济南市环境空气中PM2.5的碳组成与特征分析

韩道汶，王思晴，安 伟

（1.济南市环境科学研究院，山东济南250014；2.山东省实验中学，山东济南250010）

济南市环境空气中PM2.5的碳组成与特征分析

韩道汶1，王思晴2，安 伟2

（1.济南市环境科学研究院，山东济南250014；2.山东省实验中学，山东济南250010）

对济南市环境空气中PM2.5中碳组分污染特征的研究结果表明，济南市环境空气细颗粒物中碳主要以有机碳（OC）和元素碳（EC）的形式存在，二者浓度以冬季最高，且变化趋势相同；OC占总碳比例较高；冬季二次有机气溶胶(SOC)浓度最高，与污染源排放及气象条件有关。

PM2.5；碳；有机碳；元素碳；二次有机气溶胶

大气细粒子对人体健康、能见度和气候变化有重要影响并涉及二次污染和跨区域输送等问题，因而受到广泛关注，是环境科学领域的研究热点之一[1～3]，其对人体健康的危害已被国内外大量的毒理和流行病学研究所证实[4]。PM2.5主要来自化石与生物质燃料燃烧过程的一次排放及与之相关的气态前体物的二次转化。碳是大气细颗粒物中富含的主要元素之一，主要以有机碳（Organic Carbon，OC） 和元素碳 （Elemental Carbon，EC） 的形式存在[5]。其中OC既包括燃烧等过程直接排放的一次有机碳（Primary Organic Carbon，POC），也包括有机气体和大气化学反应生成的二次有机碳（Secondary Organic Carbon，SOC）。EC主要来源于化石燃料或木材等生物质燃料不完全燃烧时的直接排放。OC对光有散射作用，EC有较强的吸光、吸热能力，两者联合作用，给人体健康、大气能见度、气候变化等带来一定影响[6～7]。

济南市的煤炭燃烧、机动车尾气、道路扬尘以及工业污染等共同作用，使得城市颗粒物污染尤其突出。该研究探讨了济南市PM2.5中碳组分的污染特征，以期为城市细颗粒物污染防治提供技术支持。

1 采样与分析

于2010年1月至2011年1月在济南市监测中心站楼顶进行PM2.5样品连续采集，每隔3天采集一个样品，每个样品连续监测21 h。采样过程中严格执行质控措施，确保采集样品的代表性和有效性。颗粒物中有机碳和元素碳的浓度采用美国2001A热光碳分析仪进行定量测量。采样前将石英滤膜在450℃条件下灼烧2 h，以去除残留碳和其他杂质。

2 分析与讨论

2.1 PM2.5中OC和EC的浓度

碳组分浓度范围和平均浓度如图1所示。结果表明：采样期间，PM2.5中ρ(OC)一般高于ρ (EC)。PM2.5中ρ(OC)为（16.98±10.31）μg/m3，日变化范围在6.5～59.86μg/m3，ρ(EC)为（5.81±2.82）μg/m3，日变化范围为1.63～23.66μg/m3，且OC/ TC高达79.30%，OC占PM2.5的14.75%，EC占PM2.5的5.05%，表明碳组分是PM2.5的重要组成部分。与其他城市碳组分浓度的比较结果如图2所示，济南市略微高于上海、北京，和广州、杭州等南方城市持平，远高于瑞士等欧洲国家水平。

图1 济南市PM2.5中碳组分浓度分布

2.2 PM2.5中碳组分的季节变化

由图1可见，PM2.5中OC和EC质量浓度随季节变化显著，冬季最高，其次为秋季，而春季和夏季相对较低。主要原因是冬季取暖燃煤量增加，而低温下机动车冷启动也增加了机动车尾气的排放量，同时冬季气象特征较稳定，风速较低，不利于污染物的稀释扩散，因而冬季OC、EC浓度较高；秋季大气中的光化学反应作用使OC含量上升，OC/EC增高；而春季和夏季气候变暖，降雨等对碳颗粒物具有冲刷作用，使碳浓度降低。

2.3 PM2.5中的OC/EC值

OC/EC的值可以评价二次污染的程度。Chow等[8]将 (OC/EC)＞2.0作为判断生成SOC的依据，该临界值已被很多研究者采用。当 (OC/ EC)＞2.0时，表明存在SOC。

图2 济南市与其他城市碳组分浓度比较

从图1可以看出，济南市一年四季的OC与EC比值均大于2.0，表明存在SOC，冬季尤其突出。这可能是由于冬季大气扩散条件差，降雨量相对较少，而排放的大气污染物又较多，济南市特殊的地理条件使得这些污染物容易在大气中积聚，通过光化学反应形成二次有机碳颗粒物，导致济南市冬季二次污染尤为严重。

2.4 二次有机碳 (SOC)污染程度核算

该研究按照Castro等[9]提出的OC/EC最小比值法来估算样品中的SOC，估算公式：

式中：OCsec—SOC质量浓度（μg/m3）；

OCtot—OC质量浓度（μg/m3）；

（OC/EC）min—OC/EC的最小值。

该研究观测期内PM2.5(OC/EC)min的范围为1. 02～3.24，采用平均值2.13作为(OC/EC)min来计算SCO的含量，结果见图3。

图3 济南市SOC浓度及在OC中的百分含量

由图3可知，监测点OCsec在OC中所占百分比年均值达到27.12%，表明二次有机碳是PM2.5中有机颗粒物的重要组成部分。冬季OCsec/OC达到37.67%，远高于其他季节的比值，与OC/EC比值的四季变化规律一致。原因在于冬季增加的供热燃煤不仅会排放一次碳污染物，同时污染物排放量的大量增加、不利的天气扩散条件以及特殊地形等，使得气态污染物在大气中的停留时间较长，增加了生成SOC机率。这一结果与其他部分城市的污染规律比较一致。

3 结论

碳组分是济南市大气细颗粒物的重要组成部分，主要以有机碳（OC）和元素碳（EC）的形式存在，且OC占TC比例较高。二者浓度以冬季最高，且变化趋势相同。不同采样时期都存在不同程度的二次污染，冬季的二次污染比其他季节严重，这与污染源排放、气象条件及济南市特殊的地理位置等有关。

[1] 马雁军，王江山，王扬锋，等. 辽宁中部城市群可吸入颗粒物PM10和PM2.5的污染特征研究[J].气象与环境学报，2008，24(5)： 11-15.

