北京市冬季霧霾顆粒物及其化學(xué)組分的粒徑分布特征探討

摘 要：近年來，北京市在冬季時(shí)常會(huì)出現(xiàn)霧霾天氣，以至于給北京市民的生活帶來了極大的影響。而為了對(duì)北京地區(qū)的霧霾進(jìn)行控制，則需要了解霧霾顆粒物及其化學(xué)組分的粒徑分布特征，以便根據(jù)污染來源采取有針對(duì)性的治理措施。因此，該文對(duì)北京市冬季霧霾進(jìn)行了采樣分析，以便對(duì)其顆粒物及化學(xué)組分的粒徑分布特征進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：北京市 冬季霧霾 顆粒物 化學(xué)組分 粒徑分布特征

中圖分類號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（b）-0188-02

近年來，一進(jìn)入冬季，北京霧霾事件的發(fā)生就會(huì)受到世界范圍內(nèi)的關(guān)注。而強(qiáng)霧霾的發(fā)生，與一次氣體污染物向顆粒態(tài)轉(zhuǎn)換有著直接的聯(lián)系。因此，該文對(duì)北京市冬季霧霾天氣的顆粒物濃度進(jìn)行了采樣分析，以便結(jié)合天氣變化對(duì)顆粒物的化學(xué)組分、粒徑分布和來源進(jìn)行有效分析，繼而為霧霾的控制提供依據(jù)。

1 研究實(shí)驗(yàn)

1.1 顆粒物樣品采樣

為了研究北京市冬季霧霾顆粒物及其化學(xué)組分，需要在民樓頂進(jìn)行采樣器的架設(shè)，以便進(jìn)行顆粒物樣品的采樣。而采樣點(diǎn)距離地面約為25 m，向北約850 m，向東約350 m。使用的采樣器為13級(jí)低壓撞擊器，可以對(duì)不同粒徑段的顆粒物樣品進(jìn)行采集，采集流量為10 L·min-1，濾膜為25 mm鋁膜。采樣時(shí)間安排在每天13點(diǎn)到次日12點(diǎn)，從1月1日開始，一共進(jìn)行了為期13天的連續(xù)采樣，獲得了10組樣品。在采樣期間，共經(jīng)歷霧霾、雪、多云和晴這四種天氣[1]。污染狀態(tài)有4種，分別是二級(jí)良、三級(jí)輕度污染、四級(jí)中度污染和六級(jí)嚴(yán)重污染。

1.2 顆粒物樣品分析

在對(duì)膜樣品進(jìn)行分析時(shí)，使用了百萬分之一的微量天平進(jìn)行鋁膜的承重，取得了各粒徑段顆粒物的質(zhì)量濃度。在分析樣品中陽離子與陰離子含量時(shí)，使用了型號(hào)為ICS-2000和ICS-1000的離子色譜儀。在分析樣品中的有機(jī)碳和元素碳含量時(shí)，使用了DRI Model 2001這一熱光碳分析儀[2]。但是，由于顆粒物表面不均勻會(huì)對(duì)儀器使用產(chǎn)生影響，所以利用石英膜同步采集的樣品中的OC、EC、OPC比例對(duì)得到的分級(jí)樣品OE、EC值進(jìn)行了校正。

2 研究結(jié)果

2.1 不同粒徑顆粒物的質(zhì)量濃度

對(duì)不同天氣狀態(tài)下的PM10、PM2.5和PM1這三種顆粒物 的質(zhì)量濃度進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，霧霾天氣下各中粒徑的顆粒物日均質(zhì)量濃度最高，最大值分別能夠達(dá)到691.8 mg* m-3、522.2 mg* m-3、190.4 mg* m-3，平均質(zhì)量濃度分別為369.4±223.9 mg* m-3、299.6±175.8 mg* m-3、128±49.2 mg* m-3[3]。在環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，日均二級(jí)濃度限值則分別為150 mg* m-3和 75 mg* m-3，所以霧霾天的PM10和PM2.5日均濃度均超過了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[4]。而多云天、雪天和晴天的PM10、PM2.5、PM1日均濃度如表1所示，晴天濃度相對(duì)較低。但無論是哪種天氣下，PM2.5/PM10的比值都大于74%，所以PM10的主要組成部分應(yīng)為細(xì)粒子。同時(shí)，霧霾天PM1.0/PM2.5的比例為47%，雖然相較于其他天氣較低，但是PM2.5/PM10的比值不低，因此，1.0～25 mm仍然是導(dǎo)致霧霾天顆粒物污染的主要粒徑段[5]。

2.2 北京冬季霧霾顆粒物粒徑分布

將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖分析可以發(fā)現(xiàn)，大氣顆粒物質(zhì)量濃度譜呈現(xiàn)出三模態(tài)分布趨勢(shì)（如圖1）。在圖1中，質(zhì)量濃度高峰值處在0.31 mm的位置，低峰值分別處在0.76 mm和5.13 mm的位置。而隨著霧霾的發(fā)生和加強(qiáng)，整個(gè)圖譜呈現(xiàn)細(xì)模態(tài)和單模態(tài)的分布特征。在污染持續(xù)的狀況下，顆粒物的質(zhì)量濃度并沒有發(fā)生較大變化，但是峰值粒徑卻開始向右移動(dòng)。到了12日，顆粒物質(zhì)量濃度快速增加。在霧霾最嚴(yán)重時(shí)，峰值粒徑到達(dá)了1.22 mm的位置[6]。而自13日以后，霧霾漸漸消退，顆粒物粒徑也隨之向左移動(dòng)。17日之后，空氣質(zhì)量恢復(fù)到二級(jí)水平時(shí)，峰值粒徑則移動(dòng)到了0.48～0.76 mm的范圍內(nèi)。

