郑州市近地层1.5和40米处大气气溶胶中微量元素及晶体物质的分布
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郑州市近地层１．５和４０米处大气气溶胶中 微量元素及晶体物质的分布 李尉卿‘毛晓明２李舒‘李睿”（‘河南省环境保护研究院郑州４５０００４ ２河南大学化学化工学院开封４７５００１） （ ３澳大利亚卧龙Ａ大学计算机学院悉尼２５００） 摘要采集了近地面１．５ｍ和４０ｍ处气溶胶中的ＴＳＰ， ＰＭｉｏ， Ｓ０２和ＮＯｘ。并对ＴＳＰ， ＰＭｉｏ中的Ａｇ， Ａｌ， Ａｓ， Ｂａ，Ｂｅ， Ｂｉ， Ｃａ， Ｃｄ， Ｃｏ， Ｃｒ， Ｃｕ， Ｆｅ， Ｐｈ， Ｓｂ等２６种微量元素的浓度进行了分析；对ＴＳＰ和ＰＭ１。的物相结构进行了Ｍｉｌ试。讨论和研究了气溶胶中不同高度微量元素及晶体物质的垂直分布规律和部分污染物的来源，为河南省和郑州市大气气溶胶的研究莫定了基础。 关键词气溶胶；ＴＳＰ； ＰＭｉｏ；微量元素；晶体物质 中图分类号Ｘ５１３
Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｉｄｓ ｏｆ Ａｅｒｏｓｏｌ ｉｎ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ａｎｅａｒ Ｇｒｏｕｎｄ Ｌａｙｅｒ ｏｆ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ Ｌｉ Ｗｅｉｇｉｎｇ＇， Ｍａｏ Ｘｉａｏｍｉｎｇ２， Ｌｉ Ｓｈｕ＇， Ｌｉ Ｒｕｉ＇ （＇Ｈｅｎａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００４， Ｃｈｉｎａ ＇Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｋａｉｆｅｎｇ ４７５００１， Ｃｈｉｎａ ＇Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｃｉｅｎｃｅ Ｗｏｌｌｏｎｇｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｕｓｔｒａｌｉａ， ＮＳＷ ２５００） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ， ｔｈｅ ＴＳＰ， ＰＭ１ｏ， Ｓ０２ ａｎｄ ＮＯ． ｗｅｒｅ ｇａｔｈｅｒｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｅｒｏｓｏｌｓ ａｔ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ １．５ｍ ａｎｄ ４０ｍ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ２６ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｉｎ ＴＳＰ ａｎｄ ＰＭ１ｏ ｓｕｃｈ ａｓ Ａｇ， Ａｌ， Ａｓ， Ｂａ， Ｂｅ， Ｂｉ， Ｃａ， Ｃｄ， Ｃｏ， Ｃｒ， Ｃｕ， Ｆｅ， Ｐｂ，Ｓｂ． Ａｌｓｏ， ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｏｆ ＴＳＰ ａｎｄ ＰＭ１ｏ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒｌｉｎｅｓｓ ｏｆ ｎａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄｖａｒｉｏｕｓ ｍｉｃｒｏｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｃｒｙｓｔａｌｌｏｉｄｓ ｉｎ ａｅｒｏｓｏｌ ａｔ ｅａｃｈ ｈｅｉｇｈｔ． Ａｎｄ， ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔｒａｃｅｄ ａｂｏｕｔ ｓｏｍｅ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｉｎ ａｅｒｏｓｏｌｓ． Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｌａｉｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ａｅｒｏｓｏｌｓ ｉｎ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ａｎｄ Ｈｅｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ａｅｒｏｓｏｌ； ＴＳＰ； ＰＭ１ｏ； ｍｉｃｒｏｅｌｅｍｅｎｔ； ｃｒｙｓｔａｌｌｏｉｄ
１引言 大气气溶胶中的各种化学成分及其不同高度的变化是当今世界大气污染气象学研究和气候变化研究的一项重要内容。大气中的微粒已成为危害人类生存，影响大气环境的主要污染物〔‘’。世界上一些国家的环境科学家和中国的环境和气象科学家对一些城市大气气溶胶中的ＴＳＰ， ＰＭＴ。和ＰＭ２．５的化学成分进行了采样分析，并进行了污染因子分析。作者虽报导过河南主要城市大气中ＴＳＰ和ＰＭ １。的污染特性［［２１，但对我国中部城市气溶胶微粒的物相组成【３］及其性质却很少见报道，对近地层中不同高度的污染物采样、化学元素和物相结构的报导见得更少。基于大气环境研究的目的，我们在采集郑州市某区域大气边界层１．５ｍ和４０ｍ两个高度气溶胶中的Ｓ０２， ＮＯｘ， ＴＳＰ和ＰＭＴ。的基础上，对其中的化学元素进行了分析，并对ＴＳＰ和ＰＭ １。的物相结构进行了测试，对其中的一些分布规律进行了研究。
２仪器和试验２．１采样 ２００５年８－１０月我们对郑州市某区域边界层高度为
１．５ｍ和４０ｍ的大气气溶胶用武汉天虹ＳＰ－１０００Ｃ型采样器和ＰＭ１ｏ－１０００型切割器对气溶胶中的ＴＳＰ， ＰＭｉｏ（每次采时７２ｈ，流量１００ｍ３／ｍｉｎ． ８月份采样平均温度２７．７ ０Ｃ ；９月２５．５－Ｃ； １０月２２．３ ０Ｃ ， ８月份采样时平均大气压１０１．５ｋＰａ ； ９月１００．１ｋＰａ； １０月１００．９ｋＰａ）进行了采集；用ＴＨ－３０００Ｂ Ｉ型大气采样器同时采取大气中的Ｓ０２和ＮＯ，２．２样品分析 用美国Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｍｅｎｔａｌ的ＩＲＩ－Ａｄｖａｎｔａｇｅ ＩＣＰ－ＡＥＳ光谱仪分析了ＴＳＰ和ＰＭ１。中的Ａｇ， Ａｌ， Ｂａ， Ｂｅ， Ｃａ，Ｃｄ， Ｃｏ， Ｃｒ， Ｃｕ， Ｆｅ， Ｋ， Ｍｇ， Ｍｎ， Ｍｏ， Ｎａ， Ｎｉ， Ｐｂ，Ｓｂ， Ｓｎ， Ｓｒ， Ｔｉ， ＴＩ， Ｚｎ等２３种元素。用北京海光分析仪器公司的ＡＦＳ－３０００型双道原子荧光光度计分析了Ａｓ， Ｓｅ等元素和用上海分析仪器厂的７２１分光光度仪测定了ＳＯ：和ＮＯ，，；用丹东奥龙射线公司的Ｙ－２０００Ｘ射线衍射仪测定了ＴＳＰ和ＰＭ １。样品中的物相组成。
３结果与讨论３．１大气气溶胶的化学成分 大气气溶胶的化学元素，可分为自然源的地壳元素和人为源的污染元素。由于各地工业、能源、生活状况不同，时间和季节的不同，经济发展速度和管理收稿日期：２００６－１２－１０作者简介：李尉卿（１９４８一），教授，主要从事环境科学和环境工程研究
９２Ｍｏｄｅｒｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ２００７ １水平不同，世界各地大气边界层气溶胶中污染元素有着很大差异。据各国气象部门和环境监测部门采集的大气气溶胶样品分析结果得知［４１，气溶胶中含有Ｓ１，Ａｌ， Ｆｅ， Ｃａ， Ｍｇ， Ｂａ， Ｂｅ， Ｓｒ， Ｓ， Ｐ， Ｃｌ， Ｎａ， Ｋ， Ｃｕ，Ｚｎ， Ｃｄ， Ｎｉ， Ｃｏ， Ｆ， Ｂｒ， ＮＨ４＋， ＮＯ。一、Ｓ０４２－， Ｃｌ－， Ｃ０３ｚ－，Ｓ０２， Ｎ０２， ０３．．．…等元素、离子和分子。表１给出了郑州市某区域不同高度采样和ＴＳＰ， ＰＭｌ。和Ｓ０２， ＮＯ、等污染物分析结果。 由表１可知，在１．５ｍ高度时ＰＭ１。占ＴＳＰ的６３．２％，在４０ｍ高度时占７４．１％； ＴＳＰ， ＰＭＩｏ， ＮＯ．， ＳＯ：的浓度随采样高度的增加而增加。该结果与文献报道‘５’的冬、夏两季的北京地区的结果相反，但与文献［［６１报道中的气溶胶质量垂直分布图近地层的状况相一致。Ａｓ，Ｃｄ， Ｋ， Ｐｂ， Ｓｂ， Ｓｅ， Ｓｎ， ＴＩ， Ｚｎ等微量元素的含量也随高度的增加而增加。Ａｌ， Ｃａ， Ｃｏ， Ｃｕ， Ｆｅ， Ｍｇ，Ｎａ， Ｎｉ， Ｔｉ等元素则相反。在ＰＭ１。和ＴＳＰ中，Ｆｅ， Ｋ，
