長(zhǎng)沙冬季PM2.5、PM10中金屬元素的濃度及分布特征

黃金秀

（湖南品標(biāo)華測(cè)檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

大氣顆粒物是表征環(huán)境空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)［1］，其主要由含碳物質(zhì)、水溶性無(wú)機(jī)鹽和不溶性礦物質(zhì)組成，且其上能附著各種有毒有害的病原體，當(dāng)其進(jìn)入到人體后，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體健康并引起各種疾?。?］，粒徑越小的顆粒物對(duì)人體的傷害越大［3］，依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095-2012）要求，現(xiàn)階段大氣污染物監(jiān)測(cè)中對(duì)大氣顆粒物主要監(jiān)測(cè)粒徑為PM10和PM2.5，就危害程度而言，PM2.5的危害更大［4］。

顆粒物中金屬元素的質(zhì)量占比雖然不大，但其危害卻遠(yuǎn)大于顆粒物中其它組分，所以探索顆粒物中的金屬元素含量是十分有必要的［5］。本文選取長(zhǎng)沙縣三個(gè)有代表性的區(qū)域進(jìn)行PM10和PM2.5濃度觀測(cè)和成分分析，以求探索顆粒物中各金屬濃度和分布特征，為長(zhǎng)沙縣市民冬季出行提供一定的科學(xué)參考。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 試驗(yàn)藥品

硝酸（優(yōu)級(jí)純）；氫氟酸（優(yōu)級(jí)純）；超純水（實(shí)驗(yàn)室自制）；K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr標(biāo)準(zhǔn)溶液及其它實(shí)驗(yàn)室常規(guī)藥品。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

電子分析天平（上海恒平，AE323型）；超聲波（深圳萬(wàn)德盛，XWDS-1018型）；環(huán)境顆粒物測(cè)塵儀（美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司，SHARP 5030型）；超級(jí)純水機(jī)（南京易普易達(dá)科技發(fā)展有限公司，EPED-E2-20TH型）；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（安捷倫，ICP-MS7500ce）。

移液管、玻璃棒、容量瓶，燒杯、量筒、膠頭滴管等常規(guī)實(shí)驗(yàn)室玻璃儀器。

2 試驗(yàn)方法

2.1 采樣方法

選取長(zhǎng)沙縣某商業(yè)區(qū)、居住區(qū)和對(duì)照區(qū)3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域選擇1個(gè)居?。ɑ蜣k公）場(chǎng)所的室內(nèi)和1個(gè)人少的室外共計(jì)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果取2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值。

從12月1日～30日，連續(xù)監(jiān)測(cè)30 d，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM2.5進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為24 h，獲得的樣品在4 h內(nèi)進(jìn)行處理和分析。

2.2 消解方法

塑料鑷子輕輕夾住石英濾膜，于電子天平上稱量其質(zhì)量，用陶瓷剪刀把石英濾膜剪成8等份，稱量任意一份質(zhì)量。然后用陶瓷剪刀把這份石英濾膜剪成小塊于清潔的10 mL離心管中（注意不要污染樣品），加入10 mL 5%硝酸，70℃超聲3 h，空白石英濾膜的處理和樣品處理一致。取出，冷卻，用一次性注射器和0.45μm的水相針式過(guò)濾器過(guò)濾，待測(cè)。

2.3 測(cè)試方法

金屬元素的濃度測(cè)定方法：將消解定容后的待測(cè)液于電感耦合等離子體質(zhì)譜儀中測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試3次，取平均值作為最終值。PM2.5的測(cè)定：重量法（HJ 618-2011）。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣中PM2.5的月變化率

對(duì)各區(qū)域空氣中PM2.5進(jìn)行采樣檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 PM2.5物日均濃度變化

由圖1可知，空氣中PM2.5濃度總體呈現(xiàn)商業(yè)區(qū)＞居住區(qū)＞對(duì)照區(qū)的趨勢(shì)，其中商業(yè)區(qū)、居住區(qū)、對(duì)照區(qū)PM2.5濃度達(dá)到空氣中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)分別為12 d、13 d、19 d，達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)分別為27 d、29 d、30 d，商業(yè)區(qū)在20日PM2.5濃度達(dá)到最高，達(dá)97 μg／m3，居住區(qū)PM2.5濃度最高為87μg／m3，且最高值出現(xiàn)的日期與商業(yè)區(qū)相同，對(duì)照區(qū)PM2.5濃度最高為63μg／m3。

3.2 空氣中PM10的月變化率

對(duì)各區(qū)域空氣中PM10進(jìn)行采樣檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 PM10物日均濃度變化

由圖2可知，空氣中PM10濃度總體呈現(xiàn)與PM2.5相同的趨勢(shì)，商業(yè)區(qū)＞居住區(qū)＞對(duì)照區(qū)的趨勢(shì)，其中商業(yè)區(qū)、居住區(qū)、對(duì)照區(qū)PM10濃度達(dá)到空氣中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)分別為9 d、17 d、28 d，達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)分別為29 d、30 d、30 d，商業(yè)區(qū)在22日PM10濃度達(dá)到最高，達(dá)160μg／m3，與二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)150μg／m3較為接近，居住區(qū)16日PM10濃度最高為94μg／m3，對(duì)照區(qū)14日PM10濃度最高為62μg／m3，與一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)50μg／m3較為接近。

