北京灰霾天氣大氣顆粒物SEM觀察與分析

王知方 張?chǎng)?/p>

摘要：為研究灰霾天氣中不同粒徑顆粒物的形貌特征，以及區(qū)域點(diǎn)污染物的來(lái)源情況，采集了北京地區(qū)冬季重污染天中的某一日不同粒徑顆粒物（PM2.5、PM10以及TSP（總懸浮顆粒物）），運(yùn)用掃描電子顯微鏡分析技術(shù)（SEM）觀察和分析了顆粒物形貌特征。結(jié)果表明：大氣污染顆粒物具有不規(guī)則的形狀，顆粒大小分布不均勻。對(duì)比不同粒徑顆粒物SEM表明，PM2.5和PM10顆粒物在石英纖維膜上的吸附量較多，而TSP量相對(duì)較少，而且以小顆粒物為主，說(shuō)明該區(qū)域受PM2.5和PM10顆粒污染物影響較大，結(jié)合顆粒分析和樣品冬季采暖季采集時(shí)間及周圍環(huán)境狀況得出結(jié)論：該區(qū)域主要受汽車尾氣和冬季采暖的影響比較大。

關(guān)鍵詞：PM2.5；PM10；TSP；形貌特征；掃描電鏡

中圖分類號(hào)：X513

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）16003204

1引言

大氣顆粒物特別是可吸入顆粒物是影響城市空氣質(zhì)量和人們健康的主要污染物之一，它們不僅含有有毒有害物質(zhì)，而且是其它污染物的載體，對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境造成較大的危害和影響[1]。隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展和機(jī)動(dòng)車保有量急劇增加，一些發(fā)達(dá)地區(qū)PM2.5污染加劇，VOCs和NOx排放量顯著增長(zhǎng)，特別是以京津冀、珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲等區(qū)域?yàn)榇淼牡貐^(qū)[2]。近年來(lái)處于TSP （總懸浮顆粒物）和PM10污染尚未全面解決，PM2.5污染又日益加重的狀況，導(dǎo)致能見(jiàn)度降低，持續(xù)的灰霾現(xiàn)象頻繁發(fā)生[3]。灰霾會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的空氣污染，已成為一種新型災(zāi)害性天氣。更嚴(yán)重的是灰霾發(fā)生時(shí)，空氣中的細(xì)顆粒物濃度急劇增加，極易形成二次氣溶膠，它們含有大量有毒有害化學(xué)成分，對(duì)人類健康造成極大威脅[4]。筆者采集了北京冬季重污染天氣中某一日不同粒徑顆粒物，通過(guò)SEM對(duì)顆粒物的形貌進(jìn)行研究和分析。

2材料與方法

2.1樣品采集

使用武漢天虹公司TH-150D2X型智能中流量采集器，于2017年1月1日北京地區(qū)重污染天氣時(shí)段，采集了北京某地24 h的顆粒物樣品，采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況基本上以居民區(qū)為主，周圍沒(méi)有工廠和建筑等施工作業(yè)。

實(shí)驗(yàn)采集樣品的采樣濾膜均為石英纖維素濾膜，樣品采集前，將濾膜放置于馬弗爐中450 ℃焙燒4 h以上， 用溶劑清洗過(guò)的鋁箔紙密封后使用。采樣前后將濾膜放在恒溫恒濕箱（溫度為25℃，濕度為40%）中平衡。采集后的樣品放置于- 20℃冰柜中冷藏保存。

現(xiàn)場(chǎng)采樣前需要對(duì)采樣器流量校正，依次安裝好濾膜，連接到采樣器上，調(diào)節(jié)采樣流量，開(kāi)始采樣。空氣流速設(shè)置為100 L/min，連續(xù)采集24 h。各采樣點(diǎn)均利用經(jīng)過(guò)預(yù)處理的石英濾膜采集樣品。實(shí)驗(yàn)所用采樣濾膜均為具有耐壓度和耐熱性高的石英纖維素濾膜，包括PM10濾膜，PM2.5濾膜和TSP濾膜。

2.2樣品的選取

運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)所采集的PM10、PM2.5和TSP顆粒物樣品的形貌特征進(jìn)行分析。

2.3樣品的制備

用不銹鋼剪刀從PM10、PM2.5和TSP樣品濾膜上輕輕的剪取一小部分，按順序用導(dǎo)電碳膠將剪取的濾膜樣品固定于樣品臺(tái)上，壓平，按順序同樣用導(dǎo)電碳膠固定于樣品臺(tái)上，壓平，并記下這些樣品的固定順序，并用離子濺射儀在樣品表面鍍厚度約30埃的鉑，使樣品的導(dǎo)電性符合電鏡觀測(cè)要求。

2.4儀器參數(shù)及工作條件

日本日立/S4800-6301 掃描電鏡掃描電鏡，掃描電鏡最大分辨率1.5 nm；放大倍率：1000 X；測(cè)定條件為：工作電壓20 kV；加速電流15 mA；工作距離15 mm。

