基于單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術(shù)的南寧市細(xì)顆粒物污染初探

唐利利，陳家寶，郭昆興，侯紅霞，龐曉明

(1.南寧市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，廣西 南寧 530012；2.廣州禾信分析儀器有限公司，廣東 廣州 510000)

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基于單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術(shù)的南寧市細(xì)顆粒物污染初探

唐利利1，陳家寶1，郭昆興1，侯紅霞2，龐曉明1

(1.南寧市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，廣西 南寧 530012；2.廣州禾信分析儀器有限公司，廣東 廣州 510000)

單顆粒；化學(xué)組成；混合狀態(tài)；單顆粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜

1　引言

PM2.5也稱(chēng)細(xì)顆粒物，是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2.5μm的大氣顆粒物。與粗顆粒物(空氣動(dòng)力學(xué)直徑2.5～10μm)相比，PM2.5直徑更小、比表面積大，易于富集空氣中的有毒重金屬、酸性氧化物、有機(jī)污染物、細(xì)菌和病毒，并可進(jìn)入人的肺部和心血管等組織，對(duì)人體健康的危害遠(yuǎn)比粗顆粒物大。大氣PM2.5是由直接排入空氣中的一次微粒和空氣中的氣態(tài)污染物通過(guò)一系列復(fù)雜的光化學(xué)轉(zhuǎn)化生成的二次微粒組成，其來(lái)源主要可分為自然源、人為源和二次粒子。由于PM2.5對(duì)人體健康的危害性及其復(fù)雜的來(lái)源，同時(shí)對(duì)大氣能見(jiàn)度、氣候條件有不利影響，因此對(duì)空氣中PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)并對(duì)其來(lái)源進(jìn)行解析顯得尤為重要。單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術(shù)可以在線(xiàn)采用分析單個(gè)氣溶膠粒子的粒徑及其化學(xué)成分，具有時(shí)間分辨率高、信息量大、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。研究利用單顆粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜(SPAMS)測(cè)量南寧市冬季中單顆粒細(xì)顆粒物的粒徑分布和化學(xué)組成，從單個(gè)顆粒物的角度解釋南寧市細(xì)顆粒物污染特征及來(lái)源構(gòu)成。

2　試驗(yàn)

2.1儀器

單顆粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(廣州禾信分析儀器有限公司)與國(guó)際上流行的氣溶膠質(zhì)譜儀原理一致：采用個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)透鏡聚焦進(jìn)樣，通過(guò)雙激光測(cè)徑系統(tǒng)以及雙極飛行時(shí)間質(zhì)量分析器可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠顆粒空氣動(dòng)力學(xué)直徑和化學(xué)組成的同時(shí)檢測(cè)。

2.2樣品采集

采樣時(shí)間為2014年1月7日～2014年1月13日。采樣點(diǎn)設(shè)置在南寧市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站實(shí)驗(yàn)大樓頂層，地處市中心?？苫敬砟蠈幨袃?nèi)商業(yè)、居住和交通稠密的混合監(jiān)測(cè)區(qū)域，采樣點(diǎn)距地面約高16m，大氣氣溶膠通過(guò)直徑約為1cm的銅管運(yùn)輸?shù)絾晤w粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(SPAMS)。

2.3數(shù)據(jù)處理

采集數(shù)據(jù)使用YAADA(version2.1版本，運(yùn)行在matlab平臺(tái)上，專(zhuān)門(mén)用來(lái)分析單顆粒質(zhì)譜數(shù)據(jù)的軟件包進(jìn)行分析。

3　結(jié)果與討論

采樣過(guò)程中SPAMS共檢測(cè)到2508053個(gè)粒徑在0.25～1.2 μm的顆粒物，其中含有譜圖信息的顆粒物共有1463751個(gè)，總打擊率為58.3%。

3.1粒徑分布

由圖1可知，南寧市區(qū)細(xì)顆粒物粒徑范圍主要集中在0.25～1.2 μm，峰值在0.65 μm左右。

圖1　顆粒物粒徑分布

3.2顆粒物成分分析

圖2　顆粒物平均質(zhì)

離子成分Na+Mg+K+NH+4Fe+Pb+Cd+V+Mn+Li+Al+監(jiān)測(cè)站47.961.4099.6580.3316.701.500.020.251.142.814.82廣州55.886.0194.8138.418.137.400.262.633.287.403.32離子成分Ca+Cu+Zn+Cr+CN-PO-3NO-2NO-3Cl-SulfateSiO-3監(jiān)測(cè)站0.900.270.040.0755.5417.7089.1595.3621.0993.425.91廣州5.698.130.943.9251.4810.8353.9247.9310.1882.802.55

