大连城区秋季大气中短链氯化石蜡的气/粒相分配行为研究

白皓, 朱秀华, 高媛, 陈吉平, 王龙星, 袁和平, 李潇潇, 王炜，董学伟

(1.大连交通大学 环境与化学工程学院，辽宁 大连 116028; 2. 中国科学院 大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023; 3. 大连市气象台，辽宁 大连 116001)

大连城区秋季大气中短链氯化石蜡的气/粒相分配行为研究

白皓1, 朱秀华1, 高媛2, 陈吉平2, 王龙星2, 袁和平2, 李潇潇3, 王炜1，董学伟1

(1.大连交通大学 环境与化学工程学院，辽宁 大连 116028; 2. 中国科学院 大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023; 3. 大连市气象台，辽宁 大连 116001)

研究了大连市城区秋季(10月和11月)大气中SCCPs在气相和颗粒相中的浓度及分布特征，计算了SCCPs的气/粒相分配系数，研究了其与环境温度、SCCPs的过冷液体蒸汽压及正辛醇-空气分配系数的相关性.结果表明，秋季大连大气中SCCPs主要以气态形式存在.气相中SCCPs浓度10月明显高于11月，但颗粒相中SCCPs浓度11月与10月变化不明显.大气中SCCPs的气/粒相分配系数与其过冷液体蒸汽压和正辛醇-空气分配系数均有较好的线性相关性，对秋季大气中SCCPs的气/粒相分配起主导作用的是颗粒物中的有机质吸收机理，环境温度对其气/粒相分配行为有一定的影响.

大连；大气；短链氯化石蜡；气/粒相分配

0 引言

短链氯化石蜡(Short Chain Chlorinated Paraffins，SCCPs)是一种半挥发性有机化合物(SVOCs)，具有持久性、生物累积性、长距离迁移能力、以及毒性作用.目前已被列入《关于持久性有机污染物(POPs)的斯德哥尔摩公约》增列的持久性有机污染物的审查范围内[1- 4]，并引起了全球的关注.大气是SCCPs向其它环境介质传输的主要途径，各种污染源释放到大气中的SCCPs经过远距离迁移沉降到其它环境介质中.而气/粒相分配过程是决定大气中有机污染物环境归宿的一个关键过程.这个过程影响着SVOCs在大气中的干/湿沉降、化学反应、长距离传输以及人类的健康和生态系统的平衡[5].目前针对大气中SCCPs污染水平和环境行为的研究报道较少[1].因此，研究大气中SCCPs的气/粒相分配行为对了解其大气污染状况及进行环境风险评价具有重要意义.

辽宁省是中国主要的氯化石蜡产地之一，辽宁省各种环境介质中均检出了SCCPs[6-10], 大连具有氯化石蜡生产厂家[10],但是对大连大气中SCCPs的监测和研究少见报道.因此，研究大连市大气中SCCPs的污染水平、时间分布和环境行为具有重要的意义.

本文主要监测了2016年10月和11月大连市城区大气中SCCPs在气相和颗粒相中的种类与浓度，研究了大气中SCCPs的分布特征及气/粒相分配行为.

1 实验部分

1.1主要仪器和试剂

主要仪器：高分辨气相色谱-电子捕获负化学源-低分辨质谱联用仪(AutoSpec，美国 Thermo Trace)；B-491控温旋转蒸发仪(瑞士，Buchi公司)；BF2000氮气吹干仪(北京八方世纪科技有限公司)；B5200S超声仪(美国，Branson公司).

主要化学试剂：硅胶(63～100 μm)(德国，Sunchrom公司)；碱性氧化铝(德国，MP Biomedicals公司)；正己烷、二氯甲烷均为农残级(美国，J.T. Baker公司)；壬烷为色谱纯(德国百灵威公司)；无水硫酸钠为分析纯；浓硫酸为优级纯.氯含量为51.5%、55.5%和63%的SCCPs混合标准品(德国，Dr. Ehrenstorfer公司).13C标记的SCCPs内标：提取内标为六氯环己烷(13C6-δ-HCH)，进样内标为反式氯丹(13C10-trans-CD)(美国，Cambridge Isotope Laboratories公司).

