泰山云霧水中多環芳烴的特征與來源分析

李彭輝,王 艷*,李玉華,王德眾,劉恒德,王文興 (.山東大學環境科學與工程學院,山東 濟南 5000；.山東省泰山氣象站,山東 泰安 7000；.山東大學環境研究院,山東 濟南 5000)

泰山云霧水中多環芳烴的特征與來源分析

李彭輝1,王 艷1*,李玉華1,王德眾2,劉恒德2,王文興3(1.山東大學環境科學與工程學院,山東 濟南 250100；2.山東省泰山氣象站,山東 泰安 271000；3.山東大學環境研究院,山東 濟南 250100)

于2008年10月18日～11月26日在泰山采集云霧水樣品,分析了泰山云霧水中PAHs的含量特征及其與氣象條件和pH值、電導的相互關系.結果表明,泰山云霧水中菲含量最多,芴和苊的含量次之;云霧水樣品中PAHs濃度與氣溫有很好的相關性.應用特征分子比值法和因子分析法對云霧水中PAHs的來源進行解析,得出泰山云霧水中PAHs的主要來源為煤炭燃燒源,石油源的貢獻相對較小.

泰山；云霧水；多環芳烴；來源分析

多環芳烴(PAHs)主要源于人類活動引起的化石燃料和有機質的燃燒[1-2],具有致畸、致癌和致突變的“三致”的特性,許多學者在不同的領域對PAHs進行研究[3-5],美國環境保護局將其中16種列為優先控制污染物.近年來,我國PAHs的污染有加重的趨勢.各城市加大了對 PAHs的監測和研究力度[6-7].雖然我國在研究PAHs的沉降上取得了一些成果,但對于高山沉降 PAHs的研究尚未見報道.

云霧水在大氣的化學遷移沉降中起著重要的作用,對大氣中的顆粒和氣體污染物都有明顯的清除作用;而泰山是華北地區最高的山,受局地的影響較小,能夠更好的反映大氣中的 PAHs的含量與遷移特征.本研究分析了泰山秋、冬季節云霧水中PAHs的沉降特征,及其與pH值、電導的相互關系.

1 材料與方法

1.1 采樣點及采樣時間

泰山是華北平原最高的山峰,受局地污染源影響較小.采樣點位于泰山海拔1545m處的氣象站模擬場內(E117°06′、N36°16′),觀測場內除部分氣象觀測設備外沒有高大的障礙物,不會對采樣產生影響.本次采樣時間為2008年10月18日～11月26日.

1.2 樣品的采集與處理

云霧水樣品的采集采用CASCC型云霧水采樣器(美國科羅拉多大學研制),采樣時間通常為1h,但根據采樣量的需要可適當增加或減少.樣品采集后經過0.45μm的玻璃纖維濾膜過濾去除顆粒物質,液相保存在特氟綸瓶中,在 4℃下密閉保存待測.特氟綸瓶采樣前先后用自來水、去離子水、超純水清洗5遍,60℃烘干,密閉保存.過濾使用的玻璃纖維濾膜,在使用前經馬弗爐燒制,后經超純水浸泡,干燥后用鋁箔紙包好,放入密封的鋁箔袋中待用.

1.3 樣品分析

采集到的云霧水樣品用裝有C18柱(Supelco)的固相萃取裝置(SPE)萃取.萃取前C18柱先后用乙酸乙酯、甲醇和去離子水活化.萃取完畢后,用正己烷和丙酮的1:1溶液對吸附的PAHs進行洗脫,洗脫液先用旋轉蒸發儀在溫和條件蒸發,后經溫和的氮吹濃縮至1mL.提取的云霧水樣品使用氣相色譜-質譜聯用裝置(Shimadzu GCMS-2010 plus)測定PAHs濃度.測定的PAHs種類包括:苊(en),苊烯(ency),芴(Flu) ,菲(PhA),蒽(AnT),熒蒽(FluA),芘(Pyr),苯并(a)蒽(BaA),(Chr),苯并(b)熒蒽(BbF),苯并(k)熒蒽(BkF),苯并(a)芘(BaP),茚并(1,2,3-cd)芘(Ind),二苯并(a,h)蒽(DbA),苯并(ghi)苝(BP).在樣品分析中,同時進行方法空白和實驗過程空白的分析.苝做內標,PAHs的回收率在 70%～120%.采樣期間氣象參數由泰山氣象站提供.