對(duì)比同一個(gè)區(qū)域PM10濃度與PM2.5濃度的變化發(fā)現(xiàn)，商業(yè)區(qū)和居住區(qū)的兩者并未有發(fā)現(xiàn)兩個(gè)呈現(xiàn)明顯相同的變化趨勢(shì)，對(duì)照區(qū)PM10濃度與PM2.5濃度的變化趨勢(shì)有一定的相似，說(shuō)明對(duì)照區(qū)PM10濃度與PM2.5濃度的影響源大體相同。

3.3 金屬元素的加標(biāo)回收率試驗(yàn)

對(duì)K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 金屬元素加標(biāo)回收率 %

由表1可知，各元素的加標(biāo)回收率在85.2%～102%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.19%～8.39%，符合測(cè)試要求。

3.4 PM2.5中金屬元素的濃度分析

對(duì)各區(qū)域空氣中PM2.5進(jìn)行采樣檢測(cè)，分析PM2.5中K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素的月平均值，結(jié)果見表2。

表2 PM2.5中化學(xué)組分質(zhì)量濃度 μg／m3

對(duì)以上13中金屬元素在3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)PM2.5中的含量進(jìn)行分析，各元素在3個(gè)區(qū)PM2.5中的含量雖然存在一定差異，但質(zhì)量濃度前五的元素相同，為Na、Ca、K、Al和Mg，其中含量最高的重金屬元素為Cu和Mn，在商業(yè)區(qū)分別達(dá)到0.138μg／m3和0.187μg／m3，居民區(qū)分別達(dá)到0.087μg／m3和0.192μg／m3，對(duì)照區(qū)分別達(dá)到0.053μg／m3和0.164μg／m3。

對(duì)單個(gè)元素在不同區(qū)域PM2.5中含量進(jìn)行比較，除少數(shù)幾個(gè)元素外，如Mn、Ca等，總體呈現(xiàn)商業(yè)區(qū)＞居住區(qū)＞對(duì)照區(qū)的趨勢(shì)，且對(duì)照區(qū)PM2.5中，As的含量處于電感耦合等離子體質(zhì)譜儀檢出限以下。

3.5 PM10中金屬元素的濃度分析

對(duì)各區(qū)域空氣中PM10進(jìn)行采樣檢測(cè)，分析PM10中K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素的月平均值，結(jié)果見表3。

表3 PM10中化學(xué)組分質(zhì)量濃度 μg／m3

對(duì)3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)PM10中的金屬元素含量進(jìn)行分析，質(zhì)量濃度前5的元素為：Na、Ca、Fe、Al和Mg，其中含量最高的重金屬元素為Cu和Zn，在商業(yè)區(qū)分別達(dá)到1.34μg／m3和1.23μg／m3，居民區(qū)分別達(dá)到0.974μg／m3和1.01μg／m3，對(duì)照區(qū)分別達(dá)到0.532μg／m3和0.568μg／m3。對(duì)單個(gè)元素在不同區(qū)域PM10中含量進(jìn)行比較，除少數(shù)幾個(gè)元素外，如Mn、Ca等，總體呈現(xiàn)商業(yè)區(qū)＞居住區(qū)＞對(duì)照區(qū)的趨勢(shì)。

對(duì)比PM2.5、PM10中的各金屬元素含量，在相同區(qū)域，PM2.5、PM10中的各金屬元素含量大小排序基本相同，含量最高的5種元素中，相同的有4種，而重金屬元素中，Cu的含量都較高，而含量最低的重金屬則都為As。這從一個(gè)方面顯示，PM2.5、PM10中的各金屬元素的貢獻(xiàn)源基本相同。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)商業(yè)區(qū)、居住區(qū)、對(duì)照區(qū)三個(gè)區(qū)域的PM2.5、PM10濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，空氣中PM10、PM2.5濃度總體呈現(xiàn)商業(yè)區(qū)＞居住區(qū)＞對(duì)照區(qū)的趨勢(shì)，商業(yè)區(qū)和居住區(qū)的PM10濃度與PM2.5濃度變化趨勢(shì)不同，對(duì)照區(qū)PM10濃度與PM2.5濃度的變化趨勢(shì)有一定的相似，說(shuō)明對(duì)照區(qū)PM10濃度與PM2.5濃度的影響源大體相同。

K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn)，各元素的加標(biāo)回收率在85.2%～102%之間，符合測(cè)試要求。

對(duì)PM2.5、PM10的各元素貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析，PM2.5中貢獻(xiàn)率最大的5類金屬元素為Na、Ca、K、Al和Mg，重金屬中貢獻(xiàn)率最大的為Cu和Mn；PM10中為Na、Ca、Fe、Al和Mg，重金屬中貢獻(xiàn)率最大的為Cu和Zn，PM2.5、PM10中含量最低的重金屬元素都為As。