乌鲁木齐市夏季大气PM10、PM2.5中重金属的分布特征

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  摘要:利用PM2.5、PM10、TSP便携式采样器、TAS-990石墨炉原子吸收光谱仪,采集了乌鲁木齐市5个功能区大气PM10、PM2.5样品,并检测了PM10、PM2.5样品中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Mn 6种元素的含量。结果表明:PM10质量浓度除卡子湾水泥厂区采样期间全部超标外,其他地点均低于国家二级标准;PM2.5质量浓度与美国日均值标准相比,卡子湾水泥厂区采样期间全部超标,安宁渠良种场超标天数为20%,友好路超标天数为60%,其他地点均低于标准。富集因子法分析结果显示:乌鲁木齐市5个采样区夏季大气PM10、PM2.5中Cr、Ni、Cu、Cd、Pb 5种重金属污染主要来自于人类活动,Mn则来源于地壳物质。
  关键词:PM10;PM2.5;重金属;乌鲁木齐
  中图分类号:X513文献标识码:A文章编号:1006-6500(2009)02-0037-05
  
  Characteristic of Heavy Metal Distribution in PM10 and PM2.5from Atmospheric Samples in Urumqi in Summer
  SUN Long-ren1,ZHENG Chun-xia1,WANG Wen-quan1,NIU Ling2
  (1.College of Pratacultural and Environmental Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China;2.Laboratory of Xinjiang General Team,China Construction Materials and Geological Prospecting Centre,Urumqi830002,China)
  Abstract:Atmospheric PM10 and PM2.5 samples from five function areas of Urumqi were collected with portable sampler for PM2.5/PM10/TSP and TAS-990 Graphite Furnace AAS, and the content of Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, and Mn in PM2.5 and PM10 were analyzed. The result indicated that during the sampling period, mass concentrations of PM10 were lower than national standard level-II except in Kaziwan Bay Cement Works area; compared with American daily mean value standard, mass concentration of PM2.5 in Kaziwan Bay Cement Works area exceeded the allowed figure completely during the whole sampling period, Anningqu Breeding Farm exceeded the allowed figure by 20% of sampling days, Youhao Road exceeded the allowed figure by 60% of sampling days, and in the other places were lower than the allowed figure. The analysis result with enrichment factor method showed that the atmospheric pollution of heavy metals Cr, Ni, Cu, Cd and Pb in PM10 and PM2.5 from those five sampling areas in Urumqi in summer came mainly from anthropic activities and Mn originated from earth crust.
  Key words: PM10;PM2.5;heavy metal;Urumqi
  
  空气中的悬浮颗粒物通常分为总悬浮颗粒物(TSP)和可吸入颗粒物(PM10和PM2.5)。可吸入颗粒物(PM10)是大气中空气动力学直径小于或等于10 μm的颗粒物。大气细颗粒物(空气动力学当量直径≤2.5 μm的颗粒物,简称PM2.5)是一种化学成分极为复杂的复合污染物,由来自不同人为污染源或自然污染源的大量不同化学成分组成。工业污染源、机动车尾气、道路及建筑物施工扬尘、固体废弃物焚烧等都可向大气中排放PM2.5
  可吸入颗粒物(PM10)在环境空气中持续的时间很长,对人体健康和大气能见度影响都很大,被人吸入后,会累积在呼吸系统中,引发许多疾病。特别是细粒子(PM2.5), 它在PM10中所占的质量百分比范围为50%~75%[1],可以携带重金属、硫酸盐、有机物、病毒等直接进入呼吸道和肺部[2],由于可直接深入到细支气管和肺泡,能引发心脏病、肺病、呼吸道疾病,降低肺功能等。因此,对于老人、儿童和已患心肺病者等敏感人群,风险是较大的。研究揭示:由呼吸道疾病、心血管病、肺癌造成的死亡与细颗粒物污染有关。
  乌鲁木齐市是中国乃至世界上空气污染最严重的城市之一,可吸入颗粒物又是乌鲁木齐市最为严重的大气污染物。过去几年,政府采取了一系列污染治理措施,但是到后期TSP浓度变化不明显。到目前为止,关于乌鲁木齐市大气颗粒物中可吸入颗粒物(PM10)的污染特征和源解析研究较少,而对于与人体健康和大气能见度密切相关的细粒子(PM2.5)的研究则更少。
  为此,我们于2007年夏季对新疆乌鲁木齐市的安宁渠良种场、卡子湾水泥厂区、九家湾外环路、新疆农业大学生活区、友好路等5个功能区进行了大气PM10、PM2.5的采样,分析PM10、PM2.5的质量浓度和其中的Pb、Cu、Cr、Ni、Mn、Cd 6种重金属的含量,以期为制定科学的大气污染控制政策提供依据。
  
