鶴壁市大氣氣溶膠粒子中晶體化合物及形成機理探討

張勇　魏宏偉

摘 要：文章對鶴壁市2006～2011年的PM10進行監測，并對PM10中的化學成分及存在的晶體化合物進行分析，同時對大氣氣溶膠粒子中晶體化合物的形成機理進行了探討，以期為鶴壁市大氣氣溶膠的研究奠定了基礎。

關鍵詞：氣溶膠；元素；PM10

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）23-0179-02

大氣氣溶膠作為當前環境熱點問題之一，逐步受到人們的關注。雖然大氣氣溶膠只是地球大氣成分中含量很少的組分，但是由于氣溶膠的化學成分十分復雜，不同的時間和空間，氣溶膠的化學成分是不同的，甚至差別很大，而且因為它在許多大氣過程中所起的重要作用而越來越受到廣泛地重視。近年來，對大氣氣溶膠化學成分的研究較多，但對大氣氣溶膠粒子中晶體化合物的研究報道較少。

本研究從2006年～2011年，分別對鶴壁市淇濱區、山城區氣溶膠中的PM10進行了采樣監測，分析其質量濃度，并分析了PM10的化學成分組成及晶體化合物。

1 樣品的采集與分析

1.1 采樣地點

選定鶴壁市淇濱區和山城區的四個采樣點，分別為網通公司、市防疫站、山城環保分局、助劑廠。

1.2 采樣時間

PM10采樣時間為25 min/h。PM10化學成分分析選用2050大氣綜合采樣器采集，采樣時間為72 h。

1.3 設備與儀器

1.3.1 采樣儀器

①2050大氣綜合采樣器（青島嶗應）。

②2021-s24 h恒溫自動連續采樣器（青島嶗應）。

1.3.2 分析儀器

用2000型離子色譜儀分析氣溶膠中離子化合物的可溶性離子，用Y-2000型X射線衍射儀分析樣品中晶體化合物。

2 結果與討論

2.1 大氣氣溶膠粒子的化學成分分析

大氣氣溶膠粒子的化學成分十分復雜，幾乎包含了自然界存在的所有元素。由于氣溶膠粒子來源不同，因此組分差異較大；不同粒徑的粒子，其化學成分也有很大差異。

鶴壁市是一座新興的煤炭工業型城市，工業企業以煤炭開采、水泥、電力產業、化工為主。其空氣中的氣溶膠粒子化學成分除地殼常量元素鈣、硅、鋁、鐵、鉀和鈉之外，還有與城市工業企業相關的碳、鎂、硫等常量元素存在。本研究用能譜儀和半定量法測定分析了鶴壁市大氣氣溶膠PM10中的主要化學成分（見表1），用ICP-AES法測定分析了其中的主要元素（見表2），用離子色譜法測定了PM10中的可溶性離子化合物（見表3）。

2.2 大氣氣溶膠粒子中的晶體化合物分析

城市大氣氣溶膠粒子中存在著晶體化合物已被很多研究所證實。鶴壁市大氣氣溶膠粒子中同樣存在著部分晶體化合物，本研究用X-射線衍射儀檢測了PM10樣品中的晶體化合物，其主要成分有石英晶體、二氧化硅晶體、碳酸鈣晶體、二水石膏晶體和氯化銨晶體，見表4。

2.3 大氣氣溶膠粒子中化合物形成機理探討

大氣氣溶膠粒子中晶體化合物屬大氣污染物二次生成物，其形成機理的研究是目前大氣氣溶膠研究的一個熱點問題，也是一個難點。目前的研究主要集中在SO2和NO2在氣溶膠粒子中的化學反應及晶體形成機理。

2.3.1 SO2在氣溶膠粒子中的化學反應及晶體形成機理

SO2在空氣中經過氯化鈉、固體粒子中的鐵、錳等催化作用形成硫酸的過程，稱為二氧化硫催化氧化過程。這個過程在陰云密布，濕度大，氣溶膠固體粒子含量高的大氣中容易進行。在大氣氣溶膠有液滴存在的情況下，SO2常常會被氣溶膠中的固體塵粒所吸附，該過程多發生在氣溶膠顆粒表面上。首先，SO2溶解在水滴中形成亞硫酸，其次，在鐵、錳的硫酸鹽和氯化物的催化下亞硫酸被氧化成硫酸：

2S02+2H20+02 ■ 2H2SO4

如果氣溶膠液滴中存在Mn2+、Fe2+、Cu2+，可以使二氧化硫的氧化速率分別增加12.2倍、3.5倍和2.4倍，其中Mn2+的催化效率最高。

大氣中SO42-的存在為氣溶膠粒子中的金屬陽離子離子提供了陰離子，在適合的條件下進行化學反應生成各種金屬硫酸鹽，即硫酸鹽晶體。如：CaSO4、2H2O、（HN4）2SO4、Mg SO4、PbSO4、Na2SO4和K2SO4等等。

2.3.2 NO2在氣溶膠粒子中的化學反應及晶體形成機理

NO2轉化為HNO3也是大氣化學中一個重要反應，形成的物質來源，NO2轉化為HNO3有兩條途徑：

①NO2與OH自由基反應。

NO2+OH+M→HNO3

上式雙分子的速率常數為1.1×10-11 cm3/mol·s。在城市污染大氣中，OH自由基峰值濃度可達5×106個自由基/cm。這樣可促使上述反應能順利進行，NO2存留時間可為5 h。

②暗反應。

夜晚HNO3形成按下列系列反應：

NO2+O3 ■ NO+2O2

NO2+O3 ■ NO+2O2

上式反應（a）在夜晚對流層中為主要反應，反應（b）居次要地位。反應速率常數為3.2×10-17 cm3/mol·s。當O3濃度為0.08 mg/m3時，NO2存留時間為4.4 h。

O2+NO2+M → N2O5

上式正反應常數為1.3×10-12 cm3/mol·s。N2O5存留時間短，它與H2O結合為硝酸：

N2O5+H2O → 2HNO3

上式反應速率常數為1.3×10-21 cm3/mol·s。

大氣中NO3-的存在為氣溶膠粒子中的金屬陽離子提供了陰離子，在適合的條件下進行化學反應生成各種金屬硝酸鹽，即硝酸鹽晶體。如：Ca（NO3）2、HN4NO3、PbNO3、NaNO3和KNO3等等。

3 結 語

①鶴壁市大氣氣溶膠粒子中檢出了Al、As、Ba、Be、Ca、Cd、C、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、Pb、Se、S、Sr、Ti、Tl、V、Zn等元素。

②鶴壁市大氣氣溶膠粒子中檢出了石英晶體、二氧化硅晶體、碳酸鈣晶體、二水石膏晶體和氯化銨晶體等。

③本文對SO2和NO2在氣溶膠粒子中的化學反應及晶體形成機理進行了探討。

參考文獻：

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