孔春霞,郭胜利,汤莉莉

(南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏南京 210044)

南京气溶胶水溶性离子粒径分布及其随高度的变化

孔春霞,郭胜利,汤莉莉

(南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏南京 210044)

2009年1月对南京市河西生活区距地面1.5、54和80 m 3处同步进行了大气颗粒物采样,并用离子色谱对样品进行了分析。结果显示,随着高度的增加,PM10和PM2.1的质量浓度逐渐降低,而总离子浓度随高度增加而增大。气溶胶中最主要的3种水溶性离子分别为,且3个高度的与浓度之比均大于1,表明该生活区移动排放源已经成为大气气溶胶离子的主要来源。3个高度处各离子粒径分布规律为:在0.43～1.1μm出现峰值;在4.7～5.8μm出现峰值;在0.43～1.1μm和4.7～5.8μm出现双峰。

气溶胶;水溶性离子;粒径分布

0 引言

大气气溶胶粒子的大小、状态、组成和运动方式的不同决定了气溶胶的污染特征以及对环境和人类健康的影响程度[1]。据2008年南京市空气质量日报报道[2],南京市首要污染物为可吸入颗粒物的天数达290 d,而水溶性离子是可吸入颗粒物的重要组成成分[3-4],大气中的一些有害物质能够与水溶性离子发生协同作用,对人体的危害也会有所增加。随着经济社会的快速发展,城市的高层建筑物日益增多,人们的活动空间早已不再局限于地面,而是已经拓展至离地面40～100 m[5]甚至更高空间。因此对可吸入颗粒物及其中的水溶性离子的研究显得日益迫切。

Qin等[6]对纽约4 a(2000—2003年)的研究表明,和为主要水溶性离子,浓度分别为5.3、2.5、2.3μg·m-3,三者占PM2.5的54%～67%。银燕等[7]对南京市区和北郊的研究表明:PM2.1中的离子日平均浓度依次为:,该6种水溶性离子质量浓度总和分别占市区和北郊PM2.1的46.99%、42.32%。樊曙先等[8]对银川市颗粒物研究表明,各粒径粒子的质量浓度随高度递减,PM10占TSP的比例却随高度增加。本文以南京市河西生活区一幢27层高层建筑为观测点,分析了南京市冬季气溶胶质量浓度和水溶性离子浓度随高度变化规律及其粒径分布特性。

1 样品的采集和分析

样品采集点设在南京市河西地区某生活小区内一幢27层的高层建筑上,分别在距地面高度1.5、54和80m布设3个采样监测点,采样点附近100m范围内无明显的污染点源,整个采样点能够较好地代表该生活区的大气状况。从2009年1月12—16日共计5d对3个不同高度监测点进行同步监测,每日连续采集12h,采样期间天气晴朗。

1.1 采样仪器和材料

采用FA-3型气溶胶粒度分布采样器,设置流速为28.3L/m in,粒子的50%切割等效空气学粒径(EAD)为9.0、5.8、4.7、3.3、2.1、1.1、0.65、0.43 μm。选用滤膜为80mm聚四氟乙烯微孔滤膜。采样前后于干燥器中干燥平衡48h再称重,用精度为0.1m g的电子天平(FA2004,上海上天精密仪器有限公司)准确称量。

1.2 分析方法

采样期间共采得5组样品,共得135张样品膜,收样后用铝箔包裹,利用重量法即可算出颗粒物的质量浓度。将样品膜剪成条状碎片,先用无水乙醇润湿,再加入20mL高纯去离子水使之完全淹没滤膜,超声提取30m in,提取液用0.22μm的一次性微孔滤膜过滤后于4℃保存至分析。对空白滤膜采用相同的方法进行处理,测定其离子的本底含量,并从实际样品分析结果中扣除。用ICS-2000离子色谱仪(美国D ionex公司)分析样品中阴离子F-、和阳离子N a+、K+、M g2+、Ca2+共9种水溶性无机离子的含量。离子色谱的标准曲线相关性都大于0.999,离子检出限最低为0.016～0.110m g·L-1,标准方差为1.2%～5.7%,加标回收率为96%～105%,符合环境监测实验室质量控制指标[9]要求。

2 结果与讨论

2.1 PM10和PM2.1随高度变化特征

通常把2.5μm作为粗细粒子的分界,由于FA-3型采样器没有2.5μm的切割粒径,因此本文把空气动力学当量等效直径2.1μm作为粗细粒子的分界。PM2.5细粒子可进入人体的支气管和肺泡,引发或加重呼吸系统及循环系统的疾病,其重要性日益引起人们的重视[10],表1给出了该建筑距离地面1.5、54和80m3个高度上PM10和PM2.1的平均质量浓度及PM2.1与PM10的质量浓度百分比。由表1可见,随着高度的增加,PM10和PM2.1的平均质量浓度均逐渐减小,而PM2.1在PM10中的比例却略微降低。这可能是因为冬季近地面大气较稳定,加上逆温、静风等不利气象条件,使得颗粒物不易向高处扩散,所以PM10和PM2.1的质量浓度随高度的增加都有所降低;同时由于采样点对面有一高层住宅建筑工地,其在高处排放的建筑污染源使得高处的粗颗粒物相对浓度有所增加,所以PM2.1在PM10中的比例有所降低。

表1 不同高度处PM10和PM2.1的平均质量浓度以及PM2.1与P M10质量浓度的比Table1 Comparison of average m ass concentration of PM10 and PM2.1at different heights and the ratio of PM2.1/PM10

