长沙冬季PM2.5、PM10中金属元素的浓度及分布特征

黄金秀

（湖南品标华测检测技术有限公司，湖南 长沙 410000）

大气颗粒物是表征环境空气质量的重要指标［1］，其主要由含碳物质、水溶性无机盐和不溶性矿物质组成，且其上能附着各种有毒有害的病原体，当其进入到人体后，会严重损害人体健康并引起各种疾病［2］，粒径越小的颗粒物对人体的伤害越大［3］，依据环境空气质量标准（GB 3095-2012）要求，现阶段大气污染物监测中对大气颗粒物主要监测粒径为PM10和PM2.5，就危害程度而言，PM2.5的危害更大［4］。

颗粒物中金属元素的质量占比虽然不大，但其危害却远大于颗粒物中其它组分，所以探索颗粒物中的金属元素含量是十分有必要的［5］。本文选取长沙县三个有代表性的区域进行PM10和PM2.5浓度观测和成分分析，以求探索颗粒物中各金属浓度和分布特征，为长沙县市民冬季出行提供一定的科学参考。

1 试验材料与仪器

1.1 试验药品

硝酸（优级纯）；氢氟酸（优级纯）；超纯水（实验室自制）；K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr标准溶液及其它实验室常规药品。

1.2 试验仪器与设备

电子分析天平（上海恒平，AE323型）；超声波（深圳万德盛，XWDS-1018型）；环境颗粒物测尘仪（美国赛默飞世尔科技有限公司，SHARP 5030型）；超级纯水机（南京易普易达科技发展有限公司，EPED-E2-20TH型）；电感耦合等离子体质谱仪（安捷伦，ICP-MS7500ce）。

移液管、玻璃棒、容量瓶，烧杯、量筒、胶头滴管等常规实验室玻璃仪器。

2 试验方法

2.1 采样方法

选取长沙县某商业区、居住区和对照区3个监测区域，每个区域选择1个居住（或办公）场所的室内和1个人少的室外共计2个监测点，监测结果取2个监测点的平均值。

从12月1日～30日，连续监测30 d，对每个监测点的PM2.5进行采样，采样时间为24 h，获得的样品在4 h内进行处理和分析。

2.2 消解方法

塑料镊子轻轻夹住石英滤膜，于电子天平上称量其质量，用陶瓷剪刀把石英滤膜剪成8等份，称量任意一份质量。然后用陶瓷剪刀把这份石英滤膜剪成小块于清洁的10 mL离心管中（注意不要污染样品），加入10 mL 5%硝酸，70℃超声3 h，空白石英滤膜的处理和样品处理一致。取出，冷却，用一次性注射器和0.45μm的水相针式过滤器过滤，待测。

2.3 测试方法

金属元素的浓度测定方法：将消解定容后的待测液于电感耦合等离子体质谱仪中测定，每个样品重复测试3次，取平均值作为最终值。PM2.5的测定：重量法（HJ 618-2011）。

3 结果与分析

3.1 空气中PM2.5的月变化率

对各区域空气中PM2.5进行采样检测、统计分析，结果如图1所示。

图1 PM2.5物日均浓度变化

由图1可知，空气中PM2.5浓度总体呈现商业区＞居住区＞对照区的趋势，其中商业区、居住区、对照区PM2.5浓度达到空气中一级标准的天数分别为12 d、13 d、19 d，达到二级标准的天数分别为27 d、29 d、30 d，商业区在20日PM2.5浓度达到最高，达97 μg／m3，居住区PM2.5浓度最高为87μg／m3，且最高值出现的日期与商业区相同，对照区PM2.5浓度最高为63μg／m3。

