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

(南京信息工程大學環境科學與工程學院,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

(南京信息工程大學環境科學與工程學院,江蘇南京 210044)

2009年1月對南京市河西生活區距地面1.5、54和80 m 3處同步進行了大氣顆粒物采樣,并用離子色譜對樣品進行了分析。結果顯示,隨著高度的增加,PM10和PM2.1的質量濃度逐漸降低,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個高度的與濃度之比均大于1,表明該生活區移動排放源已經成為大氣氣溶膠離子的主要來源。3個高度處各離子粒徑分布規律為:在0.43～1.1μm出現峰值;在4.7～5.8μm出現峰值;在0.43～1.1μm和4.7～5.8μm出現雙峰。

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、組成和運動方式的不同決定了氣溶膠的污染特征以及對環境和人類健康的影響程度[1]。據2008年南京市空氣質量日報報道[2],南京市首要污染物為可吸入顆粒物的天數達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能夠與水溶性離子發生協同作用,對人體的危害也會有所增加。隨著經濟社會的快速發展,城市的高層建筑物日益增多,人們的活動空間早已不再局限于地面,而是已經拓展至離地面40～100 m[5]甚至更高空間。因此對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]對南京市區和北郊的研究表明:PM2.1中的離子日平均濃度依次為:,該6種水溶性離子質量濃度總和分別占市區和北郊PM2.1的46.99%、42.32%。樊曙先等[8]對銀川市顆粒物研究表明,各粒徑粒子的質量濃度隨高度遞減,PM10占TSP的比例卻隨高度增加。本文以南京市河西生活區一幢27層高層建筑為觀測點,分析了南京市冬季氣溶膠質量濃度和水溶性離子濃度隨高度變化規律及其粒徑分布特性。

1 樣品的采集和分析

樣品采集點設在南京市河西地區某生活小區內一幢27層的高層建筑上,分別在距地面高度1.5、54和80m布設3個采樣監測點,采樣點附近100m范圍內無明顯的污染點源,整個采樣點能夠較好地代表該生活區的大氣狀況。從2009年1月12—16日共計5d對3個不同高度監測點進行同步監測,每日連續采集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,設置流速為28.3L/m in,粒子的50%切割等效空氣學粒徑(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高純去離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。對空白濾膜采用相同的方法進行處理,測定其離子的本底含量,并從實際樣品分析結果中扣除。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種水溶性無機離子的含量。離子色譜的標準曲線相關性都大于0.999,離子檢出限最低為0.016～0.110m g·L-1,標準方差為1.2%～5.7%,加標回收率為96%～105%,符合環境監測實驗室質量控制指標[9]要求。

2 結果與討論

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,因此本文把空氣動力學當量等效直徑2.1μm作為粗細粒子的分界。PM2.5細粒子可進入人體的支氣管和肺泡,引發或加重呼吸系統及循環系統的疾病,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個高度上PM10和PM2.1的平均質量濃度及PM2.1與PM10的質量濃度百分比。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。這可能是因為冬季近地面大氣較穩定,加上逆溫、靜風等不利氣象條件,使得顆粒物不易向高處擴散,所以PM10和PM2.1的質量濃度隨高度的增加都有所降低;同時由于采樣點對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的平均質量濃度以及PM2.1與P M10質量濃度的比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PM10的貢獻率分別為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PM2.1的貢獻率分別為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。而根據表1,隨著高度的增加,PM10和PM2.1的平均質量濃度都逐漸減小,這表明水溶性離子更易在質量較小的細粒子中富集,與姚青等[11]的研究結果一致。

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個高度變化趨勢基本一致是最主要的3種水溶性無機離子。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%,共計達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(質量比)的相對大小來反映機動車和燃煤對大氣氣溶膠中水溶性組分的相對貢獻,即作為移動排放源(機動車)和固定排放源(燃煤)排放強度的指示因子[12-13]。對1.5、54和80m處氣溶膠的進行計算,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],表明移動排放源(機動車)已經成為該生活區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

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

這里用ΔM/ΔlgDp近似地表示。其中:ΔM為某一粒徑區間離子中離子的質量濃度;ΔlgDp為對應粒徑區間上限與下限粒徑對數值的差值。9種水溶性離子粒徑分布情況見圖2。3個高度處各離子粒徑分布規律大致可以分為3類:1)在0.43～1.1 μm出現峰值的細粒子;2)在4.7～5.8μm出現峰值的粗粒子;3)在0.43～1.1μm和4.7～5.8μm出現雙峰的粒子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”的結論不同。

圖1 3個高度上PM10中水溶性離子的質量濃度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 結論

1)隨著高度的增加,PM10和PM2.1的質量濃度都逐漸減小,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,表明移動排放源(機動車)已經成為該生活區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

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

孔春霞(1982—),女,江蘇姜堰人,講師,研究方向為大氣環境化學,chunxiakong@163.com;郭勝利(通信作者),博士,教授,博士生導師,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].大氣科學學報,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.

(責任編輯:劉菲)