長沙冬季PM2.5、PM10中金屬元素的濃度及分布特征

黃金秀

（湖南品標華測檢測技術有限公司，湖南 長沙 410000）

大氣顆粒物是表征環境空氣質量的重要指標［1］，其主要由含碳物質、水溶性無機鹽和不溶性礦物質組成，且其上能附著各種有毒有害的病原體，當其進入到人體后，會嚴重損害人體健康并引起各種疾病［2］，粒徑越小的顆粒物對人體的傷害越大［3］，依據環境空氣質量標準（GB 3095-2012）要求，現階段大氣污染物監測中對大氣顆粒物主要監測粒徑為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量占比雖然不大，但其危害卻遠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］。本文選取長沙縣三個有代表性的區域進行PM10和PM2.5濃度觀測和成分分析，以求探索顆粒物中各金屬濃度和分布特征，為長沙縣市民冬季出行提供一定的科學參考。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗藥品

硝酸（優級純）；氫氟酸（優級純）；超純水（實驗室自制）；K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr標準溶液及其它實驗室常規藥品。

1.2 試驗儀器與設備

電子分析天平（上海恒平，AE323型）；超聲波（深圳萬德盛，XWDS-1018型）；環境顆粒物測塵儀（美國賽默飛世爾科技有限公司，SHARP 5030型）；超級純水機（南京易普易達科技發展有限公司，EPED-E2-20TH型）；電感耦合等離子體質譜儀（安捷倫，ICP-MS7500ce）。

移液管、玻璃棒、容量瓶，燒杯、量筒、膠頭滴管等常規實驗室玻璃儀器。

2 試驗方法

2.1 采樣方法

選取長沙縣某商業區、居住區和對照區3個監測區域，每個區域選擇1個居?。ɑ蜣k公）場所的室內和1個人少的室外共計2個監測點，監測結果取2個監測點的平均值。

從12月1日～30日，連續監測30 d，對每個監測點的PM2.5進行采樣，采樣時間為24 h，獲得的樣品在4 h內進行處理和分析。

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量，用陶瓷剪刀把石英濾膜剪成8等份，稱量任意一份質量。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的水相針式過濾器過濾，待測。

2.3 測試方法

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

3 結果與分析

3.1 空氣中PM2.5的月變化率

對各區域空氣中PM2.5進行采樣檢測、統計分析，結果如圖1所示。

圖1 PM2.5物日均濃度變化

由圖1可知，空氣中PM2.5濃度總體呈現商業區＞居住區＞對照區的趨勢，其中商業區、居住區、對照區PM2.5濃度達到空氣中一級標準的天數分別為12 d、13 d、19 d，達到二級標準的天數分別為27 d、29 d、30 d，商業區在20日PM2.5濃度達到最高，達97 μg／m3，居住區PM2.5濃度最高為87μg／m3，且最高值出現的日期與商業區相同，對照區PM2.5濃度最高為63μg／m3。

3.2 空氣中PM10的月變化率

對各區域空氣中PM10進行采樣檢測、統計分析，結果如圖2所示。

圖2 PM10物日均濃度變化

由圖2可知，空氣中PM10濃度總體呈現與PM2.5相同的趨勢，商業區＞居住區＞對照區的趨勢，其中商業區、居住區、對照區PM10濃度達到空氣中一級標準的天數分別為9 d、17 d、28 d，達到二級標準的天數分別為29 d、30 d、30 d，商業區在22日PM10濃度達到最高，達160μg／m3，與二級標準150μg／m3較為接近，居住區16日PM10濃度最高為94μg／m3，對照區14日PM10濃度最高為62μg／m3，與一級標準50μg／m3較為接近。

對比同一個區域PM10濃度與PM2.5濃度的變化發現，商業區和居住區的兩者并未有發現兩個呈現明顯相同的變化趨勢，對照區PM10濃度與PM2.5濃度的變化趨勢有一定的相似，說明對照區PM10濃度與PM2.5濃度的影響源大體相同。

3.3 金屬元素的加標回收率試驗

對K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素進行加標回收率試驗，試驗結果見表1。

表1 金屬元素加標回收率 %

由表1可知，各元素的加標回收率在85.2%～102%之間，相對標準偏差在0.19%～8.39%，符合測試要求。

3.4 PM2.5中金屬元素的濃度分析

對各區域空氣中PM2.5進行采樣檢測，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，結果見表2。

表2 PM2.5中化學組分質量濃度 μg／m3

對以上13中金屬元素在3個監測區PM2.5中的含量進行分析，各元素在3個區PM2.5中的含量雖然存在一定差異，但質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，在商業區分別達到0.138μg／m3和0.187μg／m3，居民區分別達到0.087μg／m3和0.192μg／m3，對照區分別達到0.053μg／m3和0.164μg／m3。

對單個元素在不同區域PM2.5中含量進行比較，除少數幾個元素外，如Mn、Ca等，總體呈現商業區＞居住區＞對照區的趨勢，且對照區PM2.5中，As的含量處于電感耦合等離子體質譜儀檢出限以下。

3.5 PM10中金屬元素的濃度分析

對各區域空氣中PM10進行采樣檢測，分析PM10中K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素的月平均值，結果見表3。

表3 PM10中化學組分質量濃度 μg／m3

對3個監測區PM10中的金屬元素含量進行分析，質量濃度前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，在商業區分別達到1.34μg／m3和1.23μg／m3，居民區分別達到0.974μg／m3和1.01μg／m3，對照區分別達到0.532μg／m3和0.568μg／m3。對單個元素在不同區域PM10中含量進行比較，除少數幾個元素外，如Mn、Ca等，總體呈現商業區＞居住區＞對照區的趨勢。

對比PM2.5、PM10中的各金屬元素含量，在相同區域，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。這從一個方面顯示，PM2.5、PM10中的各金屬元素的貢獻源基本相同。

4 結 論

通過對現商業區、居住區、對照區三個區域的PM2.5、PM10濃度進行統計分析，空氣中PM10、PM2.5濃度總體呈現商業區＞居住區＞對照區的趨勢，商業區和居住區的PM10濃度與PM2.5濃度變化趨勢不同，對照區PM10濃度與PM2.5濃度的變化趨勢有一定的相似，說明對照區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元素進行加標回收率試驗，各元素的加標回收率在85.2%～102%之間，符合測試要求。

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