單顆粒氣溶膠質譜儀在蘇州市污染過程分析中的應用

吳也正

(江蘇省蘇州市環境監測中心，江蘇 蘇州 215000)

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單顆粒氣溶膠質譜儀在蘇州市污染過程分析中的應用

吳也正

(江蘇省蘇州市環境監測中心，江蘇 蘇州 215000)

摘要：利用單顆粒氣溶膠質譜儀，分析了蘇州市環境空氣中的整體細顆粒物的化學組分。通過對2015年夏季蘇州市出現的兩次污染過程的在線顆粒物化學組分和來源分析，初步探討了兩次污染過程主要來源和成因。研究表明：第一次污染過程是由于揚塵、機動車尾氣和燃煤源聯合作用導致的，而燃煤源是第二次污染過程中污染物的主要來源。

關鍵詞：細顆粒物；單顆粒氣溶膠質譜儀；源解析；蘇州市

1引言

隨著工業化和城鎮化的快速推進，環境質量已成為社會各界關注的重要指標。氣溶膠對人類健康和環境質量有著直接和重要的影響，其粒徑分布和化學組分與污染物的生成過程與污染物的來源密切相關[1，2]。為了彌補傳統細顆粒物監測方法在監測及時率和分辨率方面的不足，在線氣溶膠質譜監測技術逐漸在國際上得到較廣泛的應用[3～5]。

本研究應用在線單顆粒氣溶膠質譜儀(SPAMS)對2015年蘇州市夏季出現的兩次污染過程開展了細顆粒物的在線化學組分及來源解析，初步分析探討了細顆粒物的主要來源，為相關管理部門的防污治污工作的推進提供科學參考。

2研究方法

2．1采樣基本信息

監測點為蘇州市環境監測中心，該點位位于蘇州市姑蘇區三香路，地處蘇州市核心區域，為商業、交通、居住混合區。本次監測時間段為2015年7月23日至2015年9月6日。監測儀器為單顆粒氣溶膠質譜儀(SPAMS0515)。

2．2實驗儀器工作原理簡介

在線單顆粒氣溶膠質譜儀(SPAMS)由進樣系統、測徑系統、電離系統和質譜分析系統組成，其基本原理為：采用空氣動力學透鏡作為顆粒物接口，通過雙光束測徑原理進行單顆粒氣溶膠粒徑測量及計數，利用飛行時間質譜原理進行正負化學成分的同時檢測，從而實現了單顆粒氣溶膠化學成分和顆粒物粒徑同步檢測。

2．3環境空氣質量情況

2015年7月23日至2015年9月6日環境空氣污染物日均濃度值見圖1。監測期間PM2.5質量濃度整體不高，但變化幅度較大，最低為3 μg/m3，而最高達138 μg/m3。

3結果與分析

3．1顆粒物信息

本次監測共采集到具有粒徑信息的顆粒物9 037 806個，其中有正負質譜圖的顆粒1 712 594個。由圖2可看出，SPAMS所測得顆粒物數濃度隨時間變化趨勢與PM2.5質量濃度隨時間變化趨勢一致，顆粒物數濃度在一定程度上可以反映大氣污染狀況。

3．2整體顆粒物成分分析

顆粒物的分類過程分兩個步驟：自動分類和人工合并。自動分類通過神經網絡算法(ART-2a)實現。通過人工合并步驟，進一步合并為8種顆粒類型：元素碳、

圖1監測期間環境空氣污染物日均濃度值

混合碳、有機碳、高分子有機碳、富鉀顆粒、左旋葡聚糖顆粒、礦物質、重金屬。各類型所占比例如圖4所示，最主要成分為元素碳顆粒，比例為51.5%；其次為富鉀顆粒，占比為19.6%；重金屬顆粒和有機碳顆粒比例相當，分別為7.6%和7.4%，左旋葡聚糖顆粒和礦物質顆粒占比相差不大，分別為5.3%和5.5%；混合碳和高分子有機碳的比例較小，共占整體顆粒物的3.1%。

3．3污染過程分析

監測期間出現了兩次典型的污染過程：第1次出現在7月25日至7月30日(PM2.5小時最高值為98 μg/m3，小時平均值為38 μg/m3，顆粒物濃度峰值達到輕度污染水平)；第2次出現在8月24日至9月1日(PM2.5小時最高值為132 μg/m3，小時平均值為67 μg/m3，顆粒物濃度峰值達到中度污染水平)。下面分別對這兩次污染過程的細顆粒物的化學組分和細顆粒物的來源進行比對分析。

3.3.1細顆粒物化學成分對比分析

(1)第1次污染過程分析。如圖5，在整個污染過程中有機碳的占比均大于元素碳，且有機碳在PM2.5質量濃度高峰時段均小于低谷時段；硝酸鹽的占比在PM2.5質量濃度高峰時段均大于低谷時段；硫酸鹽則呈現相反的趨勢。

圖5不同空氣質量下細顆粒物化學成分解析(第1次污染過程)