3結(jié)果與討論

3.1PM2.5的形貌特征

圖1為所采集的PM2.5顆粒不同放大倍數(shù)（1000～10000倍）的掃描電鏡圖。由圖可見(jiàn)纖維狀物及其附著PM2.5顆粒物情況，纖維狀物為石英纖維濾膜。從不同放大倍數(shù)的PM2.5圖可以看出，PM2.5顆粒物并不是均勻地附著在濾膜表面，而是松散地附著在濾膜表面，濾膜空隙清晰可見(jiàn)，仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)PM2.5顆粒物形狀各樣、粒徑不一、表面粗糙，其形狀有球狀、不規(guī)則狀和鏈狀，但大多數(shù)以球狀顆粒物居多且表面不光滑。PM2.5粒徑較小，成分較為復(fù)雜，通常是一些無(wú)機(jī)銨鹽、多環(huán)烴類及不完全燃燒有機(jī)物聚集體，PM2.5顆粒物在北方城市冬季通常受汽車尾氣和冬季采暖影響較大[5]。

圖中a ×1000；b ×3000；c ×5000；d ×10000圖1PM2.5顆粒不同放大倍數(shù)的掃描電鏡

3.2PM10的形貌特征

圖2為所收集的PM10顆粒表面不同放大倍數(shù)（1000～10000倍）的掃描電鏡圖。由圖可見(jiàn)濾膜表面附著PM10顆粒物情況，從不同放大倍數(shù)的掃描電鏡圖可以看出，PM10顆粒物并不是均勻的附著在濾膜表面，而是松散附著在濾膜表面，濾膜空隙清晰可見(jiàn)，PM10顆粒形狀非常不規(guī)則，有顆粒狀、球形狀、片狀、棒狀，多數(shù)聚集在一起，形狀大多數(shù)以不規(guī)則顆粒物居多且表面不光滑，粒徑大小不一，以小顆粒為主。PM10顆粒物是各種源塵的混合體，PM10顆粒物的污染物主要包含一些多環(huán)芳烴類以及有機(jī)物不完全燃燒的產(chǎn)物，在北方城市冬季多源于汽車尾氣的排放和冬季采暖[5]。

3.3TSP的形貌特征

圖3為所收集的TSP顆粒表面不同放大倍數(shù)（1000～10000倍）的掃描電鏡圖，從圖中可以看出，TSP顆粒物微觀形貌特為：大多為形狀不定、表面較粗糙，有的呈球形且表面不光滑、有的呈不規(guī)則形狀表面凹凸不平、有的呈方形、有的呈長(zhǎng)條、有的呈橢球形且表面較粗糙。粒徑大小不一，也是以小顆粒為主。TSP顆粒物大多是由風(fēng)沙、揚(yáng)塵、燃煤飛灰和木灰等引起[6]，從圖中看出TSP顆粒物在石英纖維膜上沉積顆粒密度較小，可能與周圍以居民區(qū)為主，不存在風(fēng)沙、揚(yáng)塵和燃煤飛灰等污染源有關(guān)。endprint

3.4PM2.5，PM10，TSP顆粒物比較分析

圖4為所收集PM2.5，PM10和TSP大氣顆粒物放大5000倍的SEM圖。從以下3個(gè)圖可以看出石英纖維呈管狀交織在一起形成膜，纖維直徑在0.1～2 μm之間。比較放大5000倍的三種PM2.5，PM10和TSP顆粒的SEM圖像可知，石英纖維上不同種類顆粒物沉積密集度是不同的。PM2.5（圖4a）的SEM圖形顯示，PM2.5顆粒物在石英纖維膜上沉積密度較大，PM2.5顆粒物由大小不一，由形狀不規(guī)則的固體顆粒物組成，偶見(jiàn)片狀碎片。PM10（圖4b）的SEM圖形顯示，PM10顆粒物在石英纖維膜上沉積密度最大，大量形狀各異的顆粒物團(tuán)簇，說(shuō)明PM10大氣顆粒物富集程度高。TSP（圖4c）顆粒物的SEM圖形顯示顆粒物沉積密度較小，而且以小顆粒為主附著在石英纖維膜上。通過(guò)以上分析得出，在該區(qū)域大氣顆粒物以PM10和PM2.5顆粒物為主，該區(qū)域受PM2.5和PM10顆粒污染物影響較大。大氣顆粒物采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況基本上以居民區(qū)為主，且周圍沒(méi)有工廠和施工作業(yè)，另外，從采集的時(shí)間上看，正處冬季采暖季，結(jié)合顆粒分析和周圍環(huán)境狀況得出，該區(qū)域主要受汽車尾氣和冬季采暖的影響比較大[5]。

4結(jié)論

PM2.5、PM10和TSP等顆粒物表面的掃描電鏡分析表明，石英纖維呈管狀交織在一起形成膜，顆粒物以不同形狀松散地附著在石英膜表面。對(duì)PM2.5，PM10和TSP等顆粒物對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PM2.5和PM10顆粒物在石英纖維膜上的吸附量較多，而TSP顆粒物吸附量小，而且以小顆粒為主，說(shuō)明該區(qū)域受PM2.5和PM10顆粒污染物影響較大。大氣顆粒物采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況基本上以居民區(qū)為主，且周圍并沒(méi)有工廠和施工作業(yè)，另外，從采集的時(shí)間上看，正處冬季采暖季，結(jié)合顆粒分析和周圍環(huán)境狀況得出，該區(qū)域主要受汽車尾氣和冬季采暖的影響比較大。通過(guò)SEM觀察PM2.5，PM10和TSP不同粒徑的顆粒物形貌及特征，下一步可以結(jié)合元素分析技術(shù)進(jìn)一步分析顆粒物的成分，準(zhǔn)確找出該區(qū)域氣體顆粒物的污染來(lái)源，為制定相應(yīng)的污染防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

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