合肥市初夏PM 2.5中重金属元素污染特征分析

汪洋，吴缨，张良璞，付珍

（1.合肥学院化学与材料工程系，安徽合肥230601；2.合肥市环境监测中心站，安徽合肥230031；3.安徽创新检测技术有限公司，安徽合肥230088）

·环保与循环经济·

合肥市初夏PM 2.5中重金属元素污染特征分析

汪洋1，吴缨1，张良璞2，付珍3

（1.合肥学院化学与材料工程系，安徽合肥230601；2.合肥市环境监测中心站，安徽合肥230031；3.安徽创新检测技术有限公司，安徽合肥230088）

大气颗粒物的污染目前已经成为大气污染的首要问题。选择合肥市滨湖新区、董铺水库、琥珀山庄、高新区四个监测点PM2.5为研究对象，对重金属元素Cu、Ni、Zn、Pb、Mn、Cr、Co、Cd的含量、富集系数、可能来源展开研究。结果表明，合肥市初夏时节PM2.5中重金属元素质量浓度含量最高的是Zn。滨湖新区、琥珀山庄和高新区的Cu元素污染显著。根据SPSS软件分析推测滨湖新区Cu和Cd可能来自交通领域污染源，董铺水库的Fe和Mn可能来源于自然因素，琥珀山庄的Pb和Cd可能来自交通污染源，高新区的Ni和Cr可能来源于工厂的电镀操作。

PM2.5；重金属元素；污染特征

1 引言

近年来，随着经济的飞速发展、城市人口的快速增长、随处可见的拆迁及新建工程以及交通的发展，我国大气污染问题日趋严重，大气颗粒物已成为众多城市环境污染中的首要污染物[1]，细微颗粒物PM2.5已成为危害环境、气候和人体健康的元凶。

PM2.5指的是空气动力学当量直径小于2.5μm的颗粒物，又称细颗粒物，其颗粒粒径微小、重量轻、在大气中滞留时间长、污染范围广。PM2.5主要来自化石燃料（如煤）的燃烧、金属的熔融与加工及汽车尾气。以PM2.5为主题的多项研究已在全球各地相继展开[2]。在我国开展的研究多半是发达地区过去十年的PM2.5污染状况[3-5]。

随着城市化进程的普遍加快，环境污染问题日益突出，雾霾天气愈来愈多。颗粒物特别是重金属颗粒污染不但影响市民的身体健康，而且导致城市气候状况发生恶变，直接影响城市社会经济的可持续发展。因此，研究大气颗粒物中的重金属元素在城市中的来源是非常有意义的。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

PM2.5颗粒物采样器（青岛中特环保仪器有限公司）；电感耦合等离子体发射光谱仪（OPTIMA2100DV，美国PE公司）。

硝酸：ρ（HNO3）=1.42g/mL，优级纯；盐酸：ρ（HCl）=1.19g/mL，优级纯；多元素标准溶液：ρ=1mg/L，进口。

2.2 样品采集

采样点：滨湖新区、董铺水库、琥珀山庄、高新区。采样时间：2015年5月。

本实验PM2.5的采样设备为中流量采样器，平均流量为1.67m3·min-1。采样介质为滤膜带，经自动采样器采集后，保存至干燥箱中待预处理。

2.3 样品处理

取滨湖新区、琥珀山庄、董铺水库、高新区四处PM2.5采样膜剪碎于聚四氟乙烯烧杯中，加入20mL盐酸、硝酸混合溶液。使滤膜浸没其中，盖上表面皿，在100℃左右加热回流2h，然后冷却。用去离子水淋洗聚四氟乙烯烧杯内壁，然后加入大约10mL的去离子水，浸渍0.5h然后浸提。随后移至50mL容量瓶中，定容至50mL，待澄清之后，用ICP-AES仪器测定。同时取6份空白滤膜做空白试验，处理方法与样品相同，制备成空白溶液。

3 结果与讨论

3.1 PM2.5中重金属浓度

表1给出了合肥市初夏不同地段PM2.5中重金属元素的日平均浓度值。由表1可知，合肥市PM2.5中Zn的浓度要明显高于其它重金属浓度，且高新区的PM2.5中Zn的浓度比滨湖新区、董铺水库、琥珀山庄分别高2.41、2.74和1.65倍。

