北京市冬季霧霾顆粒物及其化學組分的粒徑分布特征探討

摘 要：近年來，北京市在冬季時常會出現霧霾天氣，以至于給北京市民的生活帶來了極大的影響。而為了對北京地區的霧霾進行控制，則需要了解霧霾顆粒物及其化學組分的粒徑分布特征，以便根據污染來源采取有針對性的治理措施。因此，該文對北京市冬季霧霾進行了采樣分析，以便對其顆粒物及化學組分的粒徑分布特征進行分析。

關鍵詞：北京市 冬季霧霾 顆粒物 化學組分 粒徑分布特征

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0188-02

近年來，一進入冬季，北京霧霾事件的發生就會受到世界范圍內的關注。而強霧霾的發生，與一次氣體污染物向顆粒態轉換有著直接的聯系。因此，該文對北京市冬季霧霾天氣的顆粒物濃度進行了采樣分析，以便結合天氣變化對顆粒物的化學組分、粒徑分布和來源進行有效分析，繼而為霧霾的控制提供依據。

1 研究實驗

1.1 顆粒物樣品采樣

為了研究北京市冬季霧霾顆粒物及其化學組分，需要在民樓頂進行采樣器的架設，以便進行顆粒物樣品的采樣。而采樣點距離地面約為25 m，向北約850 m，向東約350 m。使用的采樣器為13級低壓撞擊器，可以對不同粒徑段的顆粒物樣品進行采集，采集流量為10 L·min-1，濾膜為25 mm鋁膜。采樣時間安排在每天13點到次日12點，從1月1日開始，一共進行了為期13天的連續采樣，獲得了10組樣品。在采樣期間，共經歷霧霾、雪、多云和晴這四種天氣[1]。污染狀態有4種，分別是二級良、三級輕度污染、四級中度污染和六級嚴重污染。

1.2 顆粒物樣品分析

在對膜樣品進行分析時，使用了百萬分之一的微量天平進行鋁膜的承重，取得了各粒徑段顆粒物的質量濃度。在分析樣品中陽離子與陰離子含量時，使用了型號為ICS-2000和ICS-1000的離子色譜儀。在分析樣品中的有機碳和元素碳含量時，使用了DRI Model 2001這一熱光碳分析儀[2]。但是，由于顆粒物表面不均勻會對儀器使用產生影響，所以利用石英膜同步采集的樣品中的OC、EC、OPC比例對得到的分級樣品OE、EC值進行了校正。

2 研究結果

2.1 不同粒徑顆粒物的質量濃度

對不同天氣狀態下的PM10、PM2.5和PM1這三種顆粒物 的質量濃度進行分析可以發現，霧霾天氣下各中粒徑的顆粒物日均質量濃度最高，最大值分別能夠達到691.8 mg* m-3、522.2 mg* m-3、190.4 mg* m-3，平均質量濃度分別為369.4±223.9 mg* m-3、299.6±175.8 mg* m-3、128±49.2 mg* m-3[3]。在環境空氣質量標準中，日均二級濃度限值則分別為150 mg* m-3和 75 mg* m-3，所以霧霾天的PM10和PM2.5日均濃度均超過了規定的標準[4]。而多云天、雪天和晴天的PM10、PM2.5、PM1日均濃度如表1所示，晴天濃度相對較低。但無論是哪種天氣下，PM2.5/PM10的比值都大于74%，所以PM10的主要組成部分應為細粒子。同時，霧霾天PM1.0/PM2.5的比例為47%，雖然相較于其他天氣較低，但是PM2.5/PM10的比值不低，因此，1.0～25 mm仍然是導致霧霾天顆粒物污染的主要粒徑段[5]。

2.2 北京冬季霧霾顆粒物粒徑分布

將得到的數據進行成圖分析可以發現，大氣顆粒物質量濃度譜呈現出三模態分布趨勢（如圖1）。在圖1中，質量濃度高峰值處在0.31 mm的位置，低峰值分別處在0.76 mm和5.13 mm的位置。而隨著霧霾的發生和加強，整個圖譜呈現細模態和單模態的分布特征。在污染持續的狀況下，顆粒物的質量濃度并沒有發生較大變化，但是峰值粒徑卻開始向右移動。到了12日，顆粒物質量濃度快速增加。在霧霾最嚴重時，峰值粒徑到達了1.22 mm的位置[6]。而自13日以后，霧霾漸漸消退，顆粒物粒徑也隨之向左移動。17日之后，空氣質量恢復到二級水平時，峰值粒徑則移動到了0.48～0.76 mm的范圍內。

