石家庄市城市道路扬尘成分谱及特征分析

张 涛，孙彦敏

(石家庄市环境监测中心 , 河北石家庄 050022)

石家庄市城市道路扬尘成分谱及特征分析

张 涛，孙彦敏

(石家庄市环境监测中心 , 河北石家庄 050022)

大气污染防治工程;石家庄市;城市道路扬尘;成分谱;特征分析

石家庄市处于国家划定的京津冀重点大气污染防治区域，被国家列入率先实施新的空气质量标准的城市。2015年，在中国74 个实施新标准第一阶段监测的城市中石家庄市空气质量综合指数排名列第67位[1]，根据监测数据统计，对大气污染贡献最大的为颗粒物(PM10和PM2.5)[2]。根据《2013年石家庄市环境空气PM10及PM2.5源解析科研项目》研究结果，2013年石家庄市城市扬尘在PM10中年分担率为28.7%，在PM2.5中为12.9%，春季城市扬尘在PM2.5中提升到24.6%。随着城市规模扩大，交通道路成倍增长，机动车保有量急剧增加，由道路交通引起的扬尘污染已成为城市扬尘的主要来源，重污染天气期间石家庄市NO2浓度与PM2.5浓度相关性高于SO2与PM2.5相关性，PM2.5的峰值浓度滞后于NO2，反映了机动车尾气二次转化对PM2.5污染的影响[3]。因此科学防控道路扬尘污染是改善石家庄市环境空气质量的一种重要途径[4]。

本文通过对石家庄市城市道路扬尘进行样品采集及分析[5]，建立了石家庄市城市道路扬尘成分谱，并对道路扬尘成分谱特征进行了研究分析，从而为环境管理部门采取切实有效的治理措施提供可靠的技术支撑[6]，同时也为中国大气颗粒物来源解析工作提供参考依据。

1 样品采集及分析

1.1 道路扬尘样品采集

在石家庄市区二环以内选取 4条主干道、2条快速路、2条次干道、4条支路作为本次采样路段。于2013年5月下旬对主干道、快速路，每隔3 km采集一个样品；对次干道、支路在主要交通路口各采集2个样品,共获得12个路段的26个样品[7]。采样点位图[8]见图1。

图1 采样点位图Fig.1 Sampling point bitmap

用带有配套纸袋的真空吸尘器，在拟定的点位区域以1 m2/min的速度均匀吸取机动车道与非机动车道间路面上的扬尘，样品量不低于500 g，采样完毕后取下吸尘纸袋，检查是否有破损，完好即装入密封袋中，同时记录采样信息。

1.2 样品的制备

将采集的样品在实验室自然晾干后，用106 μm(140目)的尼龙筛对其进行分筛，将分筛后的样品取约50 g，再过38 μm(400目)尼龙筛后收集装入密封袋中备用于再悬浮。

1.3 再悬浮PM10及PM2.5样品的采集

将制备好的样品引入颗粒物再悬浮系统和检测系统，由不同切割头完成对PM10和PM2.5的聚丙烯滤膜和石英滤膜采样。再悬浮系统采用南开大学研制的NK-ZXF颗粒物再悬浮采样器，滤膜使用Waltman公司生产的47 cm聚丙烯膜和石英膜。

1.4 样品分析

对采集的滤膜样品进行了无机元素、水溶性离子和碳分析。具体分析项目见表1。

表1 样品分析项目表

1.4.1 无机元素分析

取1/4滤膜样品用陶瓷剪刀剪碎，放入烧杯中，经少量去离子水(2～3 mL)润湿后，加入硝酸(优级纯)20 mL和高氯酸(优级纯)2 mL，置于电热板上加热，保持微沸，待有白烟冒出，表明高氯酸开始分解，再适当提高温度，蒸至近干，当剪碎的滤膜有明显收缩时，将烧杯取下。待样品冷却后，加入少量去离子水，用中速定量滤纸过滤残渣，将滤液收集于定容试管中；再用少量去离子水洗滤渣2～3次，也收集于定容试管中，定容至25 mL，待测。此消解方法适用于Ca，S，Na，Mg，Al，V，Ti，As，Hg，Cr，Ba，Fe，Mn，Ni，Cu，Zn，Pb，K，Co，Se，Br，Sd的测定。

取1/4滤膜样品用陶瓷剪刀剪碎，放入聚四氟乙烯消解罐中，加入3%(质量体积比)氢氧化钾溶液20 mL，放置于消解罐专用加热仪器中，保持微沸，蒸至近干，取下消解罐。过滤，用塑料试管收集滤液并定容至25 mL，待测。此消解方法适用于Si。

经预处理后，用Agilent 7700X型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定各无机元素的含量。

1.4.2 水溶性离子分析

用模具裁取1/8石英滤膜，剪碎后置于25 mL玻璃具盖离心管中，准确加入20 mL超纯水，超声萃取60 min，将提取液离心3 min，上清液用0.22 μm一次性过滤头过滤后进入Dionex ICS-2000离子色谱仪分离出阴阳离子，测定水溶性离子的含量。

1.4.3 碳元素分析

从石英滤膜上裁下面积为0.53 cm2小圆片状样品，放在DRI2001A型热/光碳分析仪的进样平台上，通过设定好的分析程序，对样品进行碳分析，获得元素碳和有机碳的分析结果。

