浅析郑州市近地层不同高度大气气溶胶中元素组
发布时间：2015-07-07 11:46
摘要对郑州市5个点位pm10中各元素的质量浓度进行分析发现，as、ba、na、se、sn、sr、zn等元素的浓度随高度的升高而升高，al、ca、co、cr、cu、fe、k、mg、pb、ti、v等元素浓度不随高度而变化，co、ni等元素浓度呈无规则变化。用富集因子法研究了元素对环境的影响表明，as、cd、cu、mo、pb、sn在当地富集较多，k、na、ca、mg富集较少。
关键词气溶胶；pm10；元素；富集因子
verticaldistributingofchemicalelementsinaerosolaneargroundlayerofzhengzhoucityandtheanalysisofenrichmentfactor
li shuli yan-liluo qiang
（henan research institute of environmental protection，zhengzhou henan 450004）
abstractthe mas concentration of chemical elements in pm10 from 5 sites were was found that the concentration of as，ba，na，se，sn，sr and zn etc. were increased with the increasing of the height；the concentration of al，ca，co，cr，cu，fe，k，mg，pb，ti and v ’t change with the height；the concentration of co and ni ’t show changes in influence of chemical element on environmental was studied by method of enrichment indicated that as，cd，cu，mo，pb and sn had more enrichments in the local，with less enrichments of k，na，ca and mg.
key wordsaerosol；pm10；chemical element；enrichment factor
大气气溶胶中的各种化学成分及其不同高度的变化是当今世界大气污染气象学研究和气候变化研究的一项重要内容。大气中的微粒已经成为危害人类健康生存、影响大气环境的主要污染物[1]。世界上一些国家的环境科学家、气象科学家对一些城市大气气溶胶中的tsp、pm10和pm2.5的化学成分进行采样分析，并进行污染因子分析。虽有学者报道过河南省主要城市大气中tsp和pm10的污染特性[2]，但对我国中部城市气溶胶微粒的物相组成及其性质分析却很少报道[3]，对近地层中不同高度的污染物采样、化学元素和物相结构的报道则更少。基于大气环境研究的目的，在采集郑州市5个区域大气近地层1.5、60.0 m 2个高度气溶胶tsp的基础上，对其中的化学元素进行分析，并找出一些分布规律，同时运用富集因子法研究各种元素对环境的影响。
1试验方法
1.1采样
2005年8—10月在郑州市某区域边界层高度为1.5、60.0 m的大气气溶胶中，用武汉天虹sp-1000c型采样器对气溶胶中的tsp进行采集（每次采时72 h，流量1.05 m3/min。8、9、10月采样的平均温度分别为27.7、25.5、22.3 ℃；平均大气压分别为101.5、100.1、100.9 kpa）。
1.2样品分析
用美国thermo elemental的iri-advantage icp-aes光谱仪分析tsp中的ag、al、ba、be、ca、cd、co、cr、cu、fe、k、mg、mn、mo、na、ni、pb、sb、sn、sr、ti、tl、zn等23种元素。用北京海光分析仪器公司的afs-3000型双道原子荧光光度计分析as、se等元素，用上海分析仪器厂的721分光光度仪测定so2和nox；用丹东奥龙射线公司的y-2000x射线衍射仪测定tsp样品中的物相组成。
2结果与分析
2.1大气气溶胶的化学成分
大气气溶胶的化学元素，可分为自然源的地壳元素和人为源的污染元素。由于各地工业、能源、生活状况不同，时间和季节、经济发展速度和管理水平不同，世界各地大气边界层气溶胶中污染元素有很大差异。据各国气象部门和环境监测部门采集的大气气溶胶样品分析结果得知[4]，气溶胶中含有si、al、fe、ca、mg、ba、be、sr、s、p、na、k、cu、zn、cd、ni、co、cl、f、br、nh4+、no3-、so42-、co32-、so2、no2、o3等元素、离子和分子。
2.2不同点位化学元素的分布
在郑州市东、西、南、北、中5个点位采集样品，每个采样点都处于当地的生活区，避开了工业污染源，具有一定代表性。5个采样点样品测定的元素数据见表1。
由表1可知，剔除个别可信度较低的异常数据后，得出各元素随高度变化趋势：①as、ba、na、se、sn、sr、zn等微量元素浓度随高度的升高而升高。分析各元素的来源，as、na、zn等元素主要来自矿石燃料的燃烧，随着飞灰扩散到大气中。由于颗粒较细且排放口较高，可被运输到较远的地方并容易在空气停留，因而会出现高处浓度高于地面的情况[5]。②al、ca、co、cr、cu、fe、k、mg、pb、ti、v的浓度基本不随高度变化。pb、sb、cr等元素一般来源于汽车尾气等近地面源，排放口低，不容易远距离扩散。并且受到近地层湍流的影响，故而在一定高度内均匀分布。al、ca、fe、k、mg等地壳元素是土壤扬尘主要成分，一般均匀分布在气溶胶中，在高、低处并无显著区别[6-8]。③cd和ni浓度呈无规则变化。cd、ni等元素一般来自特定的排放源，受排放源位置影响较大，由于此次没有对此进行源解析，其分布规律有待进一步研究。
2.3富集因子分析
应用富集因子研究大气气溶胶中元素的富集程度，进行大气污染状况的分析，判断自然与人为的污染来源及其对污染的贡献比率等问题，已成为普遍使用的方法。其计算公式如下：
efi=（xi /xr）环境/（xi /xr）背景
式中：efi为所研究金属i的富集因子（r为来源参比金属），（xi /xr）环境为气溶胶中金属i、r的浓度比，（xi /xr）背景为来源物质中金属i、r的丰度比。
关键词气溶胶；pm10；元素；富集因子
verticaldistributingofchemicalelementsinaerosolaneargroundlayerofzhengzhoucityandtheanalysisofenrichmentfactor
li shuli yan-liluo qiang
（henan research institute of environmental protection，zhengzhou henan 450004）
abstractthe mas concentration of chemical elements in pm10 from 5 sites were was found that the concentration of as，ba，na，se，sn，sr and zn etc. were increased with the increasing of the height；the concentration of al，ca，co，cr，cu，fe，k，mg，pb，ti and v ’t change with the height；the concentration of co and ni ’t show changes in influence of chemical element on environmental was studied by method of enrichment indicated that as，cd，cu，mo，pb and sn had more enrichments in the local，with less enrichments of k，na，ca and mg.