1.2实验过程与方法

1.2.1 采样

本研究利用大流量主动采样仪(ECHO HIVOL，TCR TECORA. 意大利)进行样品采集.大气颗粒物样品以玻璃纤维滤膜(glass fiber filter，GFF)采集，气态样品以聚氨酯泡沫(polyurethane foam，PUF)采集.GFF直径为110 mm.PUF长度7.6 cm，直径6.3 cm，密度0.0213 g/cm3.PUF和GFF使用前均需进行预处理，以便去除其中的有机杂质.PUF采用正己烷(HEX)/二氯甲烷(DCM)(1∶1，体积比)超声清洗， GFF于马弗炉中，450℃，灼烧24 h.采样完成后将GFF和PUF分别用铝箔包好装于自封塑料袋中，于-24℃冰箱中避光保存，直至提取分析.

本研究采样点位于大连化学物理研究所生物楼五楼楼顶(E121o34.430′, N38o53.296′, 海拔 60 m)，采样高度离地面1.5 m.大连化学物理研究所位于大连市中心地段，依山傍海，周围树木较多，环境较好，东邻国际会展中心，西邻星海公园，北邻大连高新园区及各大高等院校，南面为居民区.采样时间为2016年10月～2016年11月，每月采样2次(每月上、下旬各采样1次，每样平行测定2次，以4次测定平均值作为该月的最终结果).采样期间的气象资料均由大连市气象台提供，详细的采样气象条件见表1.

表1 采样气象条件

* TSP(Total Suspended Particulates)：空气中总悬浮颗粒物的浓度.

1.2.2 样品的提取与净化

样品提取前，分别在采集好的样品(PUF和GFF)上添加20 μL提取内标(13C6-δ-HCH，浓度为100 μg/L)，然后用250 mL的HEX/DCM(1∶1，体积比)进行索氏提取，样品提取时间为24 h.将提取液旋转蒸发浓缩后经酸化硅胶复合层析柱及碱性氧化铝层析柱净化[4].将净化后的洗脱液旋转蒸发浓缩至1～2 mL，转移至色谱进样瓶，在40℃下，以弱氮气流吹干，然后加入20 μL进样内标(13C10-trans-CD，浓度为100 μg/L)和20 μL壬烷定容，涡旋振荡混匀，待检.

1.2.3 分析测试条件

样品采用高效气相色谱-电子捕获负离子化学源-低分辨质谱(HRGC/ECNI, LRMS)的方法在选择性离子扫描(SIM)模式下检测SCCPs相对丰度最高的[M-CL]-，并分别以[M-CL]-和[M]-作为13C6-δ-HCH和13C10-trans-CD的定量离子.气相色谱分析条件为：进样口温度280℃，气相色谱柱为DB-5M毛细管柱(0.25mm × 0.25 μm × 15 m，Jamp;W Scientific，USA)，柱温升温程序为100℃保持2 min，以20℃/min升至160 ℃，保持2 min，30 ℃/min升至310 ℃，维持10 min.载气为He气，流速为0.8 mL/min，进样方式为不分流进样1 μL.质谱分析条件为：离子化方式为ECNI，离子源温度为200℃，监测检测为选择性离子，发射电流为200 μA.

1.2.4 质量保证和质量控制

本研究所用各种净化填料、PUF及GFF均进行了严格的净化处理，并进行了PUF空白、GFF空白、程序空白实验.实际样品分析与空白实验流程完全一致，确保实验数据的准确性.结果表明所有经过净化处理后的吸附填料、溶剂、PUF及GFF的空白值均低于SCCPs的分析检出限(仪器检出限(S/N≥3)∶4.2 pg；仪器定量限(S/N≥10)∶12.0 pg；方法检出限：0.34 ng/m3(n=7))[4]，表明实验过程和采样过程中可能引进的污染不影响实际样品中SCCPs组分的定量分析.实验样品中，提取内标(13C6-δ-HCH)的回收率范围在78%～136%.

2 结果与讨论

2.1大连市城区秋季大气中SCCPs的污染水平

表2为2016年10月，11月大连城区环境空气样品中气相(PUF)和颗粒相(GFF)样品分析结果.