比较可知，琥珀山庄和高新区的PM2.5中的重金属浓度总体较高，董铺水库由于其地理位置良好，生态环境保护比较好，因而各重金属的浓度最低。高新区监测点位的PM2.5中的Ni、Zn、Pb、Cd、Fe这五种金属离子的质量浓度均高于其它监测位点，说明工业区颗粒物的重金属浓度比其它地段要高。这可能与该监测点位周围工业企业较多有关。

表1 PM2.5重金属元素日平均质量浓度（mg/m3）

3.2 各重金属元素富集特征

元素的富集因子是双重归一化数据处理的结果，可用于研究大气气溶胶粒子中元素的富集程度，判断和评价气溶胶粒子中元素的自然来源和人为来源。富集系数的定义为：

式中：Ci为研究元素i的浓度；Cn为选定的参比元素的浓度；下标“环境”是本研究的颗粒物中元素与参比元素的比值；下标“背景”是土壤中相应元素平均含量与参比元素的平均含量的比值。参比元素一般选择地壳中含量丰富、各种颗粒物样品中均含有的元素，经常采用的有Al、Fe、Ti等[7]。本研究中选择Fe作为参比元素。“背景”中元素均取中国土壤背景值[8]，Cu、Ni、Zn、Pb、Mn、Cr、Co、Cd分别为22.6、26.9、74.2、26.0、583、61. 0、12.7、0.097μg·g-1，Fe 2.94%。由此计算合肥PM2.5中重金属元素的富集系数见表2。

表2 合肥市PM2.5中重金属元素的富集系数

参照空气中元素的富集系数值大于10，即认定为该元素由于污染而明显富集于颗粒物中[9]。由表2可知，合肥市四个地段空气PM2.5中Zn、Cd两种元素的富集系数值在整个监测期内均显著大于10，说明合肥市空气PM2.5中Zn、Cd两种重金属元素主要由人为来源贡献，而受土壤扬尘的影响较小，是典型的污染元素；Ni、Mn、Cr、Co元素的富集系数均小于10，说明它们除了来自地壳外，还有一部分来源于人为污染，其中，Mn的富集系数小于1，说明主要来源于土壤。Pb元素在滨湖新区、董铺水库的富集系数小于10，而琥珀山庄的富集系数却高达30.4，说明合肥市车辆排放的尾气对空气中Pb元素的贡献很明显，Zn、Cd元素是合肥市春夏时节典型重金属污染元素。

3.3 可能来源解析

琥珀山庄为合肥市的商业区与居民区，地处交通要道，本文列出了琥珀山庄各重金属元素之间的相关性及分析结果。

以琥珀山庄测定结果为例，运用SPSS分析各重金属元素之间的相关性，在显著概率α=0.05时，Zn和Cd、Cu显著相关，相关系数分别为0.972和0.987；Cu和Fe、Zu显著相关，相关系数分别为0.953和0.989，如表3所示。

表3 琥珀山庄各重金属元素之间的相关性

根据其相关性，由表3可推测Pb和Cd、Cu和Zn可能来自同一污染源。研究表明，由于以前使用含Pb汽油时，所排放出来的Pb会沉积在土壤表面，经过人类活动颗粒物会再次悬浮起来，另外汽车内部的一些摩擦还会释放Pb。Cd主要作为含锌添加剂的杂质从而存在于汽车轮胎以及润滑油中[10-11]。而采样点周边为交通主干道，由此可以推断交通是Pb和Cd的一个共同污染源。Cu主要来源于冶金和机动车排放，大气中Zn含量高，主要是因为监测点附近的车流量大，尤其是橡胶轮胎的磨损以及煤的燃烧。分析采样点周围环境，琥珀山庄属于商业区，其人员密集度高，汽车通行量大，所排放的尾气也较多，由此推测琥珀山庄的Cu、Zn主要来源于机动车尾气。

滨湖新区的Cu和Cd在显著概率α=0.05时，相关系数为0.818，由此可推测Cu与Cd可能来自同一污染源。研究表明，Cu主要来源于冶金和机动车排放，Cd在交通行业中主要作为含锌添加剂的杂质存在于汽车轮胎和润滑油中，由此推测Cu和Cd的污染可能来自交通领域。

董铺水库的Fe和Mn在显著概率α=0.01时，相关系数为0.966，由此可推测Fe、Mn可能来自相同的污染源。研究表明，Fe、Mn等金属元素主要来源于自然因素[12]，由此可以推出，董铺水库虽然地理位置良好，但是还是受到部分人类活动的影响。

