天津市PM10和PM2.5中水溶性離子化學特征及來源分析

孫　韌，張文具，董海燕，邊瑋瓅，陳　魁

天津市環境監測中心，天津 300191

我國顆粒物污染嚴重，尤其是近年來灰霾等污染問題凸現[1-3]，PM2.5氣溶膠的復合污染作用往往超過傳統的大氣污染物，使得以PM2.5為代表的顆粒物污染成為影響我國空氣質量改善的重要難題[4]。水溶性離子是PM10和PM2.5的重要組成部分，與大氣降水的酸度密切相關[5-6]。PM2.5中水溶性物種具有親水性而能促使云的凝結核(CCN)形成，從而對氣候、能見度產生重要的影響[7]。天津市是北方沿海開放城市，作為環渤海經濟的中心，環境空氣質量受到越來越多的關注。筆者于2011年5月—2012年1月采集天津市大氣中PM10和PM2.5的濾膜樣品，對比分析不同粒徑顆粒物中水溶性離子成分、濃度和季節變化特征及顆粒物陰陽離子平衡、二次離子轉化及顆粒物來源，天津市PM2.5及PM10中水溶性成分在大氣中的組成和來源分析對于有效控制PM2.5污染具有重要意義。

1　實驗部分

采樣地點設在南開區一棟4層樓樓頂，距離地面高20 m，四周綠化較好。北側50 m為中環線，交通較為繁忙,南側30 m為7層高樓,東西方向較為開闊，無遮擋物，東側為綠化帶。

采樣儀器為TH-150AⅡ中流量總懸浮微粒采樣器，流量為100 L/min;采樣濾膜為直徑90 mm的石英濾膜，通過加裝PM10和PM2.5切割器實現對環境空氣中不同粒徑顆粒物的采集；采樣時間為當日12：00—次日8：00，每次采樣20 h；采集時段為2011年5月13日—2012年1月3日，共采集到58個PM10有效樣品，52個PM2.5有效樣品。

離子分析采用ICS-1500離子色譜儀(美國)，陽離子檢測用CS12A色譜柱，CSRS抑制器，淋洗液為22 mmol/L的甲磺酸，流速為1 mL/min；陰離子檢測用AS14分離柱，ASRS抑制器，淋洗液為3.5 mmol/L Na2CO3，1 mmol/L NaHCO3，流速為 1 mL/min。

2　結果與討論

2.1濃度水平

2.1.1PM10濃度水平

圖1是PM10中各離子在離子總量中所占百分比。

圖1　天津市PM10中離子濃度百分比

2.1.2PM2.5濃度水平

圖2是PM2.5中各離子在離子總量中所占百分比。

圖2　天津市PM2.5中離子濃度百分比

2.1.3PM10和PM2.5中濃度比值

圖3是PM10和PM2.5中各離子濃度比較情況。

圖3　不同離子組分在PM10和PM2.5中的濃度

2.2季節變化特征

2.2.1PM10中離子季節特征

圖4是PM10中各離子濃度的季節變化趨勢。

圖4　天津市PM10中離子濃度季節變化

Mg2+和K+變化趨勢相同，均為冬季最高，夏季居中，秋季最低，整體變化不大。Na+濃度較低，各季節變化不大，需要指出的是，海鹽粒子中Cl-與Na+的質量濃度比約為1.16[8]，該研究中，Cl-/Na+在春、夏、秋、冬4個季節的濃度比分別為2.6、4.1、8.6、7.6，明顯受到人為活動影響。Ca2+濃度夏季最高，冬季最低，主要來自沙塵、土壤塵和建筑塵等，夏季濃度的升高很大程度上與建筑有關。

2.2.2PM2.5中離子季節特征

與PM10中明顯不同，Ca2+濃度季節變化很小，春季最高，為1.4 μg/m3，夏秋季濃度最低，均為1.1 μg/m3，可見，PM2.5中Ca2+濃度主要受到土壤塵的影響。

圖5　天津市PM2.5中離子濃度季節變化

2.3陰陽離子平衡

利用式(1)、式(2)分析PM10和PM2.5中陰陽離子平衡性[10]，結果見圖6。

圖6　天津市顆粒物陰陽離子比值

分別對PM10和PM2.5中陰陽離子進行相關性分析，陰陽離子平衡方程斜率均大于1。可見，天津市PM10和PM2.5顆粒均呈酸性。PM10中∑陽離子/∑陰離子平均值為0.92，略偏酸性。在春、夏、秋、冬4個季節中∑陽離子/∑陰離子分別為0.60、0.89、0.66、1.41。春、夏、秋3季酸性陰離子過剩，顆粒物呈酸性，冬季堿性陽離子過剩，顆粒物呈堿性。PM2.5中∑陽離子/∑陰離子平均值為0.75，總體呈酸性，在春、夏、秋、冬4個季節中∑陽離子/∑陰離子分別為1.34、0.61、0.66、0.94。春季堿性陽離子過剩，顆粒物呈堿性，夏、秋、冬3季酸性陰離子過剩，顆粒物呈酸性。

(3)

(4)

利用式(3)、式(4)計算PM2.5中的SOR值和NOR值(圖7)。

圖7　天津市PM2.5中SOR和NOR季節變化

2.5來源分析

運用SPSS10.0軟件對PM10和PM2.5中離子組分進行主成分分析，考察天津市顆粒物污染來源情況，主成分旋轉因子載荷矩陣見表1。

表1　PM10、PM2.5中離子組分旋轉因子載荷矩陣

3　結論

3)對PM10和PM2.5中陰陽離子平衡性分析表明，天津市PM10和PM2.5顆粒均呈酸性。且PM2.5酸性大于PM10。PM10中∑陽離子/∑陰離子平均值為0.92，春、夏、秋顆粒物呈酸性，冬季呈堿性；PM2.5中平均比值為0.75，春季顆粒物呈堿性，夏、秋、冬呈酸性。

4)對二次氣溶膠轉化情況的分析表明，PM2.5中SOR平均值為0.25，存在SO2的二次轉化過程，且夏季(0.74)>春季(0.53)>秋季(0.42)>冬季(0.06)。NOR平均值為0.13，小于SOR，且夏季(0.24)>秋季(0.16)>冬季(0.09)>春季(0.02)。

5)對PM10和PM2.5中主要組分進行主成分分析發現，PM10可能主要來源于海鹽、工業源、二次反應及土壤和建筑塵等，PM2.5則主要來源于海鹽污染源、二次反應及生物質燃燒。

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