2.2 水溶性离子的浓度水平及其随高度的变化

1.5、54和80m的PM10中总离子浓度分别为44.69、46.05和55.43μg·m-3,对PM10的贡献率分别为17.70%、22.67%和28.20%,其平均浓度在80m处比其在54m和1.5m处分别高出20.38%和24.04%。PM2.1中总离子浓度分别为20.96、23.69和28.32μg·m-3,对PM2.1的贡献率分别为18.9%、27.07%和35.72%,其平均浓度在80m处比其在54m和1.5m处分别高出19.57%和35.13%,可见总离子浓度随高度的升高有增大的趋势。而根据表1,随着高度的增加,PM10和PM2.1的平均质量浓度都逐渐减小,这表明水溶性离子更易在质量较小的细粒子中富集,与姚青等[11]的研究结果一致。

PM10中9种主要水溶性离子浓度随高度变化情况见图1。由图1可知,观测期间1.5m处PM10中各种水溶性离子的大小依次为,3个高度变化趋势基本一致是最主要的3种水溶性无机离子。这3种离子浓度占总离子浓度的23.62%～29.09%,20.84%～22.21%,17.62%～19.35%,共计达65.18%～67.69%。

大气气溶胶中的硫酸盐和硝酸盐是典型的二次气溶胶,其主要来源于化石燃料的燃烧,可以利用(质量比)的相对大小来反映机动车和燃煤对大气气溶胶中水溶性组分的相对贡献,即作为移动排放源(机动车)和固定排放源(燃煤)排放强度的指示因子[12-13]。对1.5、54和80m处气溶胶的进行计算,其依次为1.06、1.39和1.25,高于北京(0.88)[14]、上海(0.43)[15]、厦门(0.59)[16]、西安(0.38)[17],表明移动排放源(机动车)已经成为该生活区大气气溶胶离子的主要来源。

2.3 水溶性离子的粒径分布特征

由于各级的粒径区间划分明显不均等,因此各粒径范围离子的质量浓度不能直接反映离子的粒径分布规律。为客观地分析其分布规律,采用质量浓度分布函数q来加以描述

这里用ΔM/ΔlgDp近似地表示。其中:ΔM为某一粒径区间离子中离子的质量浓度;ΔlgDp为对应粒径区间上限与下限粒径对数值的差值。9种水溶性离子粒径分布情况见图2。3个高度处各离子粒径分布规律大致可以分为3类:1)在0.43～1.1 μm出现峰值的细粒子;2)在4.7～5.8μm出现峰值的粗粒子;3)在0.43～1.1μm和4.7～5.8μm出现双峰的粒子N a+、C l-、F-。但是在不同高度各离子分布具体情况又略有不同,这与徐宏辉等[18]给出的“在垂直高度上各水溶性离子有一致的粒径分布”的结论不同。

图1 3个高度上PM10中水溶性离子的质量浓度Fig.1 The variation of water soluble ion concentration of PM10at the three heights

图2 水溶性离子的粒径分布 Fig.2 Size distribution of water soluble ions

3 结论

1)随着高度的增加,PM10和PM2.1的质量浓度都逐渐减小,且PM2.1在PM10中的比例也逐渐降低。

2)采样期间,总离子浓度随高度增加而增大。3个高度各种水溶性离子的变化趋势基本一致,是最主要的3种水溶性无机离子。1.5、54和80m处与之比依次为1.06、1.39和1.25,高于其他城市比值,表明移动排放源(机动车)已经成为该生活区大气气溶胶离子的主要来源。

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Size Distribution of Water Soluble Ions in Aerosol and Its Variation with Height in Nanjing

KONG Chun-xia,GUO Sheng-li,TANG Li-li

(School of Environmental Science and Engineering,NUIST,Nanjing 210044,China)

Atmospheric particles were simultaneously collected at the heights of 1.5 m,54 m and 80 m in Hexi downtown of Nanjing in January 2009.The samples were then analyzed by Ion Chromatograph.The results showed that,with increase of height,mass concentration of P M10and PM2.1both gradually decreased,whereas the total concentration of ions increased.The three most prominent water soluble inorganic ions areand.Moreover,the concentration ratio ofversusat the three heights were all larger than one,which indicated that the mobile emission sources had become the major source of atmospheric aerosol ions in this district.The size distribution of each type of ions at the three heights were:,and K+peaked at 0.43—1.1μm;,andpeaked at4.7—5.8 μm;N a+,C l-,F-,K+peaked at0.43—1.1μm and4.7—5.8μm.

aerosol;soluble inorganic ions;size distribution

P402

A

1674-7097(2010)06-0757-05

2009-01-05;改回日期:2010-04-23

江苏省自然科学基金资助项目(BK2007226);中国气象局气象软科学项目(GQR2009034);南京信息工程大学科研项目(Y690)

孔春霞(1982—),女,江苏姜堰人,讲师,研究方向为大气环境化学,chunxiakong@163.com;郭胜利(通信作者),博士,教授,博士生导师,shenglguo@nuist.edu.cn.

孔春霞,郭胜利,汤莉莉.南京气溶胶水溶性离子粒径分布及其随高度的变化[J].大气科学学报,2010,33(6):757-761.Kong Chun-xia,Guo Sheng-li,TangLi-li.Size distribution of water soluble ions in aerosol and its variation with height in Nanjing[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):757-761.

(责任编辑:刘菲)