武汉沌口地区PM10及PM2.5化学组分分析

米 铁，余新明

（工业烟尘污染控制湖北省重点实验室（江汉大学） 江汉大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

环境监测数据表明，颗粒污染物是中国多数城市的首要空气污染物。它不仅是我国大气污染控制研究的重点和难点，也是国际环境科学界所关注的热点之一。不同粒径的悬浮颗粒物，会对人体健康造成不同的影响。研究发现：粒径大小不同的颗粒在鼻咽部、气管及支气管、肺泡等3个部位的沉积效率也有所不同。一般来说，粒径大于10 μm 的颗粒，通常不会被人体吸入。即使被人体吸入，可完全沉积于鼻咽部，只有少部分进入肺泡，对人体健康影响相对较小，只会影响大气能见度。粒径在2.5～10 μm 的颗粒成为可吸入粉尘，除影响大气能见度外，还会被人体吸入，通过咽喉进入肺部，沉积在上呼吸道。小于2.5 μm 的尘粒成为呼吸性粉尘，它能穿透到肺泡区，在肺泡中沉积。粒径愈小的颗粒在空气中停留的时间越长，被人体吸入的机会越大。细颗粒比粗颗粒比表面积大，更易吸附有害的重金属和有机物，因而毒性更大，在人体内的活性越强，对肺的纤维化作用越强，因此对呼吸性颗粒物（PM2.5）的形成、捕集及其特性的研究成为热点［1－4］。研究主要集中在颗粒物的产生机理及控制技术，来源解析，细颗粒物理特征（粒径分布、形貌特征），化学组分分析，可吸入颗粒物（PM10）（以及PM2.5）的毒性、致癌、致突变与健康的关系［5，6］。

沌口地区为武汉经济技术开发区所在地。经过近20 年的发展，武汉经济技术开发区已成为武汉市对外开放的窗口，有力地拉动了武汉的经济发展，推动了武汉产业结构调整。与此同时，环境问题也日益显现。自武汉经济技术开发区建成以来，虽然该地区的大气环境质量的监测自始至终地进行着，但至今为止还未对该地区大气PM10、PM2.5污染物进行研究。本文拟对沌口地区大气可吸入颗粒物的化学组分进行分析研究，进而研究沌口地区大气可吸入颗粒物的来源，为政府部门制定大气污染控制与治理措施、确定污染治理重点提供科学依据，为武汉两型社会建设做出贡献。

1 实验部分

1.1 颗粒样品采集

PM10采集选用武汉市天虹智能仪表厂生产的TH－150 型采样仪及PM10切割器。采样滤膜为玻璃纤维滤膜，流量为100 L/min，直径为90 mm。PM2.5采样选用带Apex Lite 个体空气采样泵的PM2.5切割器。采样流量为2.0 L/min；配用Φ25 mm滤膜，6 万粘度的甲基硅油。采样时间为2010 年的春夏两季，每次连续采集14 h，测试参数及气象数据（温度、大气压）实时记录并保存，共连续采集50 个样品。采样地点为汉阳客运中心和江汉大学校内。采样点距地面约15 m，可排除地面灰尘的干扰，采样点附近无高大建筑物以及局部污染源影响，具体采用位置见图1。

图1 大气颗粒物采样点位置

采样前将滤膜用铝箔包裹放置在马弗炉中于450 ℃下烧4 h。滤膜使用前在恒温恒湿箱（20 ℃，50 %）条件下平衡24 h，采集样品的滤膜在同样条件下进行恒温恒湿平衡，平衡后的滤膜在分析天平上称量，称量后避光密封保存。

1.2 颗粒样品分析

将处理后的滤膜向内对折并剪成两半，一半进行其无机组分分析，一半做苯并芘分析。将前一半采样膜剪碎成条状于烧杯中，加入50 mL 硝酸浸泡24 h，在电炉上加热10 min，加热过程中持续用玻璃棒搅拌，直至烧杯中溶液澄清，消解完毕后将烧杯中的溶液定容至100 mL，用于原子吸收分析。另一半滤膜剪成条状，在索氏提取器中提取48 h，提取剂选用环己烷，水浴加热到80.7 ℃。提取完毕后，经分液漏斗分离出下层有机液，并置于烧瓶中。将烧瓶置于温度设定在90 ℃的水浴锅中加热浓缩，至烧瓶中溶液接近2 mL 后转移到试剂瓶中，供高效液相色谱分析。

分析试剂：苯并芘晶体（分析纯），天津阿尔法公司；环己烷、二氯甲烷、丙酮等有机溶剂均为分析纯；配制Fe、Mg、Ca、K、Cu 等5 种无机金属离子标样及HNO3溶液。样品中所含金属元素的测定选用WFX－110/120/130 型原子吸收分光光度计，有机物用高效液相色谱法（HPLC）进行分析。