2.3 北京冬季霧霾顆粒物化學組分分布及來源

2.3.1 水溶性離子的分布及來源

根據采樣數據可以得知，不同污染程度下，水溶性離子的粒徑分布并不相同。在這些離子中，最主要的水溶性離子為SO42-、NO3-、NH4+、C1-和Ca2+。在空氣質量分別為二級良和六級嚴重污染時，SO42-在PM10中的離子濃度含量分別為20.1%和40.2%，是含量最高的離子成分。而隨著顆粒物污染的加重，其他離子含量也將隨之增加。其中，SO42-的粒徑分布呈現出細模態分布特征，主要分布在細粒子中。在空氣質量出現輕度污染時，該離子的濃度峰值將出現在0.76 mm的位置上。而NO3-的粒徑分布同樣呈現出細模態分布特征，出現三級以上空氣污染時，離子濃度峰值同樣右移至0.76 mm處[7]。在不同污染程序下，PM10中的NO3-與SO42-的比值并不相同。具體來講，就是隨著污染程度的逐漸加深，二者的比值越低。而分析離子的來源可以發現，大氣中排放的硝酸鹽較少，而鹽酸氨與硫酸銨這兩種標志性的大氣污染產物主要來自于氣態前體物的氣粒轉化。具體來講，就是采暖燃煤會進行SO2排放，機動汽車運轉會進行NO2的排放。在高濕、穩定的天氣狀態下，這些氣體會逐漸轉化和累積成高濃度的SO42-和NO3-污染。如果NO3-與SO42-的比值大于1，則說明機動車尾氣排放對大氣污染的貢獻更多。此外，北京地區的鈣離子和鎂離子等物質主要來自于土壤和揚塵，但是這些排放源對冬季污染貢獻較小。

2.3.2 含碳組分的分布及來源

通過分析發現，顆粒物樣品中的OC、EC主要富集于細粒子。在粒徑分布上，二者都呈現出單峰結構粒徑分布特征，而OC峰值在0.76～1.22 mm范圍內出現，EC峰值在0.48～0.76 mm范圍內出現。相較于OC峰值，EC峰值的粒徑較小。在不同污染程序下，二者的粒徑分布與可吸入顆粒物的質量濃度譜分布相似，并且擁有大致相同的變化趨勢。在霧霾發生時，OC峰值與霧霾發生時的顆粒物質量濃度峰值變化一致，所以OC應該是霧霾的主要污染成分之一。在六級嚴重污染狀態下，OC濃度也呈現出快速增長趨勢，所以，其粒徑分布在一定程度上影響了顆粒物的粒徑分布。但需要注意的是，在四級中度污染發生后，伴隨著PM10濃度的降低，OC的濃度也逐漸降低，而EC濃度卻有所提升。所以，在霧霾爆發一段時間后，主導污染源有可能已經發生了變化。而通過研究發現，OC與EC主要來自于燃煤和機動車。但是，EC具有較強穩定性，所以主要來自于一次排放。而OC可以由二次化學反應生成，所以除了來自于一次排放，還應有其他的來源[8]。因此，如果OC/EC的結果小于1，說明二次有機物的本地生成能力較弱，而燃煤和機動車尾氣的一次排放則為霧霾發生做出了主要貢獻。

3 結論

總而言之，分析北京市冬季霧霾顆粒物及其化學組分的粒徑分布特征，可以對北京及周邊地區的霧霾污染化學特征有著更進一步的認識，從而了解顆粒物污染物的來源和其不同化學組分對霧霾的貢獻率。而通過該文的研究發現，燃煤和機動車尾氣排放導致了SO42-、NO3-、OC和EC濃度的增加，為北京冬季霧霾產生做出了主要貢獻。因此，相關部門還要采取相應的治理措施，以便對北京的霧霾問題進行有效治理。

參考文獻

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