北京PM2.5，PM10和TSP气溶胶的特征和季节性变化外文翻译资料

 2022-12-07 16:25:29

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北京PM2.5，PM10和TSP气溶胶的特征和季节性变化

YE-LE SUN*, GUO-SHUN ZHUANG , AND DONG-QUN XU# 2

Center for Atmospheric Environmental Study, Department of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;

*Institute for Environmental Health and Related Products Safety, China CDC, Beijing, 100021, China; A Center for

Atmospheric Chemistry Study, Department of Environmental Science amp; Engineering, Fudan University,

Shanghai 200433, China; S The Institute of Atmospheric Physics, CAS, I-APC, Beijing 100029, China

目的：了解北京不同大小的气溶胶的季节性变化特征及其中的离子和元素来源。方法：2001年7月至2003年8月，同时采集PM10、PM2.5和总悬浮颗粒物（TSP）的样品。分别用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）和离子色谱法（IC）测定了其中23种元素和18种水溶性离子。结果：根据结果可将样品分为四种情况：春天非沙尘，春季沙尘，夏季沙尘和冬季沙尘。TSP，PM10和PM2.5在春季沙尘中含量最高，而在夏季沙尘中含量最低。PMgt;10，PM2.5-10和PM2.5与TSP的平均质量比值表明，春季沙尘中以粗、大的颗粒（PMgt;10）和细颗粒物（PM2.5）为主；夏季沙尘中，PMgt;10，PM2.5-10和PM2.5对TSP的组分贡献基本相似；而在冬季沙尘中则以PM2.5含量最高。根据元素和离子的季节变化特征，把它们分为四组：地壳，污染物，混合和二次产物。Al，Fe和Ca等地壳中高含量元素在沙尘季节含量较高；而一些污染物元素和离子如As，F和Cl-在冬季沙尘中含量最高；二次离子（SO42-,NO3-和NH4 ）则在冬季和夏季均有出现；Eu，Ni和Cu则表现为既可能来源于地壳物质也可能来源于污染。利用新的元素示踪技术分析表明，除夏季外，外源矿物气溶胶对北京气溶胶的贡献要比本地源气溶胶大得多。

关键字：PM10；PM2.5；TSP；季节性变化；来源

引言：快速发展的工业化和机动化加上人口密度高等问题，使得北京产生了严重的空气污染。大气气溶胶密切影响着人体健康尤其是微粒，因为它会沉积在呼吸道深处并且加重呼吸道疾病。最近的流行病学研究已经发现了关于微粒致发病率和死亡率中间的正相关联系，气溶胶能通过直接改变散射和吸收辐射或改变云的深度和反照率间接影响气候。受人为气溶胶区域霾的直接影响，中国的水稻和小麦的在产率上将减少5％-30％。雾霾渐渐开始受到全世界的关注，因为它可能会影响世界各地人类的健康并且对全球气候变化有潜在的影响。

自20世纪80年代以来，在北京已经进行过很多关于TSP和PM10（动态直径小于10pm的颗粒物）的短期研究。20世纪90年代开始，专家学者更多的注意就开始投入到PM2.5（动态直接小于2.5pm的颗粒物），对它们的组成成分、空间分布变化、粒径分布、无机酸和二元羧酸形成特点做相关的研究。

关于北京的气溶胶成分的研究已经进行过很多，然而，大多数经过报道的研究只是基于有限个数的样本，并有一个长期监测期，TSP，PM10和PM2.5气溶胶不同的粒径分布，很少对其进行综合研究。气溶胶是一种晶体物质、有机材料和二次产品，如硫酸和硝酸的复杂混合物。研究时有必要同时研究TSP，PM10和PM2.5的相同点，一样都是气溶胶只不过根据颗粒物的不同大小来进行级分，不同大小它们的组分、来源和季节性变化显示出极大的不同。北京位于亚洲风尘的下风口，此处大气污染物大多为矿物气溶胶和道路污染物的混合体，它们每时每刻都在侵入着北京。在远距离的迁移中，沙尘气溶胶与北京当地的气溶胶进一步混合，使得北京气溶胶成分更加复杂，因此，评估内外矿物气溶胶为北京总矿物气溶胶所提供的贡献将为大气治理规划提供必要的科学指南，用以控制北京的空气污染。在这项研究中，2001年7月至2003年8月期间，在北京我们进行了一项关于TSP，PM10和PM2.5的长期监测研究，该监测是通过观测23号元素和气溶胶18水溶性离子，并将北京的各种气溶胶的季节性变化计入监测内容里，我们还估算区域外的矿物气溶胶在北京的总矿物气溶胶的相对贡献。

材料与实验

采样

TSP，PM10和PM2.5的气溶胶样品是2001年7月至2003年8月间同时在北京收集的，采样点位于科学和北京师范大学（BNU）的12楼楼顶，这是第二和第三环线之间区域（可达40米高），所有的气溶胶样品都是由北京地质仪器-迪克尔有限公司制造的中等体积取样器（（型号：TSP/ PMIO/ PM2.5-2bull;，流速：77.59 UMIN）收集的，TSP，PM10和PM2.5都是用@滤纸过滤器41（Whauuml;nan公司，梅德斯通，英国）每天进行采样分析的。所有的过滤器在采样前后都要在恒定温度（20℃plusmn;5℃）和湿度（40％plusmn;2％）的稳定状态下用分析天平（赛多利斯2004MP，读取精度10 GG）称重。所有的程序都需要进行严格的质量控制，以避免样品受到任何可能的污染。研究中一共23种元素（Al, Fe, Mn, Mg, Ti,Sc, Na, Eu, Ce, Sr,Ca, Co, Cr, Ni, Cu, Pb, Zn, Cd, V, S, As, Se, 和 Sb）均通过电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES，型号：创世纪，乔宾 - Yvon的公司，法国）进行分析测定。11种无机离子（S042-，N03，F,Cr, NOi, P043-, NH4 , Na , Ca2 和 Mg2 ）和4种有机酸（乙酸，甲酸，草酸和甲磺酸（MSA））用由一个分离柱（戴安的IonPac AS我升）和保护柱构成的离子色谱柱（IC，戴安600戴安的IonPac AG伊尔）进行分析测定，再由一个自我再生抑制电导检测器（戴安的IonPac ED 50）和一个如先前所描述的梯度泵（戴安的IonPac GP50）检测获得。

