云南省芒市春季PM2.5水溶性离子特征及来源分析

2021-11-24赵丽多任丽红李军黄顺祥李刚张佳浩张凯

环境工程技术学报 2021年6期

赵丽多，任丽红，李军，黄顺祥，李刚，张佳浩，张凯

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院2.南京工业大学化学与分子工程学院3.中国科学院大气物理研究所4.陆军防化学院核生化应急技术支持中心

由于受经济和能源结构、地形状况、气象条件等影响，不同的区域及城市大气PM2.5水溶性离子的化学特征存在显著差异。在我国的北方城市，由于冬季采暖导致污染物排放量较大，且冬季大气扩散条件较差，使空气污染情况加重，此外，还导致PM2.5中Cl-富集[18-19]。然而，受海盐影响较大的沿海地区PM2.5中的Na+、Cl-等离子浓度明显高于内陆地区[20]。国内近年来针对PM2.5化学特征及来源分析的研究较多，但这些研究主要集中在京津冀[21-23]、东部沿海[24-25]和珠三角[26-27]等重污染天气高发区，而针对西南地区的研究相对较少[28]。

芒市位于西南边陲云南省西部，紧靠缅甸，属于高原山地城市，具有夏长冬短、干湿分明、紫外线强、雨量充沛、冬季多雾等特点。芒市城区为一盆坝，以低山山地为主，不利于污染物的扩散，春季常年出现逆温和大雾天气。近年来随着城市化进程的加速，芒市的机动车保有量不断增加(截至2018年民用车辆保有量为66.30万辆，比2017年增加了7.1%)[29]，污染物排放不断增加。由于受地形和静风气候的影响，导致污染物在芒市城区上空集聚，大气污染程度加重。同时由于芒市地处西南边境地区，也可能受境外排放污染物的影响，从而导致芒市的大气颗粒物污染特征可能会有别于其他城市。笔者在芒市污染较重的春季开展PM2.5滤膜样品的采集与分析，研究其水溶性离子的化学组成特征，并利用主成分分析法推测其来源，以期丰富我国西南地区PM2.5污染特征的研究结果，为芒市空气污染控制对策的制定提供参考及数据支撑。

1 材料与方法

1.1 采样点

综合考虑城市功能区的划分及人口密度情况，优先在国控点附近布设采样点，本研究采样点设在芒市住房与城乡建设局(A点)、德宏州生态环境局芒市分局(B点)和芒市畜牧兽医局(C点)。采样点周围无高大建筑物和污染源。采样时间为2019年3月11日—4月1日，采样周期为23 h(10:00—翌日09:00)。采用武汉天虹生产的TH-16A型智能采样仪(流量为16.6 L/min)进行采样，滤膜采用石英滤膜(Pall公司)。SO2和NOx浓度来自采样点周边国控点的自动监测数据，时间分辨率为1 h。

1.2 分析方法

1.3 质量控制

采样前将石英滤膜放在500 ℃的马弗炉中烘烤4 h，除去采样滤膜中吸附或者残留的有机物。采样前后在恒温〔(20±5)℃〕、恒湿(50%±5%)条件下平衡48 h。在不开机的情况下分别收集3个采样点的空白滤膜样品作为空白对照。将滤膜在恒温、恒湿的天平室里进行称重(精确到0.1 mg，滤膜质量差小于0.5 mg)。对水溶性离子进行空白校正，扣除采样及试验误差。制作标准曲线进行标准样品测量，制作标准曲线时保证各种离子的峰面积与浓度之间的相关系数在0.999以上，满足标准曲线要求后再进行样品测量。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5浓度变化特征

芒市3个采样点PM2.5浓度逐日变化如图1所示。由图1可见，芒市PM2.5浓度相对较低，A点、B点和C点平均值分别为53.3、54.3和53.5 μg/m3，3个采样点PM2.5浓度差异较小;最小值分别为26.0、26.5和25.5 μg/m3，均出现在3月19日；最大值分别为77.9、79.7和84.1 μg/m3，均出现在3月31日。这可能与当日的气象条件有关。采样期间，3个采样点PM2.5浓度日均值大部分小于GB 3095—2012《环境空气质量标准》[30]二级标准限值(75 μg/m3)。芒市PM2.5浓度低于北京市(86.1 μg/m3)[31-32]、昆明市(106 μg/m3)[28]、成都市(67.5 μg/m3)[33]，高于南京市(52.6 μg/m3)[34]，表明芒市PM2.5的污染相对较轻。

图1 采样期间芒市PM2.5浓度变化Fig.1 Temporal variation of PM2.5 concentrations in Mang City during the sampling period

2.2 水溶性离子的化学特征分析

表1 芒市春季PM2.5水溶性离子浓度与国内其他城市的对比Table 1 Comparison of water-soluble ions concentrations of PM2.5 between Mang City and several other cities μg/m3

2.3 二次气溶胶及其前体物的转化

(1)

(2)

表2 芒市春季NOR、SOR与其他城市的对比Table 2 Comparison of NOR and SOR between Mang City and other cities in spring

2.4 水溶性离子的相关性分析

表3 PM2.5水溶性离子相关系数矩阵Table 3 PM2.5 water-soluble ions correlation coefficient matrix

(3)

(4)

图浓度计算值与实测值的相关性分析Fig.2 Correlation analysis between calculated values and measured values

2.5 阴阳离子平衡及酸碱度

(5)

如图3所示，A点、B点和C点的AE/CE分别为0.81、0.84和0.82,均小于1，说明芒市春季大气颗粒物呈现弱碱性，大气颗粒物中的阳离子不能完全被阴离子中和，也可能是因为部分阴离子(如碳酸根、碳酸氢根和小分子有机酸等)未检出。芒市的PM2.5呈碱性，可能是由于采样期间正值春耕，受土壤扬尘的影响，致使颗粒物呈碱性。