北京灰霾天气大气颗粒物SEM观察与分析

王知方 张鑫

摘要：为研究灰霾天气中不同粒径颗粒物的形貌特征，以及区域点污染物的来源情况，采集了北京地区冬季重污染天中的某一日不同粒径颗粒物（PM2.5、PM10以及TSP（总悬浮颗粒物）），运用扫描电子显微镜分析技术（SEM）观察和分析了颗粒物形貌特征。结果表明：大气污染颗粒物具有不规则的形状，颗粒大小分布不均匀。对比不同粒径颗粒物SEM表明，PM2.5和PM10颗粒物在石英纤维膜上的吸附量较多，而TSP量相对较少，而且以小颗粒物为主，说明该区域受PM2.5和PM10颗粒污染物影响较大，结合颗粒分析和样品冬季采暖季采集时间及周围环境状况得出结论：该区域主要受汽车尾气和冬季采暖的影响比较大。

关键词：PM2.5；PM10；TSP；形貌特征；扫描电镜

中图分类号：X513

文獻标识码：A文章编号：16749944（2017）16003204

1引言

大气颗粒物特别是可吸入颗粒物是影响城市空气质量和人们健康的主要污染物之一，它们不仅含有有毒有害物质，而且是其它污染物的载体，对人类健康和生态环境造成较大的危害和影响[1]。随着我国工业的飞速发展和机动车保有量急剧增加，一些发达地区PM2.5污染加剧，VOCs和NOx排放量显著增长，特别是以京津冀、珠江三角洲、长江三角洲等区域为代表的地区[2]。近年来处于TSP （总悬浮颗粒物）和PM10污染尚未全面解决，PM2.5污染又日益加重的状况，导致能见度降低，持续的灰霾现象频繁发生[3]。灰霾会导致严重的空气污染，已成为一种新型灾害性天气。更严重的是灰霾发生时，空气中的细颗粒物浓度急剧增加，极易形成二次气溶胶，它们含有大量有毒有害化学成分，对人类健康造成极大威胁[4]。笔者采集了北京冬季重污染天气中某一日不同粒径颗粒物，通过SEM对颗粒物的形貌进行研究和分析。

2材料与方法

2.1样品采集

使用武汉天虹公司TH-150D2X型智能中流量采集器，于2017年1月1日北京地区重污染天气时段，采集了北京某地24 h的颗粒物样品，采集现场环境状况基本上以居民区为主，周围没有工厂和建筑等施工作业。

实验采集样品的采样滤膜均为石英纤维素滤膜，样品采集前，将滤膜放置于马弗炉中450 ℃焙烧4 h以上， 用溶剂清洗过的铝箔纸密封后使用。采样前后将滤膜放在恒温恒湿箱（温度为25℃，湿度为40%）中平衡。采集后的样品放置于- 20℃冰柜中冷藏保存。

现场采样前需要对采样器流量校正，依次安装好滤膜，连接到采样器上，调节采样流量，开始采样。空气流速设置为100 L/min，连续采集24 h。各采样点均利用经过预处理的石英滤膜采集样品。实验所用采样滤膜均为具有耐压度和耐热性高的石英纤维素滤膜，包括PM10滤膜，PM2.5滤膜和TSP滤膜。

2.2样品的选取

运用扫描电子显微镜（SEM）对所采集的PM10、PM2.5和TSP颗粒物样品的形貌特征进行分析。

2.3样品的制备

用不锈钢剪刀从PM10、PM2.5和TSP样品滤膜上轻轻的剪取一小部分，按顺序用导电碳胶将剪取的滤膜样品固定于样品台上，压平，按顺序同样用导电碳胶固定于样品台上，压平，并记下这些样品的固定顺序，并用离子溅射仪在样品表面镀厚度约30埃的铂，使样品的导电性符合电镜观测要求。

2.4仪器参数及工作条件

日本日立/S4800-6301 扫描电镜扫描电镜，扫描电镜最大分辨率1.5 nm；放大倍率：1000 X；测定条件为：工作电压20 kV；加速电流15 mA；工作距离15 mm。

3结果与讨论

3.1PM2.5的形貌特征

图1为所采集的PM2.5颗粒不同放大倍数（1000～10000倍）的扫描电镜图。由图可见纤维状物及其附着PM2.5颗粒物情况，纤维状物为石英纤维滤膜。从不同放大倍数的PM2.5图可以看出，PM2.5颗粒物并不是均匀地附着在滤膜表面，而是松散地附着在滤膜表面，滤膜空隙清晰可见，仔细观察可以发现PM2.5颗粒物形状各样、粒径不一、表面粗糙，其形状有球状、不规则状和链状，但大多数以球状颗粒物居多且表面不光滑。PM2.5粒径较小，成分较为复杂，通常是一些无机铵盐、多环烃类及不完全燃烧有机物聚集体，PM2.5颗粒物在北方城市冬季通常受汽车尾气和冬季采暖影响较大[5]。