2.3 北京冬季霧霾顆粒物化學(xué)組分分布及來源

2.3.1 水溶性離子的分布及來源

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)可以得知，不同污染程度下，水溶性離子的粒徑分布并不相同。在這些離子中，最主要的水溶性離子為SO42-、NO3-、NH4+、C1-和Ca2+。在空氣質(zhì)量分別為二級(jí)良和六級(jí)嚴(yán)重污染時(shí)，SO42-在PM10中的離子濃度含量分別為20.1%和40.2%，是含量最高的離子成分。而隨著顆粒物污染的加重，其他離子含量也將隨之增加。其中，SO42-的粒徑分布呈現(xiàn)出細(xì)模態(tài)分布特征，主要分布在細(xì)粒子中。在空氣質(zhì)量出現(xiàn)輕度污染時(shí)，該離子的濃度峰值將出現(xiàn)在0.76 mm的位置上。而NO3-的粒徑分布同樣呈現(xiàn)出細(xì)模態(tài)分布特征，出現(xiàn)三級(jí)以上空氣污染時(shí)，離子濃度峰值同樣右移至0.76 mm處[7]。在不同污染程序下，PM10中的NO3-與SO42-的比值并不相同。具體來講，就是隨著污染程度的逐漸加深，二者的比值越低。而分析離子的來源可以發(fā)現(xiàn)，大氣中排放的硝酸鹽較少，而鹽酸氨與硫酸銨這兩種標(biāo)志性的大氣污染產(chǎn)物主要來自于氣態(tài)前體物的氣粒轉(zhuǎn)化。具體來講，就是采暖燃煤會(huì)進(jìn)行SO2排放，機(jī)動(dòng)汽車運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)進(jìn)行NO2的排放。在高濕、穩(wěn)定的天氣狀態(tài)下，這些氣體會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化和累積成高濃度的SO42-和NO3-污染。如果NO3-與SO42-的比值大于1，則說明機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)大氣污染的貢獻(xiàn)更多。此外，北京地區(qū)的鈣離子和鎂離子等物質(zhì)主要來自于土壤和揚(yáng)塵，但是這些排放源對(duì)冬季污染貢獻(xiàn)較小。

2.3.2 含碳組分的分布及來源

通過分析發(fā)現(xiàn)，顆粒物樣品中的OC、EC主要富集于細(xì)粒子。在粒徑分布上，二者都呈現(xiàn)出單峰結(jié)構(gòu)粒徑分布特征，而OC峰值在0.76～1.22 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)，EC峰值在0.48～0.76 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)。相較于OC峰值，EC峰值的粒徑較小。在不同污染程序下，二者的粒徑分布與可吸入顆粒物的質(zhì)量濃度譜分布相似，并且擁有大致相同的變化趨勢(shì)。在霧霾發(fā)生時(shí)，OC峰值與霧霾發(fā)生時(shí)的顆粒物質(zhì)量濃度峰值變化一致，所以O(shè)C應(yīng)該是霧霾的主要污染成分之一。在六級(jí)嚴(yán)重污染狀態(tài)下，OC濃度也呈現(xiàn)出快速增長趨勢(shì)，所以，其粒徑分布在一定程度上影響了顆粒物的粒徑分布。但需要注意的是，在四級(jí)中度污染發(fā)生后，伴隨著PM10濃度的降低，OC的濃度也逐漸降低，而EC濃度卻有所提升。所以，在霧霾爆發(fā)一段時(shí)間后，主導(dǎo)污染源有可能已經(jīng)發(fā)生了變化。而通過研究發(fā)現(xiàn)，OC與EC主要來自于燃煤和機(jī)動(dòng)車。但是，EC具有較強(qiáng)穩(wěn)定性，所以主要來自于一次排放。而OC可以由二次化學(xué)反應(yīng)生成，所以除了來自于一次排放，還應(yīng)有其他的來源[8]。因此，如果OC/EC的結(jié)果小于1，說明二次有機(jī)物的本地生成能力較弱，而燃煤和機(jī)動(dòng)車尾氣的一次排放則為霧霾發(fā)生做出了主要貢獻(xiàn)。

3 結(jié)論

總而言之，分析北京市冬季霧霾顆粒物及其化學(xué)組分的粒徑分布特征，可以對(duì)北京及周邊地區(qū)的霧霾污染化學(xué)特征有著更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，從而了解顆粒物污染物的來源和其不同化學(xué)組分對(duì)霧霾的貢獻(xiàn)率。而通過該文的研究發(fā)現(xiàn)，燃煤和機(jī)動(dòng)車尾氣排放導(dǎo)致了SO42-、NO3-、OC和EC濃度的增加，為北京冬季霧霾產(chǎn)生做出了主要貢獻(xiàn)。因此，相關(guān)部門還要采取相應(yīng)的治理措施，以便對(duì)北京的霧霾問題進(jìn)行有效治理。

參考文獻(xiàn)

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