由于玻璃纤维滤膜较难消解，故采用HNO3—HClO4消解法。具体过程为：将一半滤膜剪碎取放入锥形瓶中，加入20 mL HNO3，浸泡24 h，再在电炉上加热、消解至大部分样品被分解。取下锥形瓶，稍冷，加入10 mL HClO4，继续加热至冒白烟，直到浓厚白烟将尽且溶液透明。冷却后用2 % HNO3溶解并过滤，滤液冷却至室温后用50 mL 容量瓶定容备用。

2 结果与讨论

2.1 PM10的浓度水平、金属元素种类及来源粗析

沌口地区3～6 月PM10的浓度及主要组分浓度见表1、图2。受仪器检测分辨率所限，本文仅给出PM10样品中的Fe、Mg、Ca、K、Cu 等5 种主要金属元素质量浓度。由表1 可知，PM10最高浓度为0.15 mg/m3，最低为0.133 mg/m3，平均为0.14 mg/m3。对比PM10的国家空气质量二级标准：日平均浓度低于0.15 mg/m3，年平均浓度低于0.1 mg/m3，可知，沌口地区PM10平均浓度低于国家空气质量二级标准，但也已临近阀值。

表1 沌口地区PM10浓度及其主要化学组分/mg·m－3

图2 沌口地区PM10中5 种主要金属元素的质量百分比

由于时间、经费的限制和研究重点的不同以及对沌口地区各种污染源的特征谱尚未了解，仅根据国内外对大气颗粒物研究结论，初步定性识别沌口地区PM10的污染来源。

有研究者［7］认为：Fe、Mg、Ca 元素等地壳元素是地面扬尘的标示元素，Ca、Mg 可代表建材工业生产源。Ca、Mg 为建筑扬尘的标示元素。大气颗粒物中K 的来源［8］有生物质燃烧（包括木材和秸秆燃烧、垃圾焚烧以及烤肉烹调等）、土壤源（包括土壤及道路扬尘、建筑扬尘等）、燃煤与燃油、海洋源等。而试验采样点江汉大学周围有建筑工地，这可能是本次试验所得到的K 元素含量较高的缘故。故可初步定性判断PM10来源于地面及建筑工地扬尘的概率较大。有色冶金、钢铁冶金、燃煤、焚烧、水泥工厂及焦炭等污染源将Cu作为标示元素。而本次试验中Cu 含量很小，表明采样点所在地受此类工业污染较小。

多环芳烃是有机物不完全燃烧或者热解过程产生的。一般可分为人为源和自然源，自然源包括燃烧和生物合成；人为源包括交通排放，轮胎磨损、路面磨损产生的沥青颗粒以及道路扬尘，以及家庭炊事烧烤、垃圾焚烧和工业活动等。根据张逸等［9］通过对不同地点、不同时间以及不同粒径颗粒物中多环芳烃的含量和苯并芘的含量进行线性拟合，发现两者均具有较好的相关性（P＜0.001），说明可以通过对苯并芘的检测反映当地大气颗粒中总多环芳烃的污染状况。故而，将通过分析颗粒中苯并芘的含量来预测多环芳烃的含量。采用面积归一化法，本次实验测得PM10中的苯并芘平均浓度为1.92 ng/m3，苯并芘出峰时间为4.5 min。

综合分析采样点的实际情况，沌口地区PM10中主要污染源为建筑扬尘、生物质燃烧等，其次考虑气候条件。

2.2 沌口地区大气PM2.5中各元素之间的对比

沌口地区PM2.5浓度日平均值为0.083 8 mg/m3，其元素的浓度范围见表2。

表2 样品中元素在大气中浓度范围记录表

从沌口地区大气PM2.5中各元素之间对比的分析可以看出：K、Ca、Fe 3 种元素所占的比例比较高。在这3 种元素中，Fe 元素浓度最大，为（0.1450±0.0303）mg/m3，Ca 元素浓度次之，为（0.1351 ± 0.0168）mg/m3，K 元素为（0.0685 ±0.0206）mg/m3。根据上述元素浓度及前文的源解析的分析可初步认为沌口地区大气PM2.5污染主要来自：燃煤电厂烟尘排放；建筑施工扬尘及附近农田秸秆及垃圾填埋场的燃烧；其次为交通尘等。表3 给出了沌口地区PM2.5与国内部分地区PM2.5中5 种元素浓度的对比，从表3 中可以看出：与其他城市相比，武汉沌口地区PM2.55 种元素浓度都不算太高。