2.3顆粒物分類(lèi)

利用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)方法(Art-2a)對(duì)整體顆粒物進(jìn)行了分類(lèi)，分類(lèi)過(guò)程中使用的分類(lèi)參數(shù)為：相似度0.65，學(xué)習(xí)效率0.05。分類(lèi)后，再經(jīng)過(guò)人工合并，最終確定了10類(lèi)顆粒物，分別為：有機(jī)碳、元素碳、有機(jī)碳元素碳、芳香烴、礦物質(zhì)、富鉀顆粒、鈉鉀顆粒、高分子有機(jī)物、重金屬和有機(jī)胺。10種顆粒物在總被擊中有譜圖數(shù)的粒子比例分別為14.39、29.09%、12.19%、9.8%、4.93%、23.81%、2.8%、2.05%、9.8%、0.29%、0.65%。有機(jī)碳、元素碳、有機(jī)元素碳及礦物質(zhì)粒子所占比例較高，而重金屬和有機(jī)胺粒子所占的比例則較低。

圖3為不同分類(lèi)顆粒物成分的平均譜圖，在不同顆粒物的正譜圖中，有機(jī)碳的正譜圖中主要含有有機(jī)物的碎片峰；元素碳含有一系列碳簇離子，而且C3-/C4-/C5-有較高的信號(hào)強(qiáng)度；有機(jī)碳元素碳是由有機(jī)物的碎片峰和碳簇離子混合而成；富鉀顆粒物中正譜圖中只有K+的信號(hào)明顯；芳香烴顆粒物中有一系列苯環(huán)的碎片峰；高分子有機(jī)物中m/z在115以上有一些列碳?xì)浠衔锏乃槠澹醪脚袛嗍且恍┒喹h(huán)芳烴類(lèi)物質(zhì)；有機(jī)胺中有含氮的有機(jī)物碎片峰；礦物質(zhì)中含有Ca+、Fe+、SiO3-的離子峰；重金屬中Cu+和Pb+的信號(hào)明顯；鈉鉀顆粒中正譜圖Na+、K+的信號(hào)明顯，負(fù)譜圖中硫酸鹽和硝酸鹽的信號(hào)明顯。而經(jīng)過(guò)分類(lèi)的10類(lèi)顆粒物負(fù)譜圖中都出現(xiàn)了SO3- 、HSO4-、NO2-、NO3-等二次粒子的質(zhì)譜峰，說(shuō)明測(cè)得的顆粒絕大部分經(jīng)歷了不同的二次反應(yīng)過(guò)程或與二次組分進(jìn)行了不同程度的混合(圖4)。

圖3　南寧市監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位不同分類(lèi)顆粒物成分的平均譜

圖4　不同顆粒物成分的平均譜

4　結(jié)論

(1)在連續(xù)7 d的采樣中，南寧市監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位采集到有譜圖信息的顆粒物共有1463751個(gè)，粒徑范圍主要集中在0.25～1.2 μm之間。

(2)單顆粒氣溶膠飛行質(zhì)譜(SPAMS)的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，南寧市冬季期間主要有機(jī)碳、元素碳、有機(jī)碳元素碳、芳香烴、礦物質(zhì)、富鉀顆粒、鈉鉀顆粒、高分子有機(jī)物、重金屬和有機(jī)胺10種粒子，有機(jī)碳、元素碳、有機(jī)元素碳及礦物質(zhì)粒子所占比例較高，而重金屬和有機(jī)胺粒子所占的比例則較低,表明南寧市區(qū)大氣幾乎不受重金屬的影響。這10種顆粒中均含有硫酸根、硝酸根等二次組分，說(shuō)明這些顆粒均經(jīng)歷了不同的二次過(guò)程或與二次組分進(jìn)行了不同程度的混合過(guò)程。

[1]牟瑩瑩,樓晟榮，陳長(zhǎng)虹，等.利用SPAM研究上海秋季氣溶膠污染過(guò)程中顆粒物的老化與混合狀態(tài)[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34(6)：2071～2080.

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Preliminary Study on Ambient Particles Pollution in Nanning Based on the Single Particle Aerosol Mass Spectrometer(SPAMS)

Tang Lili1,Chen Jiabao1,Guo KunXing1,Hou HongXia2,Pang Xiaoming1

(1.GuangxiProvincialNanningEnvironmentalMonitoringStation，Nanning,Guangxi530012,China;2.GuangzhouHexinAnalyticalInstrumentCo.Ltd.,Guangzhou,Guangdong510000,China)

single particle; chemical component; mixing state; SPAMS

2016-05-24

唐利利(1985—)，女，壯族，工程師，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

X51

A

1674-9944(2016)16-0047-04