运用单颗粒气溶胶质谱技术初步研究广州大气矿尘污染

自主研发的单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(Single Particle Aerosol Mass Spectrometer,SPAMS)采用空气动力学透镜、双激光测径系统以及双极飞行时间质量分析器,并用其对广州市大气细颗粒物进行在线分析,实现了矿尘颗粒物的空气动力学直径和化学组成的同时检测. 在连续4 d的采样中,共采集到249 057个粒径在0.2～1.2 μm且同时含有正负质谱信息的颗粒物,其中矿尘颗粒物占7.9%. 结果表明:矿尘颗粒物的正离子成分以Ca2+,K+>/sup>,Fe2+和Na+>/sup>为主,同时还含有Li+>/sup>,Mg2+,V>/sup>5+,Ba2+和Ti4+等;负离子成分以NO₃->/sup> 和NO₂->/sup>为主,另外还含有HSO₄->/sup>,SiO₃->/sup>和PO₃->/sup>等. 在广州市大气细颗粒物中,矿尘贡献不如含碳颗粒物和生物质燃烧颗粒物,且在矿尘颗粒物中贡献较大的几类(如含钙、含铁、含钠钾颗粒物等)大多是老化的成分.      

2004年春季北京一次沙尘暴的理化特性分析

2004-03-27～2004-03-29北京发生沙尘暴天气期间,监测了气溶胶TSP、PM10和PM2.5的浓度,利用撞击式采样器采集了8级膜样品,并用ICP-MS分析了气溶胶中元素的含量,同时监测了地面辐射和风速的变化.结果显示,此次沙尘暴导致TSP浓度比平时增加3～4倍,PM10浓度增加2～3倍,PM2.5浓度有所降低.研究还表明:地壳元素Na、Mg、Al、Mn和Fe主要分布在粗粒子上.而污染元素Zn、Pb主要分布在细粒子上,污染元素主要是本地源.沙尘暴对总辐射有明显的影响,导致地面总辐射衰减了37.8%.受大风影响粗粒子浓度增加显著,细粒子浓度明显减少.     

气溶胶和餐厅烟尘中有机氯农药特征与来源

使用GCIECD（气相色谱／电子捕获检测器）及毛细色谱柱定量分析粤港地区气溶胶和餐厅烟尘中有机氯农药的组成和分布特征,并分析其主要来源研究表明,从研究区大气环境中的气溶胶样品及餐厅烟尘颗粒物中,检出12种有机氯农药．其中6种DDT（滴滴涕）及其代谢物,3种BHC（六六六）和其它3种含氯农药,浓度范围在0.20～60.78pg/m³．靠近农田和果园的气溶胶及餐厅烟尘颗粒物中4,4'－DDT和2,4'－DDT浓度较高,说明大气环境中的DDT不仅来源于农药施撒过程和农田表层土壤,而且还来源于动物脂肪高温裂解的释放。     

内陆输送过程中沙尘单颗粒类型及其非均相反应

采用单颗粒分析方法对2004 年2~3 月发生在北京的3 次沙尘暴的样品中沙尘颗粒物的化学成分进行了测定.3 次沙尘暴的反向轨迹图显示,它们主要来自于中国北部、西北部和蒙古的戈壁沙漠地区,且这些沙尘颗粒主要通过高空长距离输送到下游区域.使用带能谱的扫描电镜对481 个沙尘颗粒进行分析,并根据成分特征,把这些沙尘颗粒划分为8 种类型,主要类型有“富Si”、“富Ca”、“富S”、“富Fe”.将北京样品分析结果与呼和浩特、塔克拉玛干和敦煌的结果进行对比,结果显示,长距离输送的沙尘颗粒表面发生了SO₂ 的非均相化学反应,导致部分颗粒局部的表面发生化学修改作用,且“富Ca”的碱性矿物为非均相化学反应提供了更有利的反应界面.     