由表2可知，大连市城区秋季空气中SCCPs主要以气态形式存在，10月份气相中SCCPs量占其空气中总浓度的97.71%，11月份占89.78%；气相中SCCPs的浓度10月是11月的4.6倍，而颗粒相中SCCPs的浓度11月与10月相差不大；10月大气中SCCPs总浓度明显高于11月.

表2大连市城区秋季大气中SCCPs的浓度ng/m3

样品10月11月最大值最小值平均值最大值最小值平均值PUF165．0614．9289．0533．2418．0025．17GFF2．571．301．954．051．572．68PUF+GFF167．6216．2291．0037．2919．5727．85

大连10月平均气温为14.7℃，11月平均气温为1.6℃，较高的环境温度下，SCCPs更容易从各种环境介质、商业产品和建筑材料中挥发出来，从而导致大气中气相SCCPs总的浓度(∑SCCPs)10月份明显高于11月份.10月和11月从气象学季节划分上均属于秋季，但大连属于北方城市，大连冬季供暖2016年始于11月5日，供暖期间环境空气中颗粒态的污染物会有所增加，并且11月风速较10月略高，从而导致11月中存在于颗粒相中的SCCPs浓度相比于10月有所提高.Wang等[11]研究表明北京市大气中SCCPs主要存在于气相中，且在气相中的比例达到占90%以上，与本研究结果一致.Li等[12]2012年报道的采用被动采样方式采集的北京，上海，杭州、西安、广州等各大城市大气中SCCPs的平均污染水平(137 ng/m3)高于本研究结果.本研究结果远高于Stern等[13]研究的北极埃尔斯米尔岛地区秋季大气中SCCPs污染水平，这可能是因为该地区较偏远，环境空气中的SCCPs大多是由大气远距离迁移而导致的.

2.2气相和颗粒相中SCCPs同系物组分的分布特征

10月和11月大连大气中SCCPs在气相中的同系物分布如表3所示.由表3可以看出，10月和11月大气气相中SCCPs同系物在碳取代数相同的条件下均以C10-11-SCCPs为主，不同碳取代的SCCP分布模式10月份为：C10-SCCPs gt; C11-SCCPs gt; C12-SCCPs gt; C13-SCCPs，11月份为：C10-SCCPs gt; C11-SCCPs gt; C13-SCCPs gt; C12-SCCPs；在氯取代数相同的条件下均以Cl5-7-SCCPs为主，Cl8-10-SCCPs所占比例较低；且11月份Cl5-SCCPs和Cl8-10-SCCPs相比于10月略高，其余均比10月所占比例低.不同氯取代分布模式10月份为：Cl6-SCCPs gt; Cl7-SCCPs gt; Cl5-SCCPs gt; Cl8-SCCPs gt; Cl9-SCCPs gt; Cl10-SCCPs， 11月份为：Cl6-SCCPs gt; Cl5-SCCPs gt; Cl7-SCCPs gt; Cl8-SCCPs gt; Cl9-SCCPs gt; Cl10-SCCPs.上述研究表明，10月份和11月份大连大气气相中均C10-11Cl5-7-SCCPs为主， Cl10-SCCPs组分含量极低.Wang等[11]报道了北京市大气中SCCPs在气相中以C10-11Cl6-SCCPs组分占主导，Cl10-SCCPs组分几乎不存在，该研究结果与本研究结果相似.但大连秋季大气中SCCPs同族体分布与我国其它环境介质(如土壤，沉积物，生物和商业SCCPs的混合物)中SCCPs同族体分布存在差异[14-16].

表3 大气气相中SCCPs不同碳含量和氯含量 %

图1为大连大气气相中SCCPs各同系物分布图.从图1 (a) 可知，10月份气相中单体C10H16Cl6所占比例最高，达到34.5%，其次，是C12H20Cl6、C11H18Cl6、C10H15Cl7，它们所占的比例相近，分别为8.6%、8.5%、8.4%，表明10月份大连大气气相中以上四种单体贡献较大；C10-13Cl9-10-SCCPs含量极低.从图1 (b) 可知，11月份气相中单体C10H16Cl6所占比例最高，达到33.5%，其次，是C10H17Cl5、C13H23Cl5、C11H18Cl6，它们所占的比例分别为9.1%、9.0%、7.3%，表明11月份大连大气气相中以上四种单体贡献较大；与10月份相似，C10-13Cl9-10-SCCPs所占比例较低.

