含碳气溶胶的影响与定量偏差研究

2018-02-02张洁

资源节约与环保 2018年11期

张洁

（江苏省环境科学研究院大气所江苏南京 210000）

引言

伴随着经济的迅速发展以及城市化进程的不断加快，长三角地区能源消耗与机动车数量大幅增加，已成为全国范围内重污染区。含碳气溶胶，即有机碳（OC,Organic Carbon）和元素碳（EC,Elemental Carbon）为PM2.5中的重要组成。其中OC对人体健康影响显著，EC对区域乃至全球尺度的气候变化产生不可忽视的影响。由于石英膜易吸附气态有机物，同时吸附于颗粒物上的SVOC在采样过程中也可能挥发，含碳气溶胶的定量受到采样偏差影响。受OC、VOC与半挥发性有机物（SVOC,Semi-Volatile Organic Compounds）浓度、组成及气象等其他因素的影响，OC的采样偏差随采样时间、地点不同存在较大变化。

1 含碳气溶胶的健康影响

有机碳（organic carbon,OC）与元素碳（elemental carbon,EC）是颗粒物种的主要成分。OC主要来源于燃煤、机动车、生物质燃烧，以及与大气化学转化过程中生成的二次有机物。OC对人体健康影响显著，其中多环芳烃（PAHs）是致癌物和致突变物。流行病学调查指出，心血管与呼吸道疾病的发病率与致死率的上升，与交通源排放的颗粒物暴露有关长期暴露更可能导致肺癌。EC主要来源于含碳燃料的不完全燃烧，包括工业燃烧、钢铁、机动车和居民生活燃烧排放等。

2 含碳气溶胶的环境影响

根据上海与杭州市的观测结果，含碳气溶胶占PM2.5浓度的21%和30%，南京市的观测结果显示含碳气溶胶站PM2.5浓度的23%[1-2]。长三角地区化工与石化行业总产值高，这些行业排放大量的颗粒碳与挥发性有机物（VOC,Volatile Organic Compounds），对二次有机气溶胶（SOA,Secondary Organic Aerosol）形成存在关键影响。同时，机动车排放对一次PM2.5中OC与EC的浓度，以及SOA的生成，均有重要贡献。EC对区域乃至全球尺度的气候变化产生不可忽视的影响，大气中EC造成的加热效应已经抵消其他人为源排放气溶胶的冷却效应，进而增强温室效应，EC可作为云凝结核，造成降水量变化。

3 含碳气溶胶正负偏差的定量方法

含碳气溶胶的采样受正负偏差的影响而难以定量。由于石英膜耐高温，因此被广泛运用于含碳气溶胶采样与分析中，但是石英膜比表面积较大，易吸附气态有机物，造成正偏差而高估OC。同时吸附于颗粒物上的SVOC在采样过程中也可能挥发，造成负偏差而低估OC。有研究者利用层叠滤膜的方式观测正偏差，即在采样膜之后再增加一层石英膜，认为吸附在此石英膜上的OC为正偏差。也有研究者采用溶蚀器（denuder）与吸附膜相结合的方式进行正负偏差的同时定量，即首先使用denuder吸附采样气流中的气态有机物，再使用滤膜采集颗粒态OC，最后利用吸附膜采集并定量颗粒物种挥发出来的SVOC，其中正偏差定义为这种方法获得OC与传统单张石英膜采样得到OC的差值，负偏差定义为吸附膜收集的SVOC。

4 大气环境含碳气溶胶的正负偏差影响分析

受 OC、VOC与半挥发性有机物（SVOC,Semi-Volatile Organic Compounds）浓度、组成及气象等其他因素的影响，OC的采样偏差随采样时间、地点不同存在较大变化。已有研究针对北京市的冬、春和夏季分别进行30天左右的连续采样，结果表明OC的正偏差在三个季节占OC的比例分别为10%、18%和23%[3]。研究普遍认为正偏差在采样偏差中占主导地位，负偏差通常较小，甚至可以忽略。除排放可能被低估等原因之外，较大的正偏差也将造成OC观测值的高估。