沙尘暴PM2.5水溶和有机成分对巨噬细胞的损伤

用超纯水或二氯甲烷从甘肃省武威市和内蒙古包头市采集的沙尘暴细颗粒物(PM2.5)中提取水溶成分和有机成分,于体外处理大鼠肺泡巨噬细胞4h,测定细胞谷胱甘肽(GSH)和丙二醛(MDA)含量、质膜ATP酶活性、膜表层和膜脂疏水区流动性、胞质内游离钙离子(Ca2+)浓度以及细胞培养液中乳酸脱氢酶(LDH)和酸性磷酸酶(ACP)活性.结果表明,沙尘暴PM2.5水溶成分可抑制质膜Ca2+-Mg2+-ATP酶、Na+-K+-ATP酶活性,降低质膜表层和膜脂疏水区流动性,增加胞质LDH外渗,并使细胞脂质过氧化作用增强、抗氧化能力减弱,但对ACP和Ca2+浓度影响不大;有机成分除引起胞质LDH渗漏、质膜Na+-K+-ATP酶活性下降外,对其它测定指标的影响无统计学意义.说明沙尘暴PM2.5水溶和有机成分均可对肺泡巨噬细胞产生毒性,其中水溶成分的毒性作用大于有机成分.     

南半球海洋大气气溶胶单颗粒的理化特性分析

运用透射电子显微镜-X射线能谱技术分析了中国第29次南极科考期间采集的大气气溶胶单颗粒样品,获得颗粒物的形貌特征、混合状态、成分组成及数量分布等信息.结果表明,航渡区域海洋上空的颗粒物主要表现为4类:海盐颗粒、矿物颗粒、富硫颗粒和含碳颗粒,其中海盐颗粒占主导,本研究将海盐颗粒又分为新鲜、部分老化及完全老化的海盐颗粒.部分和完全老化的海盐颗粒占海盐颗粒总数的86%,且部分老化的海盐颗粒表面及完全老化的海盐颗粒以长条状Na2SO4成分为主.同时,发现两处采样点(印度洋中东部和南极内陆)的样品中富硫颗粒较多,根据后向气团轨迹判断这些富硫颗粒主要来源于海洋地区,推测是由海洋表面浮游生物释放的二甲基硫(dimethyl sulfide,DMS)经过大气氧化形成.本研究表明,南半球海洋大气中海盐颗粒老化是由海洋表面释放的DMS控制,这不同于北半球海洋大气中人为源影响的海盐颗粒老化现象.     

北京市不同天气条件下单颗粒形貌及元素组成特征

使用透射电镜(TEM)对采自北京市2011年3~4月间不同天气条件下的气溶胶样品进行观察,并对比2010年3月沙尘天气和2010年11月18日雾天样品,对可吸入颗粒物PM10的基本形貌、矿物元素组成和硫化特征等做比较分析.结果表明,采样期间PM10主要包括烟尘集合体、飞灰、矿物颗粒、二次反应颗粒等,不同天气条件下颗粒类型并无明显差别.采样期间矿物颗粒以“富Si”颗粒(占总量46%)为主,“富Ca”(总量17%)、“富S”颗粒(总量13%)为次要,“富Fe”(总量7%)及较少“富Na” 颗粒(总量6%)和其他颗粒.沙尘天气中沙尘暴输入大量沙尘颗粒使占颗粒83% 的“富Si”颗粒含量明显高于阴天的36%和雾天的32%.仅在阴天和雾天发现大量“富S”颗粒,其中雾天26%,阴天10.7%,说明这2种天气二次反应强烈,易于生成富S二次颗粒,对颗粒物元素组成产生影响.对所有含S颗粒分析表明,不同天气含S矿物含量差异较大,阴天16%,雾天36%,晴天和沙尘天气则含量很低,说明一定的SO2浓度下,大气湿度越大,硫化现象越明显.雾天颗粒物表面的硫化现象相当严重,在含硫量较高的颗粒中,绝大部分同时含有Ca、Na、Si、Fe等元素,说明大气中含Ca、Na、Si、Fe的碱性矿物对雾水酸性有一定的缓冲作用.     

沙尘暴期间上海市大气颗粒物元素地球化学特征及其物源示踪意义

采集了2009年10月～2010年10月上海市普陀、闵行、青浦这3个区的大气颗粒物(包括沙尘暴期间),并在南通、郑州、西安、北京等沙尘暴输沙沿途城市追踪采集春季大气颗粒物样品,运用XRF及ICP-MS分别测试了样品的主量及稀土元素含量.闵行、普陀、青浦区这3个区的大气颗粒物的化学组成非常相似,表明样品物源相似.将主量元素数据UCC标准化显示,沙尘暴样品主量元素含量较非沙尘暴样品更接近于黄土,可能主要来源于西北内陆地区,部分为局地源物质.北方各城市沙尘暴样品的稀土元素配分模式一致,且与黄土相似,说明沙尘暴样品物质来源与黄土接近,以壳源物质为主,说明非沙尘暴样品与沙尘暴样品和黄土物质来源不同,有非壳源物质的混合.     