结果与讨论

1不同季节气溶胶粒径分布

表1显示的春天无尘（Sp-ND），春季沙尘（Sp-D），夏季（Su）和不同大小的冬季（W）粉尘的12小时平均质量浓度。TSP，PM10和PM2.5在春尘中含量较高，它们的平均质量与在春季无尘（495.1，243.5，145.3 pg/m3），夏（290.7，179.8，107.2 ug/m3），冬季粉尘（434.6，263.2，181.6 pg/m3）相比浓度较高可以达到2167.4，430.0和402.2 pg/m。表2显示的是PM2.5，PM2.5-10,和PNgt;10至TSP的平均质量比。PM2.5，PM2.5-10和PMgt;10的平均质量比在TSP中占29％，20％和61％，表明在春天灰尘中， PM2.5和PMgt; IO经过长距离迁移然后构成TSP的主要组成部分。在夏季的灰尘，PM2.5，PM2.5-10和PMgt; IO的平均质量比在TSP占39％，29％和45％，而在冬季灰尘，它们占40％，19％，和47％，这几者在春天的灰尘中具有相似的贡献度。Zhang等和Sun等报道有着相同的发现，因为我们在他们以前的北京沙尘气溶胶研究中发现了相同的内容。因为PM2.5/ PM10的平均比值分别为60％，71％，所以很明显，PM2.5是PM10在各个季节的尘中均占很大比重，而在夏季，冬季和春季无尘中是71％，分别为如表2所示。不过，在夏季灰尘中所有粒径的平均浓度达到最低，如表1所示。这可能是由于一些二次离子的高度挥发性以及大量机动车分散出来的尾气所成的。

表1 PM2.5，PM10，TSP季节平均质量浓度（pg/m3）

表2不同粒径的平均质量比

2化学特性与季节变化

如表3中所示的，在TSP，PM10和PM2.5中的每一项的富集因子（EF），已经通过使用Al作为地壳源的基准计算得出并且依据泰勒等人的计算得知各元素的地壳丰富度。图1表示测量的元素和离子的平均季节变化，根据季节变化特点和各物质的EF，18种元素和6种测量离子可分为晶体，污染物，混合物，二次组分。

晶体组包含Fe, Mg, Al, Ca, Mn, Cr, Sr, Ti, sc, Co, Ce, 和 V,其中每个元素的平均富集因子小于10。在TSP中的Al, Fe, Ca, Mg和Ti在灰尘季节的最高含量可以达到739.48, 368.9, 771.43, 176.95, 和 41.06 gg/m3, 并且分别为春天无尘平均含量的37, 31, 24, 31和35倍（20.02，12.03，32.40，5.90，和1.18gg/米）。，而这些地壳元素的平均浓度在尘埃季节是8.0，7.9，5.4，5.7，以及8.9倍高于在非粉尘天的平均值，具体见（图1b）。在非沙尘天，在PM10和PM2.5中这些地壳元素在粉尘季节的平均浓度分别为2.08，1.80，1.16，1.93，1.94倍，是无尘季节的3.99，3.69，2.54，3.83甚至更高的3.93倍。在夏季灰尘中这些地壳元素达到最低浓度，如图1b所示。这可能是由于在夏季的气象条件下，降水变多使得空气中的颗粒物得到冲刷。污染组分包括了K , F, Cl-, S, Cd, As, Se, 和 Zn，其中，各个物类的富集因子可以达到数百甚至数千，如表3中所示。可以从图中很明显的看出在TSP，PM10和PM2.5之间的季节性变化中有两处不同。从图中可以看出，在TSP中这些污染组分在灰尘季节达到最高，而PM10和PM2.5在春季有尘和无尘时这些组分并没有很明显的区别，这可能是因为PMgt;10中的粗颗粒来自地壳源的缘故。

表3 不同季节TSP，PM10和PM2.5中富集元素

图1 不同季节TSP，PM10和PM2.5中所选元素和离子的平均浓度

在夏季，所有粒径中的这些组分都呈现出很低的浓度，这是因为高温排放源较少如煤的燃烧减少，机动车尾气排放得到较好的分散并且空气的冲刷使得颗粒物更易沉降。在冬季，PM10和PM2.5中的污染组分达到最高浓度，这可能是因为本地更多的排放源，比如冬季取暖排放，值得注意的是，这些污染元素中的富集因子在尘埃季节中显得较少但是却比其他季节都高，这或许因为额外的尘源和沙尘暴对污染物的清除作用造成的。

Eu，Ni和Cu被定义为混合元素，因为它们同时具备晶体和污染物2类物质的特征。它们的EF不到100，如表3所示，在 PM2.5中最高，在TSP中最低。TSP中这些元素的浓度在尘季有显著的上升，这表现出了地壳物质的特征，而在PM2.5略有增加这就说明它们是晶体和污染物种类的混合体。

S042-, N03-, 和NH4是次要种类，在TSP，PM<su

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