焦作市冬季PM2.5中水溶性离子组成特征及来源解析*

2020-07-01潘湘龙潘媛媛肖化云张忠义郑能建张永运

环境污染与防治 2020年6期

潘湘龙潘媛媛肖化云张忠义郑能建张永运

(1.东华理工大学江西省大气污染成因与控制重点实验室，江西南昌 330013；2.东华理工大学地球科学学院，江西南昌 330013；3.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西南昌 330013)

近年来，PM2.5已成为许多城市大气的首要污染物[1]。PM2.5不仅可以直接穿透人体肺泡，影响人的呼吸系统，导致呼吸道疾病[2-3]，还能为其他有毒有害物质提供附着点，进一步加剧对人体的危害程度。此外，PM2.5对大气能见度、平流层臭氧和全球气候也会产生直接或间接的影响[4]。

前期研究表明，水溶性离子是PM2.5的重要化学成分，在PM2.5中的占比为20%(质量分数，下同)～45%，重度污染天甚至超过70%[5-6]。不同城市PM2.5的组成结构和浓度与其地理环境、气象条件和能源结构等相关。目前，国内对水溶性离子的研究多集中于发达城市和地区，如北京市、广州市及京津冀、长三角、珠三角及四川盆地等[7-12]。而对欠发达地区的关注有限。

焦作市位于河南省西北部，北依太行山，是以煤炭为主要能源的中等工业化城市，灰霾天气频发。曹景丽等[13]对河南省17个城市2015年的PM2.5污染状况进行统计，发现焦作市PM2.5污染位于河南省前列，尤其是春冬季，平均PM2.5质量浓度均超过100 μg/m3。近年来，已有学者对焦作市大气颗粒物的组成和来源、大气颗粒物浓度与气象参数的相关关系进行研究，而对PM2.5中水溶性离子的组成和来源分析未见报道。

为此，本研究以焦作市冬季大气PM2.5为研究对象，对其水溶性无机离子进行分析，比较清洁天和污染天的水溶性离子特征差异，结合相关性分析、主成分分析和后向轨迹模型等对焦作市PM2.5的来源进行解析，为焦作市大气污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

本研究使用KC-1000型采样器，配备石英滤膜(pall Tissuqu-artzTM)采集PM2.5样品，采样流量1.05 m3/min。采样点位于焦作市河南理工大学(113°15′E，35°11′N)，该点位于焦作市市区内，附近无高建筑物阻挡，可以代表焦作市城区PM2. 5的污染状况。样品采集时间为每天上午9:00至次日上午8:30，约23.5 h/d，连续采集3个月(2017年12月1日至2018年2月28日)，共收集有效样品90个，记录采样时长、实况体积、气温和气压等相关参数。采样前将滤膜放置马弗炉里(450 ℃)灼烧6 h去除有机质等杂质的干扰，然后放入干燥皿中冷却后称重，置于自封袋保存备用。

PM2.5浓度、气象数据、SO2、NO2日排放量数据来源于焦作市高新区政府国控站点(113°14′E，35°10′N)。

1.2 样品分析

在超净室内，用陶瓷剪刀将采集的PM2.5样品滤膜剪取1/8放置50 mL离心管内，并加入50 mL去离子水超声30 min，并以4 200 r/min离心10 min，最后用0.22 μm的微孔滤膜过滤得上清液，用于阴阳离子的测定。采用Dionex Aquion型离子色谱(ICS-2000，美国Thermo公司)测定水溶性离子质量浓度。

1.3 数据可靠性

本研究测得的9种水溶性离子阳离子摩尔电荷数(y，μmol/m3)与阴离子摩尔电荷数(x，μmol/m3)的拟合公式为y=1.006 3x+0.237 4(R2=0.837 6)，表明PM2.5中阴阳离子电荷数基本平衡，分析数据的有效性和可靠性较高，所分析的数据能够代表焦作市冬季PM2.5中主要的水溶性离子组分含量。

2 结果与讨论

2.1 PM2. 5及水溶性离子的浓度特征

采样期间，焦作市冬季日均PM2.5质量浓度为17.58～334.63 μg/m3，平均值为99.11 μg/m3。以《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中PM2.5的二级日均标准限值75 μg/m3为标准，PM2.5≥75 μg/m3为污染天，PM2.5<75 μg/m3为清洁天，则采样期间污染天高达46 d。与其他城市2017年冬季PM2.5质量浓度相比(见图1)，焦作市PM2.5质量浓度高于北京市、太原市、武汉市、济南市，与石家庄市、西安市、郑州市相近，可见焦作市PM2.5污染严重，但与2016年焦作市同期PM2.5(130.85 μg/m3)相比，浓度显著降低，说明焦作市空气质量有所改善。这可能与2017年焦作市政府推行的“煤改气”“煤改电”等一系列污染控制政策有关。

图1 不同城市2017年冬季PM2.5质量浓度Fig.1 Concentration of PM2.5 in different cities in winter 2017

表1 清洁天和污染天PM2.5及各水溶性离子质量浓度特征

2.2 PM2.5及水溶性离子变化特征

2.3 清洁天和污染天的硫氧转化和氮氧转化

表2 清洁天和污染天的统计

2.4 清洁天和污染天PM2.5中水溶性离子来源分析

2.4.1 来源解析

图2 SOR和NOR与相对湿度的关系Fig.2 Relationship between SOR，NOR and relative humidity

2.4.2 成分源解析

本研究采用SPSS 19.0对焦作市冬季清洁天和污染天PM2.5中水溶性离子成分进行主成分分析，结果见表3。

表3 清洁天和污染天PM2.5中水溶性离子的旋转因子载荷矩阵

整体来看，焦作市PM2.5中水溶性离子在清洁天主要受工业和生物质燃烧影响，而污染天主要受气态污染物二次转化影响。这是由于污染天相对湿度更高(污染天相对湿度58.76%，清洁天相对湿度33.66%)，更有利于污染物的二次转化。

2.4.3 后向轨迹分析

大气颗粒物及化学组分特征既受到本地污染源的影响，又受到外来输送气团的影响。焦作市冬季气团后向轨迹聚类分析表明：采样期间焦作市冬季气团来源主要有3个方向：聚类1(贡献率46%)的气团来源于京津冀地区，气流轨迹短，移动速度慢，属于低空气团，途经华北城市群，该气团有人为源空气污染物的积累，特别是冬季供暖季，带来大量燃煤废气以及汽车尾气；聚类2和聚类5(贡献率合计30%)的气团来自于西北地区，开始于新疆、甘肃地区，途经内蒙古、黄土高原传输至焦作市，受冬季西北季风影响，传输速度较快，途经地区植被稀少，沙漠土壤尘粒较多，可能会带来沙尘影响；聚类3和聚类4(贡献率合计24%)的气团来源于俄罗斯和蒙古国地区，气流轨迹最长，受冬季西伯利亚冷高压影响，传输速度最快。