西安泾河夏季黑碳气溶胶及其吸收特性的观测研究

为研究西安泾河夏季黑碳气溶胶及其吸收特性,利用2011年夏季西安远郊泾河大气成分站观测的黑碳气溶胶浓度、颗粒物质量浓度、探空资料、地面气象资料,计算边界层顶高度、气溶胶吸收系数、大气消光系数,导出单次散射反照率,并对其进行分析讨论.结果表明:西安夏季黑碳气溶胶浓度为6.07μg/m3;黑碳气溶胶占颗粒物质量浓度PM1.0比值为21.9%,黑碳气溶胶与颗粒物质量浓度PM1.0、PM2.5、PM10相关系数分别为0.69、0.85、0.91;黑碳气溶胶浓度受城市边界层顶高度影响,风向、风速对泾河黑碳气溶胶的堆积输送有不同作用;气溶胶吸收系数和大气消光系数日变化显著,气溶胶吸收系数占大气消光系数比值范围在12%~30%;季单次散射反照率平均值为0.76,变化范围在0.70~0.84.     

天山西部伊犁河流域土壤盐分特征

采用相关分析法与主成分分析法研究了伊犁河流域土壤盐分特征.结果表明:研究区域耕层(3～20 cm)土壤53.68%样地为非盐渍化土壤,18.38%为轻度盐渍化,13.97%为中度盐渍化,8.82%为重度盐渍化,5.15%为盐土;土壤盐渍化类型以硫酸盐渍土为主,占68.41%.盐分组成中,阴离子以SO₄2-和Cl-为主,阳离子以Na+和Ca2+为主;土壤盐分与Cl-和SO₄2-分别呈极显著、显著正相关关系,揭示了土壤盐分大小与w(Cl-)和w(SO₄2-)有关;表层(0～3 cm)土壤盐分平均值占0～60 cm土层盐分平均值的60.19 %,即土壤盐分垂直分布呈现强烈表聚性.主成分分析结果表明,盐分,w(Cl-),w(SO₄2-),w(Mg2+)与w(Ca2+)可作为研究区域土壤盐渍化状况的特征因子.不同土地利用类型条件下,耕层土壤盐分平均值从高到低依次为草地、旱田、稻田、林地.不同灌溉条件下,井灌农田耕层土壤盐分平均值为1.12 g/kg,渠灌农田耕层土壤盐分平均值为0.73 g/kg,渠灌农田耕层土壤盐分平均值比井灌农田小0.39 g/kg.不同时期耕层土壤盐分平均值从高到低依次为非灌溉期、夏灌期、秋灌期.      

Element and mineral characterization of dust emission from the saline land at Songnen Plain, Northeastern China

Recent observations of Asian dust storms show an eastern expansion of the source area to degraded lands, where dust emissions have been little studied. The dust concentrations over the saline land of the western Songnen Plain (SSL), Northeastern China, are circumstantially higher than those from the northwestern Chinese deserts. These concentrations are sensitive to the surface soil conditions and wind velocity on the ground. The dust samples collected during dust storm events on the SSL contain abundant Na, Mg, Al, K, Ca, Fe and Ti, as well as toxic elements such as Cu, V, Zn and Ba. Individual particle analysis reveals that fine saline particles (< 10 μm in diameter) on the saline land, consisting largely of carbonate, halite and sulfate together with lithogenic minerals such as SiO₂ and aluminosilicate, are eventually uplifted during the interval from spring to autumn. The predominantly fine saline particles uplifted from the SSL are likely transported eastward by the winter monsoon circulation and westerlies. Recent degradation of saline lands in Northeastern China would not only increase the frequency of dust storm events in the downwind area, but also might change the chemical composition of the Asian dust emissions.     