表１郑州市１．５ｍ和４０ｍ处大气气溶胶的微粒和化学物质含量测得气溶胶中的微粒和化学物质含量ＴＳＰ０．２０８２５０２０．０４６ＮＯ．０．０６７ＴＳＰ０．２６８４Ｓ０２０．０９０ＰＭＩＯ Ｓ０２０．１３１６４０ｍ ＰＭｔｏ Ｓ０２ ０．１９９１Ａｇ０．０００１Ｍｎ０．０２９Ａｇ０．０００５Ｍｎ０．０３７Ａｇ０．０００１Ｍｎ０．０１７Ａｇ０．０００１Ｍｎ０刀１７Ａ１０．１５９Ｍｏ０．０００１Ａｌ０．１５２Ｍｏ０．００１Ａｌ０．０４９Ｍｏ０．００１３Ａｌ０．０２７Ｍｏ０．０００６Ａｓ０．０２Ｎａ０．２０８Ａｓ０．０４７Ｎａ０．２２８ＡＳ０．０１４Ｎａ０．０６３Ａｓ０．０２４Ｎａ０．０７６Ｂａ０．０００６Ｎｉ０．００３Ｂａ０．０００８Ｎｉ０．００４Ｂａ０．０００１Ｎｉ０．０００７Ｂａ０．０００２Ｎｉ０．００２Ｂｅ０．０００２Ｐｂ０．０３３Ｂｅ０．０００２Ｐｂ０．０６８Ｂｅ０．０００１Ｐｂ０．０１０Ｂｅ０．０００１Ｐｂ０．０３７Ｃａ０．１９９Ｓｂ０．０００２Ｃａ０．１９１Ｓｂ０．０００３Ｃａ０．０３１Ｓｂ０．０００４Ｃａ０．０３４Ｓｂ０．０００２Ｃｄ０．００３Ｓｅ０．００５Ｃｄ０．００５Ｓｅ０．０１０Ｃｄ０．００２Ｓｅ０．００４Ｃｄ０．００２Ｓｅ０．００６Ｃｏ０．０００８Ｓｎ０．０７Ｃｏ０．０００５Ｓｎ０．００２Ｃｏ０．０００３Ｓｎ０．０００４Ｃｏ０．０００２Ｓｎ０．０００８Ｃｒ０．００３Ｓｒ０．０５Ｃｒ０．００４Ｓｒ０．００１Ｃｒ０．０００５Ｓｒ０．０００１Ｃｒ０．００２Ｓｒ０．０００２Ｃｕ０．００１Ｔｉ０．００８Ｃｕ０．０００５Ｔｉ０．００８Ｃｕ０．０００４Ｔｉ０．００１Ｃｕ０．０００４Ｔｉ０．０００６Ｆｅ１．２１６Ｔｌ０．０２８Ｆｅ０．７２２卫０．０４２Ｆｅ０．１９６Ｔｌ０．００３Ｆｅ０． １２０ＴＩ０．０１８Ｋ１．０５０Ｚｎ０．３２３Ｋ１．５６７Ｚｒｉ０．４８６Ｋ０．３８２Ｚｎ０．１１２Ｋ０．７１３Ｚ．ｎ０．０２９
Ｍｇ０．０３４
Ｍｇ０．０３８
Ｍｇ０．０２１
Ｍｇ０．０２６
伍０８
Ｏｘ
ｏｘ
Ｎ以
Ｎ
Ｎ
枷１５ｍ
注：表中ＴＳＰ， ＰＭｊｏ， ＳＯ２， ＮＯ！的浓度单位为：ｍｇ／ｍ３ ，金属元素浓度单位：“ｇ／ｍ＇。子多以Ｋ＊， Ｎａ＋， ＮＨ４＇， Ｍｇｚ＋为主，阴离子多以Ｃｌ－，Ｎ０３－， ＳＯ户和ＯＨ一为主。这些离子都有可能成为暖云降雨时的催化剂，阴离子也有可能成为污染环境的酸雨成云剂。表２易潮解无机物的晶体参数和性质Ｒ｝４７０‘Ｊ，Ｊ内、００００００叼０１产７凡、Ｃａ， Ｎａ， Ｚｎ， Ａｌ元素含量相对较高。它们主要来自城市附近建筑工地及市郊的石灰石矿山、铁矿山、水泥厂和铝冶炼厂。分析这一原因，Ｐｂ， Ｂｒ， Ｂａ主要来自汽车排放的尾气；Ｚｎ， Ｓｎ， Ｃｄ来自废物燃烧；Ａｓ， Ｂｒ，Ｋ， Ｓｂ， Ｃｄ， Ｓｅ， Ｓ来源于燃煤，Ｎａ， Ｃｌ来源于海盐，Ａｌ， Ｃｅ， Ｍｇ， Ｔｉ， Ｃａ来源于土壤扬尘；Ｖ和Ｎｉ来源于石油类燃烧［６，１０１。生活燃气，金属冶炼，化工产品的制造和提纯等活动进行时，这些元素就会随着烟气或烟尘排放、挥发或蒸发到高于近地层的大气中，被边界层的大气气溶胶吸附，而被富集、滞留在大气边界层下层的细粒子中。３．２大气气溶胶中的晶体物质 大气气溶胶中存在着各种各样的晶体物质，某些晶体物质既能污染环境，又能影响大气降水「８］。气溶胶中的晶体物质分为可溶性晶体、难溶性晶体【６，８１，他们主要存在于ＴＳＰ和ＰＭｌ。中。如：ＮａＣｌ， ＣａＣｌ２， ＮａＮ０３，ＫＣＩ， ＮＨ４Ｃ１， ＮＨ４Ｎ０３， （ＮＨ４）２ＳＯ４属可溶性晶体，气象学中称为吸湿性晶核。按照晶体对称划分，可溶性晶体分为立方型、正交型、单斜型晶、四方、六方、三方型和三斜等晶系。表２列出了部分易潮解无机化合物晶型、密度和溶解性。 由表２可以看出，这些易潮解晶体物质中的阳离