热谱图上无氧加热时段与各个温度台阶相对应的碳为OC1，OC2，OC3，OC4；而有氧加热步骤中对应各个温度台阶的碳为EC1，EC2，EC3；其中，EC1中包含了OPC。检测样品对633 nm激光的反射光强的变化，将反射光强回到初始光强的时刻定义为EC的起始点，从EC1中分离出OPC。最终，颗粒物样品的有机碳总量(TOC)被定义为(OC1+OC2+OC3+OC4+OPC)，元素碳总量(TEC)被定义为(EC1+EC2+EC3-OPC)。

1.4.4 数据质量控制

每批次样品采取校准曲线校核、试剂空白分析、实验室空白、全程序空白及加标回收质控措施，保证样品准确度和精密度，校准点每种元素偏差≤10%，试剂空白的测试结果均低于方法检出限，两次测定的实验室空白中各待测元素含量的相对偏差≤20%。全程序空白中各待测元素含量的相对偏差>20%，各待测元素的加标回收率一般控制在80%～120%。

2 结果与分析

2.1 石家庄市城市道路扬尘源成分谱

城市道路扬尘往往被反复扬起-沉降，来源复杂，属于混合源类，扬尘源主要来自[9]：1)邻近土壤因风蚀、水蚀作用带来的泥沙与尘土；2)机动车运输携带、洒落的泥沙；3)机动车行驶排放尾气中的颗粒物; 4)建筑施工因风蚀作用带来的建筑尘；5)燃煤排放颗粒物降尘;6)大气降尘。石家庄市城市道路扬尘PM10及PM2.5源成分谱[10]，见表2。

表2 石家庄市城市道路扬尘颗粒物中成分含量及偏差

Tab.2 Composition and deviation of particulate matter in urban road dust in Shijiazhuang %

元素组合PM10PM2．5Ca11．91±4．1720．23±7．62Si2．87±0．663．27±1．17Fe2．51±0．413．47±0．89Mg1．393±0．2861．244±0．433Al1．383±0．1891．881±0．361Na0．262±0．1860．692±0．742K0．258±0．1230．799±0．642Zn0．0946±0．15190．0355±0．0190Mn0．0581±0．01000．0698±0．0177Ti0．0452±0．00860．0371±0．0205Ba0．0402±0．01040．0523±0．0129Pb0．0106±0．00530．0592±0．1480Cu0．0151±0．00560．0392±0．0225Cr0．0119±0．00370．0283±0．0163Ni0．0106±0．00430．0278±0．0251V0．0038±0．00080．0043±0．0017As0．0013±0．00020．0026±0．0032Br0．0008±0．00120．0020±0．0027Cd0．0001±0．00010．0026±0．0073Co0．0008±0．00030．0002±0．0003Se0．0002±0．00000．0002±0．0001Hg0±10．0001±0．0002S0±00±0总计20．8931．94离子组分PM10PM2．5Ca2+3．85±0．008811．74±2．25SO2-41．217±0．4773．102±0．912Na+0．609±0．2292．594±1．237NO-30．354±0．0891．532±0．909K+0．427±0．2561．310±0．500Cl-0．362±0．1251．321±0．395Mg2+0．177±0．0540．500±0．143总计7．0022．1碳组分PM10PM2．5TC8．77±1．8610．11±2．12OC7．97±1．598．89±1．73EC0．87±0．431．48±0．53

为了便于分析，本研究将质量分数大于1%的成分作为主量组分，将质量分数小于1%的成分作为次量组分进行分析[11]，石家庄市城市道路扬尘的化学组分含量分布见表3。

表3 道路扬尘颗粒物中化学组分含量分布

2.2 道路扬尘中元素成分特征

2.3 道路扬尘中离子成分特征

图2 道路扬尘中离子含量分布图Fig.2 Distribution of ion content in road dust

2.4 道路扬尘中碳组分特征

分析道路扬尘特征谱，可见颗粒物PM10中OC 和EC质量分数分别为7.97%和0.87%，ρOC/ρEC[14]为9.16，PM2.5中OC和EC质量分数为8.89%和1.48%，ρOC/ρEC为6.0。 文献[15]的研究人员认为ρOC/ρEC大于2%时常用来识别二次有机碳的生成，说明二次有机碳污染也是城市道路扬尘的重要来源。

3 结 论

1)通过研究分析获得石家庄市城市道路扬尘PM10及PM2.5的成分谱，并由此可知，石家庄市城市道路扬尘标识性元素为Ca和Si；

2)通过分析石家庄市城市道路扬尘PM10，PM2.5成分谱特征，得出建筑施工、燃煤排放、土壤扬尘和机动车污染是道路扬尘的主要来源；

由此可知，要减少石家庄市城市道路扬尘，必须采取综合治理的方法。

/References:

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Component spectrum and emission characteristic analysis of the urban road dust in Shijiazhuang City

ZHANGTao， SUN Yanmin

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang,Hebei 050022, China)

atmospheric pollution control engineering; Shijiazhuang City; urban road dust; component spectrum; characteristic analysis

1008-1534(2017)02-0150-05

2016-08-30;

2017-02-26；责任编辑：李 穆

河北省科技支撑计划项目(13273702D)

张 涛(1977—)，男，河北鹿泉人，高级工程师，硕士，主要从事大气污染方面的研究。

E-mail:7178817@qq.com

X513

A

10.7535/hbgykj.2017yx02013

张 涛，孙彦敏.石家庄市城市道路扬尘成分谱及特征分析[J].河北工业科技,2017,34(2):150-154. ZHANG Tao，SUN Yanmin.Component spectrum and emission characteristic analysis of the urban road dust in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(2):150-154.