(a) 10月份

(b) 11月份

10月和11月大连大气中SCCPs在颗粒(相中的同系物分布如表4所示.由表4可以看出，10月和11月大气颗粒相中SCCPs的同系物分布相似，但与气相中的分布模式不同.10月和11月在碳取代数相同的条件下均以C10-11-SCCPs和C13-SCCPs为主，且不同碳取代的分布模式10月份为：C13-SCCPs≈C11-SCCPs gt; C10-SCCPs gt; C12-SCCPs， 11月份为：C10-SCCPs gt; C11-SCCPs gt; C13-SCCPs gt; C12-SCCPs；其中，10月和11月中C11-13-SCCPs在颗粒相中所占的百分比均大于气相中所占百分比，C10-SCCPs相比于气相有所降低(见表3)；在氯取代数相同的条件下均以Cl6-8-SCCPs为主，且Cl7-10-SCCPs所占比例相比于气相中所占比例均有所提高(见表3)，SCCPS不同氯取代分布模式10月份为：Cl8-SCCPs gt; Cl7-SCCPs gt; Cl6-SCCPs gt; Cl9-SCCPs gt; Cl5-SCCPs gt; Cl10-SCCPs，11份为：Cl6-SCCPs gt; Cl7-SCCPs gt; Cl8-SCCPs gt; Cl9-SCCPs gt; Cl5-SCCPs gt; Cl10-SCCPs.上述研究结果表明，10月和11月大气颗粒相中均以C10-11Cl6-8-SCCPs和C13Cl6-8-SCCPs为主，高氯取代SCCPs和高碳数SCCPs相比于气相有所提高.这是因为随着碳链长度和氯取代数目的增加，相应的SCCPs组分的液体蒸汽压逐渐降低[17]，蒸汽压低的高分子量物质更易存在于颗粒相中.本研究结果与Wang等[11]报道的北京市大气中SCCPs在颗粒相上以C10-11-SCCPs组分为主相似.

表4 大气颗粒相中SCCPs不同碳含量和氯含量 %

图2为大气颗粒相中SCCPs同系物分布图.从图2 (a) 可知，10月份颗粒相中单体C11Cl8-SCCPs所占比例最高，达到10.3%；其次，是单体C10Cl6-SCCPs、C11Cl7-SCCPs、C13Cl8-SCCPs、C13Cl7-SCCPs，它们所占的比例分别为8.4%、7.7%、7.4%、7.4%.10月份大气颗粒相中以上五种单体贡献较大.从图2 (b) 可知，11月份颗粒相中单体C10Cl6-SCCPs所占比例最高，达到15.7%；其次，是单体C11Cl8-SCCPs、C11Cl7-SCCPs、C10Cl7-SCCPs，它们所占的比例分别为9.1%、8.3%、7.1%.11月大气颗粒相中以上四种单体贡献较大.

(a) 10月份

(b) 11月份

综上所述，虽然10月和11月在季节划分上均属于秋季，但10月和11月采样期间的环境温度等气象条件有所不同，并且大连市是一座北方城市，11月5日起开始采暖，所以可将10月、11月分为非采暖期与采暖期，研究表明10月和11月大连大气气相中贡献率最高及最低单体相同，但其它SCCPs同系物单体贡献率有一定差异，采暖期颗粒相中SCCPs浓度相比于非采暖期有所提高，但变化幅度不大，但颗粒相中SCCPs同系物单体贡献率有一定差异.可见对于秋季不同时间段大气中SCCPs气粒分配行为影响因素除气象条件外，燃煤采暖使空气中TSP产生变化亦可能是影响因素之一.