2 結果與討論

2.1 云霧水中PAHs含量

在觀測期間,共發生3場云霧事件(分別為10月18日,10月21日和11月14日),共采集到15個云霧水樣品.由表1可見,在云霧水樣品中,總的PAHs的含量為302.64ng/L.菲是含量最多的化合物,平均濃度為 79.81ng/L,芴和苊的含量次之,濃度分別為41.64,27.83ng/L.輕組分的PAHs(2～3環)在云霧水樣品中含量較多,占據總 PAHs的61.71%.6種潛在致癌PAHs(苯并[a]蒽,苯并[b]熒蒽,苯并[k]熒蒽,苯并[a]芘,茚并[1,2,3-cd]芘,二苯并[a,h]蒽)中,除苯并[b]熒蒽含量較高(23.30ng/L),其他5種化合物的含量較低.

研究[8-9]表明:云霧水的氣流來源區域不同可能會有不同的污染特征;受來自高排放地區氣流影響的云霧水往往具有較高的污染物含量.應用 72h后推氣流軌跡對云霧水的氣流來向進行分析[10].結果顯示,在本次觀測期間,發生的云霧水事件有著相似的氣流來源:受來自于韓國半島或日本地區的氣流影響,而分析數據顯示,采集到的云霧水樣品中,PAHs的含量有著相似的比例分布(圖 1).在先前的雨水樣品的研究中[11-12], PAHs傾向于在開始階段有較高的沉積濃度,而隨著降雨時間的延長,PAHs的濃度明顯降低.在本研究中,云霧水中的 PAHs呈現出比較平穩的沉積特征;而在政府供暖開始后發生的云霧事件(11月14日),PAHs的濃度含量最高,這可能與燃料的排放增加有關.

表1 泰山云霧水中PAHs的含量(ng/L)Table 1 Mean and the range of PAH concentrations in the cloud/fog water samples at Taishan Mount (ng/L)

2.2 PAHs濃度與氣象參數的相關性分析

一些氣象參數,包括氣壓,氣溫等都可能對PAHs沉積濃度產生影響[13-14].采樣期間氣溫、氣壓變化范圍分別為 1.23～10.9℃,8457～8525Pa.對氣溫、氣壓與 PAHs濃度的相關性進行分析(表2),結果表明,云霧水中的 PAHs濃度與溫度呈較好的負相關聯系,而與氣壓沒有表現出相關性.這說明,在寒冷的條件下,增加的燃料消耗引起大氣中PAHs的濃度增加;而氣壓對云霧水中PAHs濃度含量影響不大.苊烯、苯并(b)熒蒽、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘與云霧水的 pH值有較好的負相關聯系,說明這些化合物更容易溶解于較酸的云霧水中;苊烯、蒽、芘、苯并(a)蒽、苯并(a)芘與云霧水的電導有較好的正相關性.但是從PAHs的總濃度來看, pH值和電導與云霧水中PAHs沒有表現出明顯的相關性.

圖1 3場云霧中15個云霧水樣PAHs的濃度變化Fig.1 Volume weighted mean of PAH concentrations of 15 samples in three cloud/fog events

2.3 PAHs的來源分析

2.3.1 特征分子比值法 特征 PAHs個體的濃度及其比值能夠指示出 PAHs的來源.應用常用的特征比值分析云霧水中 PAHs的來源[15-17],包括菲

/(菲+蒽),熒蒽/(熒蒽+芘)和茚并(1,2,3-cd)芘/ (茚并[1,2,3-cd]芘+苯并[ghi]苝).由表3可見,泰山云霧水樣品中菲/(菲+蒽)的值為 0.86,指示出強烈的煤炭燃燒來源.熒蒽/(熒蒽+芘)的比值為0.59,仍然指示出煤炭源.茚并(1,2,3-cd)芘/(茚并[1,2,3-cd]芘+苯并[ghi]苝)的值為 0.51,反映出煤炭燃燒為PAHs的主要來源.