  1材料和方法
  
  1.1试验仪器及主要试剂
  仪器:MiniVol PM2.5、PM10、TSP便携式采样器(北京桑翌科技发展有限公司),Teflon滤膜(直径47 mm,孔径0.45 μm)(天津津腾实验设备有限公司),CP225D十万分之一精密微量电子天平(德国赛多利斯公司),TAS-990石墨炉原子吸收装置(北京普析通用仪器有限责任公司),聚四氟乙烯消化罐,电热板等。
  试剂:硝酸、高氯酸、氢氟酸(均为优级纯)、无离子水等。
  1.2采样地点
  根据现场调查,各功能区的采样点的地理位置和特点见表1。
  1.3采样方法
  2007年7月24日—8月17日在上述5个地点用MiniVol PM2.5、PM10、TSP便携式采样器采集样品,PM2.5、PM10的采样流量均为5 L/min,Teflon滤膜。每个地点获得PM10和PM2.5样品各10个。每天采样12 h,时间段为10:00—22:00(下雨天气除外)。
  采样期间乌鲁木齐市空气质量较好,空气质量状况为8 d优(即污染指数为1级)和17 d良好(即污染指数为2级),无轻度(即污染指数为3级)及其以上污染。
  1.4PM10、PM2.5质量浓度及重金属含量测定
  采用重量法测定PM2.5、PM10的质量浓度[3]。样品的称量使用CP225D十万分之一精密微量电子天平(德国赛多利斯公司)。
  用TAS-990石墨炉原子吸收光谱仪分析Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Mn 6种重金属元素的含量。将称量后的Teflon滤膜剪碎,置于聚四氟乙烯消化罐内,加入10 mL的硝酸和5 mL的高氯酸,加盖,在可控温加热板上加热消化4~5 h,冷却至室温;再加3 mL的氢氟酸,打开盖继续加热消化,直到蒸至近干,冷却到室温后,加入无离子水定容至50 mL,待上机分析。各元素的分析参数见表2。
  
  2结果与分析
  
  2.1大气PM10、PM2.5质量浓度分析
  PM10、PM2.5的质量浓度见表3、图1和图2。从图1可以看出,PM10质量浓度平均值最高是卡子湾水泥厂区,最低是新疆农业大学生活区。根据我国GB 3095-1996环境空气质量标准规定,日平均浓度限值二级标准为150 μg/m3,除卡子湾水泥厂区采样期间全部超标外,其他地点均低于国家二级标准。
  从图2可以看出,PM2.5质量浓度平均值最高是卡子湾水泥厂区,最低是新疆农大生活区。与美国日均值标准(65 μg/m3)相比,卡子湾水泥厂区采样期间全部超标,安宁渠良种场超标天数为20%,友好路超标天数为60%,其他地点均低于标准。
  
