because Chang’an Road located in commercial area.

benzenes; traffic arteries; ambient air; Xi’an

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.016

2016-11-09)

霍霄瑋，男，1989年生，碩士研究生，主要從事大氣環(huán)境監(jiān)測與大氣污染治理研究。#

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*西北大學研究生自主創(chuàng)新項目(No.YZZ15012)。