表3 沌口地区PM2.5与国内部分地区PM2.5元素浓度对比/mg·m-3［8，10－11］

2.3 沌口地区PM2.5、PM10与TSP 情况的对比

从表4 可以看出，TSP 浓度最大，PM10次之，PM2.5最低。TSP 浓度最高是因为江汉大学附近长期有工地在施工，建筑灰尘多，而这些恰巧是TSP的主要来源，因此浓度最大。PM10主要来源是扬尘、建筑水泥尘与燃煤尘。PM2.5来源主要有3 种：直接以固定形式排出的一次粒子；在高温状态下以气态形式排出、在稀释和冷却过程中凝结成固态的一次可凝结粒子；由气态前驱污染物通过大气化学反应而生成二次粒子。从沌口地区PM2.5的化学组分分析可初步判定化石燃料（主要为煤）和生物质燃料燃烧是沌口地区PM2.5中的一次粒子产生的主要原因，也有一部分是因为工业过程产生的，另外还包括道路扬尘、矿物加工和精炼过程。而农田耕作、风蚀等的地表尘对沌口地区PM2.5的贡献则相对较小。同时从表4 也可以看出，沌口地区大气颗粒物污染中，PM2.5所占的比例达在24.8%左右，而以前一般为10%～20%［12］，这说明在大气污染中PM2.5所占的比重越来越大，应引起有关部门的重视。

表4 沌口地区同期PM2.5与TSP、PM10元素浓度对比

2.3 沌口地区PM10、PM2.5 中PHA 类物质含量

大气中普遍存在的有机碳氢化合物——多环芳香烃（Poly cyclic aromatic hydrocarbon，简称PAHs）因具有致突变性与致癌性而受到环境保护研究者的重视。PAHs 的分子结构是由两个或两个以上的苯环连接而成碳氢化合物的，是一类广泛存在于环境中的致癌性有机污染物。大气中PAHs 具有浓度低、成分复杂、性质不稳定等特点。本文采用玻璃纤维滤膜（GF）收集空气中颗粒态的PAHs，通过对大气中PM10与PM2.5中苯并芘的检测来反映沌口地区大气颗粒中总多环芳烃的污染状况。为便于比较，表5 列举出国内其他城市春季苯并芘的浓度［13］。

表5 沌口地区与全国其它部分地区春季苯并( α)芘浓度对比/ng·m-3

我国环境空气质量标准（GB3095－2012）为10 ng/m3，从表5 来看，沌口地区大气颗粒物PM10中苯并芘浓度总体水平不高，未超过国家环境空气质量标准。对于苯并芘浓度水平的比较，首先要考虑当地污染源状况，此外还需考虑降水、气温、风速等气象条件的影响。北京是典型的北方燃煤型城市，同时受太行山系地形、燕山半盆地以及西风带大气的影响，经常受到来自蒙古国和新疆塔里木盆地的沙尘暴侵袭。而广州濒临南海，为西江、北江、东江三江汇合处，地处低纬度，受太阳辐射量较多，同时受季风的影响，夏季海洋暖流造就高温、高湿、多雨；冬季北方冷风形成低温、干燥、少雨。深圳位于珠江三角洲东岸，属热带海洋性季风气候。南海海区属于热带、赤道带气候，温度高、年变化小。龙岩地区春季的日均苯并芘浓度为2.16 ng/m3，沌口地区的为1.92 ng/m3，两地日均苯并芘浓度相差不大，从工农业、交通业的发展情况和气候条件的对比来看，也基本相符。

3 结论

1）沌口地区PM10浓度平均值为0.14 mg/m3，低于国家环境空气质量二级标准（0.15 mg/m3）。结合其中Ca、K 元素浓度较高，应该在建筑扬尘和生物质燃烧方面的治理上下功夫，建议多增加绿化植被覆盖面积，减少裸露的地表面积。

2）使用原子吸收分光光度法分析得到，沌口地区PM10中金属元素主要由Fe、Mg、Ca、K、Cu等5 种元素贡献，其中Fe 占6.36%，Mg 占13.72% ，Ca 占31.41% ，K 占44.09% ，Cu 占2.45%。

3）沌口地区PM2.5浓度日平均值为0.083 8 mg/m3，略高于国家环境空气质量二级标准（0.075 mg/m3），通过其组分元素分析，初步判断其主要来源为燃煤电厂烟尘排放、建筑施工扬尘及附近农田秸秆及垃圾填埋场的燃烧，其次为道路扬尘等。

4）高效液相色谱法测定沌口地区PM10中苯并芘的日均浓度为1.92 ng/m3，比广州、深圳、南海要高。同时，沌口地区又明显比北京的苯并芘浓度低，也略低于龙岩市的水平。初步分析沌口地区的苯并芘的主要来源为生物质的燃烧、地面及建筑扬尘。

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