高新区的Cr和Ni在显著概率α=0.01时，相关系数为0.911。由此可推测Ni和Cr可能来自同一污染源，研究结果表明，Ni主要来源于电镀、冶炼等方面，铬和铬盐都是重要的工业原料，主要来源于化工、冶金等[10]，高新区现有企业3000多家，拥有格力电器、美的电器、大陆轮胎等著名高新技术企业，结合采样点周围环境，可以推测出Ni、Cr来源于工厂的电镀等污染源。

4 结论

（1）合肥市初夏PM2.5中重金属浓度含量最高的是Zn，琥珀山庄和高新区的浓度值最高，董铺水库最低。

（2）PM2.5中各重金属元素富集因子均大于10，即除土壤源外，各重金属元素还有人为源的贡献，Zn、Cd富集程度相对显著。

（3）根据SPSS软件分析结果：滨湖新区Cu和Cd可能来自交通领域这一污染源，滨湖新区的Fe和Mn可能来源于自然因素，董铺水库的Fe、Mn来自于自然因素，琥珀山庄的Pb和Cd可能来自交通污染源，Cu和Zn污染源可能来自机动车尾气，高新区的Ni和Cr可能来源于工厂的电镀等。

[1]姜娜.大气细颗粒物PM2.5的研究进展[J].广州化工，2014，42（13）：134-135，168.

[2]Jun Tao，Leiming Zhang，GuenterEngling，et al.Chemical composition of PM2.5 in an urban environment in Chengdu，China：Importance of springtime dust storms and biomass burning[J].Atmospheric Research，2013（122）：270-283.

[3]严向宏.上海宝山区大气细颗粒气溶胶PM2.5特征研究与源解析[D].上海：华东理工大学，2011.

[4]徐敬，丁国安，颜鹏，等.北京地区PM2.5的成分特征及来源分析[J].应用气象学报，2007，18（5）：645-654.

[5]于扬，岑况，NORRA Stefan，等.北京市大气可吸入颗粒物的化学成分和来源[J].2012，31（1）：156-163.

[7]樊曙先，樊韬，严培君，等.银川市PM2.5重金属元素的环境污染特征分析[J].中国沙漠，2006，26（2）：291-293.

[8]国家环境保护局.中国土壤元素背景值[M].北京：中国环境科学出版社，1990.

[9]赵德山，王明星.煤烟型城市污染大气气溶胶[M].北京：中国环境科学出版社，1991：267-268.

[10]李红丽，田密，杨复沫.重庆万州夏冬季PM2.5中重金属污染特征[J].环境影响评价，2014（4）：47-50.

[11]袁春欢，王琨，师传兴，等.哈尔滨市空气PM10的元素组成特征分析[J].环境保护科学，2009，35（1）：1-3.

[12]Kemp.Trends and sources for heavy metals in urban atmosphere[J]. Nuclear Instrument Methods in Physics Research B，2002，189（1-4）：227-232.□

Characteristics Analysis of PM2.5 in Heavy Metal Elements in Hefei Early Summer

WANG Yang1，WU Ying1，ZHANG Liang-pu2，FU Zhen3
（1.Department ofChemical and Materials Engineering，Hefei University，Hefei 230601，China；2.Hefei Environmental Monitoring Central Station，Hefei 230031，China；3.Anhui Innovation Testing Technology Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Pollution of particulate matter in air has become the most important issue of air pollution.Choose the Binhuxinqu，Dongpushuiku，Huposhanzhuang，Gaoxinqu four monitoring points in Hefei as the research object.The study mainly focused on the content of metal element，enrichment coefficient of heavy metals and possible sources of heavy metals of Cu，Ni，Zn，Pb，Mn，Cr，Co，Cd.The results shows that Zn has the highest concentration among heavy metals of PM 2.5 in early summer. The pollution of Cu element in Binhuxinqu，Huposhanzhuang and Gaoxinqu is severe.According to the results analyzed by SPSS，it can be predicted that the Cu and Cd in Binhuxinqu are likely derived from the transport sector，the Fe and Mn in Dongpushuiku are likely derived from nature，in Huposhanzhuang，the Pb and Cd are likely derived from the transport sector，Ni and Cr in Gaoxinqu may be derived from electroplating plant.

PM2.5；heavy metal elements；pollution characteristics

10.3969/j.issn.1008-553X.2016.01.020

X513

A

1008-553X（2016）01-0074-04

2015-10-23

合肥学院人才基金（No.12RC01）

汪洋（1992-），女，合肥学院本科生；通讯联系人：吴缨（1963-），女，教授，研究方向：污染物监测及废弃物资源化，0551-62158157，wuying@hfuu.edu.cn。