綜上所述,由特征個體PAHs的比值看,泰山地區秋冬季時期云霧水中的PAHs主要來自煤等燃料的燃燒,石油源的貢獻較小,反映出在寒冷季節,煤炭仍是這個地區主要的能源.

表2 泰山云霧水中多環芳烴濃度與其他參數的相關性分析Table 2 Pearson product-moment correlation coefficients between PAH concentrations and some parameters

表3 泰山云霧水中多環芳烴特征比值的分析Table 3 Diagnostic PAH ratios in precipitation at Mount Taishan

2.3.2 因子分析法 特征分子比值法可以對PAHs的來源進行定性分析,而因子分析能夠對PAHs的來源進行定量分析,采用SPSS軟件對泰山云霧水樣品中的 PAHs進行因子分析,結果列于表4.由表4可見,對于云霧水的樣品,2個因子解釋了PAHs含量的90.23%的變化.因子1:解釋了 PAHs 43.05%的變化量,主要關聯重組分的PAHs,包括茚并(1,2,3-cd)芘、苯并(ghi)苝、苯并(b)熒蒽、二苯并(a,h)蒽、苯并(k)熒蒽, 苯并(a)芘和苯并(a)蒽,這些化合物主要來源于汽油和柴油發動機的排放.因此,因子 1表征石油燃料源.因子2:解釋了PAHs 47.18%的變化量,對于苊烯、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、有很高的表征量,這些化合物主要起源于煤炭的燃燒[18-19].

根據因子分析的結果,石油燃料排放和煤的燃燒排放均能增加云霧水中的PAHs含量,相對于液體燃料的燃燒,煤炭燃燒源仍然體現出相對較高的貢獻.與之前的特征比值法得出的結論一致.

表4 泰山云霧水中多環芳烴的因子分析Table 4 Diagnostic PAH ratios in cloud/fog water samples at Mount Taishan

3 結論

3.1 泰山秋冬季節 PAHs中菲是含量最多的化合物,平均濃度為 79.81ng/L,芴和苊的含量次之,濃度分別為 41.64,27.83ng/L.輕組分的多環芳烴(2～3環)在云霧水樣品中含量較多,6種潛在致癌PAHs的含量不高.

3.2 云霧水中的 PAHs濃度與氣溫有較好的相關性,部分PAHs個體與云霧水的pH值和電導有較好的相關性.

3.3 通過特征比值法和因子分析法的分析,得出泰山云霧水中PAHs的主要來源為煤炭燃燒源,石油源的貢獻相對較小.

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Characteristic of concentration distribution and source analysis of PAHs in cloud/fog water at Taishan Mount.

LI Peng-hui1, WANG Yan1*, LI Yu-hua1, WANG De-zhong2, LIU Heng-de2, WANG Wen-xing3(1.School of Environmental Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China；2. Taishan Meteorological Station, Taian 271000, China；3.Environment Research Institute, Shandong University, Jinan 250100, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：742～746

PAHs concentrations in cloud/fog water samples collected at Taishan Mount was evaluated and correlations with meteorological parameters, pH and conductance was studied. Individual cloud/fog events were sampled from October 18th to November 26th 2008. Phenanthrene was the most abundant compound, followed by fluorene and acenaphthene. PAH compounds had strong correlations with temperature. Diagnostic ratio analysis and factor analysis indicated that the sources of PAHs were mainly from fossil fuel combustion, especially coal.

Taishan Mount；cloud/fog water；PAHs；source analysis

2009-11-10

國家“973”項目(2005CB422203);山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2009HZ001)

* 責任作者, 教授, wy@sdu.edu.cn

X511

A

1000-6923(2010)06-0742-05

致謝：本實驗樣品分析工作由濟南市環境保護科學研究所協助完成.文章的英文內容經Dr. Pamela Holt修改,在此表示衷心的感謝.

李彭輝(1984-),男,天津漢沽人,山東大學環境科學與工程學院碩士研究生,主要研究方向為大氣環境化學.發表論文3篇.