2.3大气中SCCPs的气/粒相分配特征

SCCPs是一种半挥发性有机化合物，其气/粒相分配行为是它们在大气迁移和转化过程中的一个重要影响因素.控制化合物在大气中的气/粒相分配过程主要因素有：化合物自身性质、颗粒物特性、总悬浮颗粒物的浓度、环境温度以及相对湿度等条件.一般而言，大气中化合物在气/粒相之间的分配比随着化合的饱和蒸汽压，以及单位体积大气中颗粒物表面积的增大而增大.通常可以用化合物在一定温度下的气/粒相分配系数，Kp(m3/μg) 来描述该化合物在气相与颗粒相之间的分配，气/粒相分配系数计算公式为：

(1)

其中，A和F分别为被分析物的在气相和颗粒相中的浓度(ng/m3)，TSP(μg/m3)为空气中总悬浮颗粒物的浓度.

(2)

其中，mr是斜率，br是截距.当化合物气/粒相分配达到平衡状态时mr的值为 -1，但是它并不是分配达到平衡的必要条件，当mrlt;-1时，以颗粒物表面的吸附机理为主；如果mrgt;-0.6，则主要为颗粒物中有机质的吸收机理；当-0.6lt;mrlt;-1时，则吸附与吸收两种机理都有影响[19].

SVOCs的正辛醇-空气分配系数(Koa)亦是研究SVOCs在环境中迁移行为的一个重要理化参数，它能很好的描述SVOCs在空气中的迁移、分配能力，对于评价大气污染尤为重要.Harner和Bidleman等[20]研究了大气中SVOCs的Kp与Koa之间的相关性，它们的相关性方程为：

logKp=alogKoa+b

(3)

其中，a是斜率，b是截距.

图3 logKp与的线性相关性

图4 logKp与logKoa的线性相关性

间均具有较好的线性相关性.表5为相应的回归系数.由表5可知，10月和11月的mr值均大于-0.6，说明对秋季大气中SCCPs的气/粒相分配起主导作用的是颗粒物中的有机质吸收机理.

表5 logKp与及logKoa回归分析参数

3 结论

(1)秋季大连大气中SCCPs主要以气态形式存在.气相中SCCPs浓度10月高于11月，颗粒相中SCCPs浓度11月与10月相差不明显，大气中SCCPs总浓度，10月份为11月份的3.27倍;

(2)秋季大连大气中SCCPs的气/粒相分配系数与其过冷液体蒸汽压和正辛醇-空气分配系数均有较好的线性相关性，对秋季大气中SCCPs的气/粒相分配起主导作用的是颗粒物中的有机质吸收机理，环境温度对其气/粒相分配行为有一定的影响.

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Gas-ParticlePartitioningBehaviorofShort-ChainChlorinatedParaffinsinUrbanAirofDalianAutumn

BAI Hao1，ZHU Xiuhua1, GAO Yuan2, CHEN Jiping2, WANG Longxing2, YUAN Heping2, LI Xiaoxiao3, WANG Wei1, DONG Xuewei1

(1. School of Environmental and Chemical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2. Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China; 3. Dalian Meteorological Observatory, Dalian 116001, China)

The concentration and distribution of SCCPs in gas phase and particle phases in the urban air of Dalian in autumn (October and November) were studied. The gas-particle partitioning coefficients of SCCPs in the air were calculated, the correlation of which with environment temperature, their sub-cooled liquid vapor pressure and octanol-air distribution coefficient were studied. Results indicate that the SCCPs are mainly in gas phase in the urban air of Dalian in autumn. The concentration of the SCCPs in the gas phase in October is higher than that in November. However, the difference of the concentration of the SCCPs in the particulate phase is not obvious between November and October. There are good correlations between the gas-particle partitioning coefficients of SCCPs in the air with their sub-cooled liquid vapor pressure and octanol-air distribution coefficient, and the absorption mechanism by organic compounds in particulates contributed more to the partitioning process. Ambient temperature has certain influence on its gas-particle partitioning behavior.

Dalian; air; short-chain chlorinated paraffin; gas-particle partitioning

1673- 9590(2017)06- 0078- 07

2017-03-27

国家自然科学基金资助项目(21577009)；格平绿色行动——辽宁环境科研‘123工程’资助项目

白皓( 1990- ),女，硕士研究生;

朱秀华( 1965- )，女，教授，博士，主要从事环境化学的研究

E-maildlzhuxiuhua@sina.com.

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