key wordsaerosol；pm10；chemical element；enrichment factor
大气气溶胶中的各种化学成分及其不同高度的变化是当今世界大气污染气象学研究和气候变化研究的一项重要内容。大气中的微粒已经成为危害人类健康生存、影响大气环境的主要污染物[1]。世界上一些国家的环境科学家、气象科学家对一些城市大气气溶胶中的tsp、pm10和pm2.5的化学成分进行采样分析，并进行污染因子分析。虽有学者报道过河南省主要城市大气中tsp和pm10的污染特性[2]，但对我国中部城市气溶胶微粒的物相组成及其性质分析却很少报道[3]，对近地层中不同高度的污染物采样、化学元素和物相结构的报道则更少。基于大气环境研究的目的，在采集郑州市5个区域大气近地层1.5、60.0 m 2个高度气溶胶tsp的基础上，对其中的化学元素进行分析，并找出一些分布规律，同时运用富集因子法研究各种元素对环境的影响。
1试验方法
1.1采样
2005年8—10月在郑州市某区域边界层高度为1.5、60.0 m的大气气溶胶中，用武汉天虹sp-1000c型采样器对气溶胶中的tsp进行采集（每次采时72 h，流量1.05 m3/min。8、9、10月采样的平均温度分别为27.7、25.5、22.3 ℃；平均大气压分别为101.5、100.1、100.9 kpa）。
1.2样品分析
用美国thermo elemental的iri-advantage icp-aes光谱仪分析tsp中的ag、al、ba、be、ca、cd、co、cr、cu、fe、k、mg、mn、mo、na、ni、pb、sb、sn、sr、ti、tl、zn等23种元素。用北京海光分析仪器公司的afs-3000型双道原子荧光光度计分析as、se等元素，用上海分析仪器厂的721分光光度仪测定so2和nox；用丹东奥龙射线公司的y-2000x射线衍射仪测定tsp样品中的物相组成。
2结果与分析
2.1大气气溶胶的化学成分
大气气溶胶的化学元素，可分为自然源的地壳元素和人为源的污染元素。由于各地工业、能源、生活状况不同，时间和季节、经济发展速度和管理水平不同，世界各地大气边界层气溶胶中污染元素有很大差异。据各国气象部门和环境监测部门采集的大气气溶胶样品分析结果得知[4]，气溶胶中含有si、al、fe、ca、mg、ba、be、sr、s、p、na、k、cu、zn、cd、ni、co、cl、f、br、nh4+、no3-、so42-、co32-、so2、no2、o3等元素、离子和分子。
2.2不同点位化学元素的分布
在郑州市东、西、南、北、中5个点位采集样品，每个采样点都处于当地的生活区，避开了工业污染源，具有一定代表性。5个采样点样品测定的元素数据见表1。
由表1可知，剔除个别可信度较低的异常数据后，得出各元素随高度变化趋势：①as、ba、na、se、sn、sr、zn等微量元素浓度随高度的升高而升高。分析各元素的来源，as、na、zn等元素主要来自矿石燃料的燃烧，随着飞灰扩散到大气中。由于颗粒较细且排放口较高，可被运输到较远的地方并容易在空气停留，因而会出现高处浓度高于地面的情况[5]。②al、ca、co、cr、cu、fe、k、mg、pb、ti、v的浓度基本不随高度变化。pb、sb、cr等元素一般来源于汽车尾气等近地面源，排放口低，不容易远距离扩散。并且受到近地层湍流的影响，故而在一定高度内均匀分布。al、ca、fe、k、mg等地壳元素是土壤扬尘主要成分，一般均匀分布在气溶胶中，在高、低处并无显著区别[6-8]。③cd和ni浓度呈无规则变化。cd、ni等元素一般来自特定的排放源，受排放源位置影响较大，由于此次没有对此进行源解析，其分布规律有待进一步研究。
2.3富集因子分析
应用富集因子研究大气气溶胶中元素的富集程度，进行大气污染状况的分析，判断自然与人为的污染来源及其对污染的贡献比率等问题，已成为普遍使用的方法。其计算公式如下：
efi=（xi /xr）环境/（xi /xr）背景
式中：efi为所研究金属i的富集因子（r为来源参比金属），（xi /xr）环境为气溶胶中金属i、r的浓度比，（xi /xr）背景为来源物质中金属i、r的丰度比。