3.2 空气中PM10的月变化率

对各区域空气中PM10进行采样检测、统计分析，结果如图2所示。

图2 PM10物日均浓度变化

由图2可知，空气中PM10浓度总体呈现与PM2.5相同的趋势，商业区＞居住区＞对照区的趋势，其中商业区、居住区、对照区PM10浓度达到空气中一级标准的天数分别为9 d、17 d、28 d，达到二级标准的天数分别为29 d、30 d、30 d，商业区在22日PM10浓度达到最高，达160μg／m3，与二级标准150μg／m3较为接近，居住区16日PM10浓度最高为94μg／m3，对照区14日PM10浓度最高为62μg／m3，与一级标准50μg／m3较为接近。

对比同一个区域PM10浓度与PM2.5浓度的变化发现，商业区和居住区的两者并未有发现两个呈现明显相同的变化趋势，对照区PM10浓度与PM2.5浓度的变化趋势有一定的相似，说明对照区PM10浓度与PM2.5浓度的影响源大体相同。

3.3 金属元素的加标回收率试验

对K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素进行加标回收率试验，试验结果见表1。

表1 金属元素加标回收率 %

由表1可知，各元素的加标回收率在85.2%～102%之间，相对标准偏差在0.19%～8.39%，符合测试要求。

3.4 PM2.5中金属元素的浓度分析

对各区域空气中PM2.5进行采样检测，分析PM2.5中K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素的月平均值，结果见表2。

表2 PM2.5中化学组分质量浓度 μg／m3

对以上13中金属元素在3个监测区PM2.5中的含量进行分析，各元素在3个区PM2.5中的含量虽然存在一定差异，但质量浓度前五的元素相同，为Na、Ca、K、Al和Mg，其中含量最高的重金属元素为Cu和Mn，在商业区分别达到0.138μg／m3和0.187μg／m3，居民区分别达到0.087μg／m3和0.192μg／m3，对照区分别达到0.053μg／m3和0.164μg／m3。

对单个元素在不同区域PM2.5中含量进行比较，除少数几个元素外，如Mn、Ca等，总体呈现商业区＞居住区＞对照区的趋势，且对照区PM2.5中，As的含量处于电感耦合等离子体质谱仪检出限以下。

3.5 PM10中金属元素的浓度分析

对各区域空气中PM10进行采样检测，分析PM10中K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素的月平均值，结果见表3。

表3 PM10中化学组分质量浓度 μg／m3

对3个监测区PM10中的金属元素含量进行分析，质量浓度前5的元素为：Na、Ca、Fe、Al和Mg，其中含量最高的重金属元素为Cu和Zn，在商业区分别达到1.34μg／m3和1.23μg／m3，居民区分别达到0.974μg／m3和1.01μg／m3，对照区分别达到0.532μg／m3和0.568μg／m3。对单个元素在不同区域PM10中含量进行比较，除少数几个元素外，如Mn、Ca等，总体呈现商业区＞居住区＞对照区的趋势。

对比PM2.5、PM10中的各金属元素含量，在相同区域，PM2.5、PM10中的各金属元素含量大小排序基本相同，含量最高的5种元素中，相同的有4种，而重金属元素中，Cu的含量都较高，而含量最低的重金属则都为As。这从一个方面显示，PM2.5、PM10中的各金属元素的贡献源基本相同。

4 结 论

通过对现商业区、居住区、对照区三个区域的PM2.5、PM10浓度进行统计分析，空气中PM10、PM2.5浓度总体呈现商业区＞居住区＞对照区的趋势，商业区和居住区的PM10浓度与PM2.5浓度变化趋势不同，对照区PM10浓度与PM2.5浓度的变化趋势有一定的相似，说明对照区PM10浓度与PM2.5浓度的影响源大体相同。

K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、As、Al、Ba、Cr元素进行加标回收率试验，各元素的加标回收率在85.2%～102%之间，符合测试要求。

对PM2.5、PM10的各元素贡献率进行分析，PM2.5中贡献率最大的5类金属元素为Na、Ca、K、Al和Mg，重金属中贡献率最大的为Cu和Mn；PM10中为Na、Ca、Fe、Al和Mg，重金属中贡献率最大的为Cu和Zn，PM2.5、PM10中含量最低的重金属元素都为As。