图中a ×1000；b ×3000；c ×5000；d ×10000图1PM2.5颗粒不同放大倍数的扫描电镜

3.2PM10的形貌特征

图2为所收集的PM10颗粒表面不同放大倍数（1000～10000倍）的扫描电镜图。由图可见滤膜表面附着PM10颗粒物情况，从不同放大倍数的扫描电镜图可以看出，PM10颗粒物并不是均匀的附着在滤膜表面，而是松散附着在滤膜表面，滤膜空隙清晰可见，PM10颗粒形状非常不规则，有颗粒状、球形状、片状、棒状，多数聚集在一起，形状大多数以不规则颗粒物居多且表面不光滑，粒径大小不一，以小颗粒为主。PM10颗粒物是各种源尘的混合体，PM10颗粒物的污染物主要包含一些多环芳烃类以及有机物不完全燃烧的产物，在北方城市冬季多源于汽车尾气的排放和冬季采暖[5]。

3.3TSP的形貌特征

图3为所收集的TSP颗粒表面不同放大倍数（1000～10000倍）的扫描电镜图，从图中可以看出，TSP颗粒物微观形貌特为：大多为形状不定、表面较粗糙，有的呈球形且表面不光滑、有的呈不规则形状表面凹凸不平、有的呈方形、有的呈长条、有的呈椭球形且表面较粗糙。粒径大小不一，也是以小颗粒为主。TSP颗粒物大多是由风沙、扬尘、燃煤飞灰和木灰等引起[6]，从图中看出TSP颗粒物在石英纤维膜上沉积颗粒密度较小，可能与周围以居民区为主，不存在风沙、扬尘和燃煤飞灰等污染源有关。endprint

3.4PM2.5，PM10，TSP颗粒物比较分析

图4为所收集PM2.5，PM10和TSP大气颗粒物放大5000倍的SEM图。从以下3个图可以看出石英纤维呈管状交织在一起形成膜，纤维直径在0.1～2 μm之间。比较放大5000倍的三种PM2.5，PM10和TSP颗粒的SEM图像可知，石英纤维上不同种类颗粒物沉积密集度是不同的。PM2.5（图4a）的SEM圖形显示，PM2.5颗粒物在石英纤维膜上沉积密度较大，PM2.5颗粒物由大小不一，由形状不规则的固体颗粒物组成，偶见片状碎片。PM10（图4b）的SEM图形显示，PM10颗粒物在石英纤维膜上沉积密度最大，大量形状各异的颗粒物团簇，说明PM10大气颗粒物富集程度高。TSP（图4c）颗粒物的SEM图形显示颗粒物沉积密度较小，而且以小颗粒为主附着在石英纤维膜上。通过以上分析得出，在该区域大气颗粒物以PM10和PM2.5颗粒物为主，该区域受PM2.5和PM10颗粒污染物影响较大。大气颗粒物采集现场环境状况基本上以居民区为主，且周围没有工厂和施工作业，另外，从采集的时间上看，正处冬季采暖季，结合颗粒分析和周围环境状况得出，该区域主要受汽车尾气和冬季采暖的影响比较大[5]。

4结论

PM2.5、PM10和TSP等颗粒物表面的扫描电镜分析表明，石英纤维呈管状交织在一起形成膜，颗粒物以不同形状松散地附着在石英膜表面。对PM2.5，PM10和TSP等颗粒物对比发现，PM2.5和PM10颗粒物在石英纤维膜上的吸附量较多，而TSP颗粒物吸附量小，而且以小颗粒为主，说明该区域受PM2.5和PM10颗粒污染物影响较大。大气颗粒物采集现场环境状况基本上以居民区为主，且周围并没有工厂和施工作业，另外，从采集的时间上看，正处冬季采暖季，结合颗粒分析和周围环境状况得出，该区域主要受汽车尾气和冬季采暖的影响比较大。通过SEM观察PM2.5，PM10和TSP不同粒径的颗粒物形貌及特征，下一步可以结合元素分析技术进一步分析颗粒物的成分，准确找出该区域气体颗粒物的污染来源，为制定相应的污染防治措施提供科学依据。

参考文献：

[1]

郭杰，肖纯凌.PM2.5对人群健康影响的流行病学研究进展[J].环境卫生学杂志，2017，7（2）：164～169.

[2]李云燕，葛畅.我国三大区域 PM2.5源解析研究进展[J].现代化工，2017，37（4）：1～7.

[3]燕丽，杨金田. 我国大气细颗粒物污染现状及控制对策探讨[J]. 中国人口·资源与环境. 2013（S2）：82～84..

[4]齐婧辰。雾霾天气对人体健康的影响[J]. 中国城乡企业卫生，2017（3）：43～47.

[5]毛小平，吴冲龙，辛广柱.北京市冬季空气来源及成因分析[J].地学前缘，2017，24（8）：1～9.

[6]尹洧.大气颗粒物及其组成研究进展[J].现代仪器， 2012，18（3）：1～10.endprint