(2)第2次污染過程分析。如圖6，在整個污染過程中有機碳的占比均大于元素碳，且元素碳、有機碳在PM2.5質量濃度攀升的過程中占比不斷降低；硫酸鹽在污染持續嚴重的過程中占比不斷上升，說明隨著污染加劇，二次反應加劇，從而造成二次無機成分增加。

3.3.2細顆粒物來源對比分析

根據廣州禾信分析儀器有限公司組建的大氣顆粒物污染源譜庫[5]對細顆粒物進行來源解析后得到了兩次污染過程的污染物來源分布。

圖6不同空氣質量下細顆粒物化學成分解析(第2次污染過程)

(1)第1次污染過程分析。如圖7，揚塵、機動車尾氣和燃煤源在PM2.5質量濃度高峰時的比例均大于低谷；這說明第一次污染過程是由于揚塵、機動車尾氣和燃煤共同作用導致的；生物質燃燒在PM2.5質量濃度高峰時的比例小于低谷；工業工藝源大體上呈現PM2.5質量濃度高峰時的比例均大于低谷。

圖7不同空氣質量下細顆粒物來源解析(第1次污染過程)

(2)第2次污染過程分析。如圖8，污染的加劇伴隨著燃煤源占比的增大，污染的消退又伴隨著燃煤源占比的降低，因此，本次污染過程的PM2.5濃度上升過程受到了燃煤源的影響；機動車尾氣對PM2.5的貢獻值變化較大；除時段1外，揚塵源的變化趨勢與PM2.5的變化趨勢一致；機動車尾氣呈現相反的趨勢；工業工藝源的貢獻變化不是很大。

圖8不同空氣質量下細顆粒物來源解析(第2次污染過程)

4結語

(1)監測期間蘇州市整體顆粒物中有明顯的元素碳、有機碳(有機碎片)、礦物質離子、水溶性陽離子及陰離子、左旋葡聚糖碎片和較弱的金屬離子等成分；分類合并后的顆粒物主要成分為元素碳顆粒(占比為51.5%)，其次為富鉀顆粒(占比為19.6%)，重金屬顆粒和有機碳顆粒比例相當(占比分別為7.6%和7.4%)，左旋葡聚糖顆粒和礦物質顆粒占比相差不大(占比分別為5.3%和5.5%)。

(2)在第1次污染過程中有機碳的比例均大于元素碳，且有機碳和硝酸鹽在PM2.5質量濃度處于高峰時均大于低谷；硫酸鹽則呈現相反的趨勢；第2次污染過程中，元素碳、有機碳在PM2.5質量濃度攀升的過程中占比不斷降低；硫酸鹽的比例隨著污染加劇不斷攀升。

(3)第1次污染過程中，揚塵、機動車尾氣和燃煤源在PM2.5質量濃度高峰時的比例均大于低谷；這說明第1次污染過程是由于揚塵、機動車尾氣和燃煤源共同作用導致的；第2次污染過程中機動車尾氣的比例較為穩定，燃煤源是第2次污染過程中污染物的主要來源。

參考文獻：

[1]林俊，劉衛，李燕，等.大氣氣溶膠粒徑分布特征與氣象條件的相關性分析[J].氣象與環境學報，2009，25(1):1～5.

[2]湯莉莉，張運江，孫業樂，等.南京持續霧霾天氣中亞微米細顆粒物化學組分及光學性質[J].科學通報， 2014，59(20):1955～1996.

[3]Davis W D.Surface ionization mass spectroscopy of airborneparticulates[J].Journal of Vacuum Science and Technology，1973，10(1):278．

[4]李梅，李磊，黃正旭，等．運用單顆粒氣溶膠質譜技術初步研究廣州大氣礦塵污染[J]．環境科學研究，2011，24(6):632～636．

[5]杜鵑，宋韶華，張志朋，等．桂林市細顆粒物典型排放源單顆粒質譜特征研究[J]．環境科學學報，2015，35(5):1556～1562．

Application of Single Particle Aerosol Mass Spectrometryin the Analysis ofAtmospheric Pollution Processesin Suzhou

Wu Yezheng

(SuzhouEnvironmentalMonitoringCenterofJiangsuProvince，Suzhou215000，China)

Abstract:By using single particle aerosol mass spectrometry，the article analyzes the chemical opponent of the entirefine particles in the ambient environment of Suzhou.Through the online chemical opponent analysis and source identification of fine particles collected during the two atmospheric pollution processes occurred in the summer of 2015，the articlediscussesthe pollution sources and major causes.The study indicates that thecombined effects of dust particles，motor vehicle exhaust and coal combustionresult in the first pollution process，while the coal combustion is the major cause of the second pollution process.

Key words:fine particles; single particle aerosol mass spectrometry; source apportionment; Suzhou City

文章編號：1674-9944(2016)02-0084-04

中圖分類號：X131

文獻標識碼：A

作者簡介：吳也正(1983—)，男，江蘇吳江人，碩士，工程師，主要從事環境監測工作。

基金項目：蘇州市科技支撐計劃項目(編號：SS201524)

收稿日期：2015-12-03