  2.2PM10、PM2.5中重金属含量分析
  为了解乌鲁木齐市大气PM10、PM2.5中重金属含量的总体水平,对上述5个功能区的PM10、PM2.5样品进行了Pb、Cu、Cd、Cr、Ni、Mn等重金属含量分析,结果见表4。
  从表4可以看出,PM10中重金属的含量状况为:安宁渠良种厂是Pb、Cr质量浓度平均值最大的地区,新疆农大生活区是Cu、Ni质量浓度平均值最大的地区,友好路是Cd质量浓度平均值最大的地区,卡子湾水泥厂是Mn质量浓度平均值最大的地区;PM2.5中的重金属含量为:安宁渠良种厂是Pb、Cu质量浓度最大的地区,卡子湾水泥厂是Cd质量浓度最大的地区,九家湾外环路是Cr的质量浓度最大的地区,友好路是Ni、Mn质量浓度最大的地区。
  近年来,尽管含铅汽油被禁止使用,但汽车尾气仍然是大气中Pb含量的来源之一,而煤燃烧产生的工业废气也已成为大气Pb污染的重要来源[7],这是导致乌鲁木齐市部分地区Pb含量较高的原因。安宁渠良种场虽然是农业区,但周边也有一些小工厂、小作坊,这造成了该地区夏季Pb较其他地区高。另外,燃煤是大气中Cd的重要来源,某些汽车轮胎和润滑油中的Cd也是大气中Cd的重要来源,这是卡子湾水泥厂和友好路Cd含量较高的原因。
  乌鲁木齐市区三面环山,不利于空气流通,污染物不易扩散,加之工业企业以煤作为主要能源,这些自然和人为的因素,是造成大气中重金属污染的主要原因。
  
  2.3重金属富集程度分析
  富集因子法是一种双重归一化的方法。选择一种相对稳定的元素R作参比元素,将大气颗粒物中待考查元素i与参比元素R的相对浓度(Xi/XR)气溶胶和地壳中相对元素i和R的平均丰度比的相对浓度(Xi/XR)地壳求得富集因子(EF),如下式:
  EF=(Xi/XR)气溶胶/(Xi/XR)地壳
  其中,本文取Fe作为参比元素,这几种重金属取乌鲁木齐市土壤背景平均值,它们分别为Pb 19.40、Cu 26.70、Cd 0.10、Cr 47.40、Ni 28.95、Mn 688.00 mg/kg,Fe3.60(百分数)[4-6]为中国土壤背景平均值。
  某元素的富集因子值小于10,则可以认为相对于地壳(或表土)来源没有富集,它们主要是土壤或岩石风化的尘土刮入大气中造成的;如果(EF)值大于10很多,如几十到几万,则可认为该元素被富集了,它不仅是地壳物质的贡献,也可能与人类各种活动的不同贡献有关[7]。
  由表5可知,乌鲁木齐市夏季大气PM10、PM2.5中除Mn外,其余Cr、Ni、Cu、Cd、Pb等5种重金属富集因子较高,其中Pb最大富集系数为20.8(安宁渠良种场PM2.5)、Cu为59.7(安宁渠良种场PM2.5)、Cd为265.9(卡子湾水泥厂区PM2.5)、Cr为158.0(友好路PM2.5)、Ni为368.1(友好路PM2.5)、Mn为1.4(友好路PM2.5)。PM2.5比PM10更易于重金属元素的富集。结果表明,Cr、Ni这2种重金属主要与人类活动有关,Cu、Cd、Pb等3种重金属的污染来源主要是人类活动,但亦有来自地壳物质(如土壤扬尘),Mn则来自于地壳物质。
  
  3结 论
  
  (1)除卡子湾水泥厂区采样期间PM10质量浓度的平均值全部超标外,其他地点均低于国家二级标准。与美国日均值标准相比,卡子湾水泥厂区采样期间PM2.5质量浓度平均值全部超标,安宁渠良种场超标天数为20%,友好路超标天数为60%,其他地点均低于标准。
  
  (2)PM10中重金属的含量为:安宁渠良种厂是Pb、Cr质量浓度平均值最大的地区,新疆农大生活区是Cu、Ni质量浓度平均值最大的地区,友好路是Cd质量浓度平均值最大的地区,卡子湾水泥厂是Mn质量浓度平均值最大的地区。PM2.5中重金属的含量为:安宁渠良种厂是Pb、Cu质量浓度最大的地区,卡子湾水泥厂是Cd质量浓度最大的地区,九家湾外环路是Cr的质量浓度最大的地区,友好路是Ni、Mn质量浓度最大的地区。
  (3)乌鲁木齐5个采样区大气PM10、PM2.5中重金属Cr、Ni的富集系数全部大于10;Cu、Cd、Pb等3种重金属的富集系数绝大多数大于10;Mn的富集系数全部低于10。证明乌鲁木齐市的重金属污染主要来自于人类活动。
  
  参考文献:
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