[2] 黄虹，曾宝强，曹军骥，等. 广州大学城大气PM2.5质量浓度与影响因素[J]. 环境科学与技术，2009，32(5)：103-106.

[3] 樊曙先，樊建凌，郑有飞，等. 南京市区与郊区大气PM2.5中元素含量的对比分析[J]. 中国环境科学，2005，25(2)：146-150.

[4] LADEN F, NEAS L. MOCKERY D. W, et al. Association of fine particulate matter from different sources with daily mortality in six U. S. cities[J]. Environmental Health Perspectives, 2000,108:941-947.

[5] 邹长伟，黄虹，曹军骥. 大气气溶胶含碳物质基本特征综述[J].环境污染与防治，2006，28(4)：270-274.

[6] 李伟芳，白志鹏，魏静东，等. 天津冬季大气中PM2.5及其主要组分的污染特征[J]. 中国环境科学，2008，28(6)：481-486.

[7] 叶堤，蒋昌潭，赵琦，等. 重庆市春季大气PM10中有机碳、元素碳浓度水平及污染特征分析[J]. 中国环境监测，2007，23(3)：69-73.

[8] CHOW J C, WATSON J G, LU Z, et al. Descriptive analysis of PM2.5and PM10at regionally representative locations during SJVAQS/AUSPEX [J]. Atmospheric Environment,1996,30 (12) :2079-2112.

[9] CASTRO L M, POI C A, HARRISON R M, et al. Carbonaceous aerosol in urban and rural European atmospheres: estimation of secondary organic carbon concentrations[J]. Atmospheric Environment,1999, 33(17): 2771-2781.

表2 2005-2009年4个直辖市的碳效率 元/t

图1 2005-2009年4个直辖市的碳效率

参考文献

[1] KAYA YOICHI. Impact of Carbon Dioxide Emission on GNP Growth: Interpretation of Proposed Scenarios[R]. //Presentation to the Energy and Industry Subgroup, Response Strategies Working Group. In Proceeding of IPCC Conference. Paris, 1989.

[2] THOMAS DIETZ, EUGENE A. ROSA. Effects of population and affluence on CO2emissions [J]. Proc. Natl. Acad. Sci., 1997, 94: 175-179.

[3] MIKIKO KAINUMA, YUZURU MATSUOKA, TSUNEYUKI MORITA. The AIM end-use model and its application to forecast Japanese carbon dioxide emissions[J]. European Journal of OperationalResearch, 2000，122:416-425.

[4] MA CHUN, JU MEITING, ZHANG XIAOCHUN, et al. Energy consumption and carbon emissions in a coastal city in China[J]. Procedia Environmental Sciences, 2011, 4:1-9.

[5] YIH F. CHANG, CHARLES LEWIS, SUE J. LIN. Comprehensive evaluation of industrial CO2emission (1989-2004) in Taiwan by input-output structural decomposition[J]. Energy Policy, 2008, 36: 2471-2480.

[6] DU HUIBIN, GUO JIANGHONG, MAO GUOZHU, et al. CO2emissions embodied in China-US trade: Input-output analysis based on the emergy/dollar ratio[J]. Energy Policy, 2011, 39: 5980-5987.

[7] RICHARD S.J. TOL, STEPHEN W.PACALA, ROBERT H. SOCOLOW. Understanding Long-Term Energy Use and Carbon Dioxide Emissions in the USA[J]. Journal of Policy Modeling, 2009, 31:425-445.

[8] LI ZHANGWEI, ZHENG XUNGANG. Study on relationship between Sichuan agricultural carbon dioxide emissions and agricultural economic growth [J]. Energy Procedia, 2011, 5:1073-1077.

[9] 冯相昭，王雪臣，陈红枫. 1971-2005年中国CO2排放影响因素分析[J]. 气候变化研究进展，2008，4（1）：42-47.

The Analysis on the Characteristics of the Carbon Com position of PM2.5in Jinan Atmosphere

Han Daowen1,Wang Siqing2,An Wei2
(1.Jinan Academy of Environmental Sciences,Jinan Shandong 250014,China; 2.Shandong Experimental High School,Jinan Shandong 250010,China）

The analysis results of pollution characteristics of PM2.5in Jinan atmosphere show that the carbon in particles PM2.5in atmosphere exists in the form of OC which has a higher proportion and in the form of EC.The concentrations of OC and EC reach the highest level in winter and with the same trend.The concentration of SOC is highest in winter,which relates with the pollution sources and meteorological condition.

PM2.5;Carbon;OC;EC;SOC

X 831

A

1008-813X（2012）04-0042-03

10.3969 /j.issn.1008-813X.2012.04.013

2012-03-20

韩道汶（1976- ），男，山东济南人，毕业于山东工业大学热能工程专业，高级工程师，主要从事大气环境监测科研工作。