Physicochemical characteristics of ambient particles settling upon leaf surfaces of urban plants in Beijing

Particulate pollution is a serious health problem throughout the world, exacerbating a wide range of respiratory and vascular illnesses in urban areas. Urban plants play an important role in reducing particulate pollution. Physicochemical characteristics of ambient particles settling upon leaf surfaces of eleven roadside plants at four sites of Beijing were studies. Results showed that density of particles on the leaf surfaces greatly varied with plant species and traffic condition. Fraxinus chiuensis, Sophora japonica Ailanthus altissima, Syringa oblata and Prunus persica, had larger densities of particles among the tall species. Due to resuspension of road dust, the densities of particles of Euonymus japonicns and Parthenocissus quinquefolia with low sampling height were 2-35 times to other taller tree species. For test plant species, micro-roughness of leaf surfaces and density of particles showed a close correlation. In general, the larger micro-roughness of leaf surfaces is, the larger density of particles is. Particles settling upon leaf surfaces were dominantly PM30 （particulate matter less than 10 μm in aerodynamic diameter; 98.4%） and PM2.5 （particulate matter less than 2.5 μm in aerodynamic diameter; 64.2%） which were closely relative to human health. Constant elements of particles were C, O, K, Ca, Si, Al, Mg, Na, Fe, S, Cl and minerals with higher content were SiO2, CaCO3, CaMg（CO3）2, NaCI and 2CASO4. H2O, SiO2. CaCO3 and CaMg（CO3）2 mainly came from resuspension of road dust. 2CaSO4. H2O was produced by the reaction between CaCO3 derived from earth dust or industrial emission and SO2, H2SO4 or sulfate. NaCl was derived from sea salt.     

河西走廊1994－04－08浮尘暴·黄沙的气象特征和大气气溶胶测定

报道１９９４－０４－０７—１９９４－０４－０８河西走廊形成浮尘暴·黄沙天气过程、气象观测和大气总悬浮微粒（ＴＳＰ）测定结果,说明我国西北地区发生的浮尘暴·黄沙天气的气象及大气气溶胶特点。嘉峪关和酒泉一带是这次黄沙的中心;酒泉等地的ＴＳＰ浓度高达３８．００ｍｇ／ｍ３,室内ＴＳＰ浓度高达８．６３ｍｇ／ｍ３,自然降尘浓度达２９６．２２ｔ／（ｋｍ２·月）;黄沙云高约２０００—３０００ｍ;主要组成元素Ｓｔ、Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ和Ｔｉ等含量上升;黄沙沿嘉峪关、酒泉、金昌、兰州和北京渐次减少;１９９４－０４－１１的２：００在甘肃省大部分地区出现了哈布（Ｈａｂｏｏｂ）现象。建议今后对尘暴·黄沙的研究还应测定黄沙气溶胶浓度、粒度分布和不同粒度微粒的化学组成,测定雨土、降水、降尘和气温的变化。     

北京城区可吸入颗粒物(PM10)的矿物学研究

使用X射线衍射技术(XRD)和扫描电镜技术(SEM/EDX)对北京PM10中的矿物组分进行了分析.结果表明,北京PM10中的矿物组分存在明显的季节变化规律,春季PM10中的矿物组成种类最多;秋季PM10中的矿物种类最少;在夏季PM10中,矿物的种类有所减少,却有新的物种出现,如NH4Cl、K(NH4)Ca(SO4)2?H2O、As2O3?SO3等.粘土矿物是北京PM10中含量最高的矿物,石英的含量次之,其他依次为方解石、石膏、长石、白云石以及其他矿物颗粒;北京PM10中还存在一定数量的复合颗粒,颗粒表面常有S、Cl元素的存在.     

基于SPAMS的兰州市2018年冬季沙尘天气过程细颗粒物污染特征及来源研究

2018年11月22日-12月1日,兰州市经历了一次远距离传输的沙尘天气过程,为了解此次沙尘天气过程时段细颗粒物污染特征及其污染来源变化特征,本研究基于单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）细颗粒物自动采集数据,并结合常规污染物自动监测数据和气象因子数据对沙尘天气前后及其过境期间细颗粒物化学组分及污染来源变化情况进行了分析,同时利用后向轨迹模型（HYSPLIT）研究了沙尘气溶胶的输送路径.研究结果表明：受沙尘天气过境影响,兰州市PM₁₀浓度大幅升高,PM_2.5/PM₁₀最小值仅为0.13,SO₂、NO₂、CO质量浓度出现明显降低,而O₃质量浓度在沙尘过境时有所升高;细颗粒物质量浓度与MASS数浓度变化趋势基本一致,细颗粒物的变化趋势可一定程度上反映大气细颗粒物的污染状况;利用自适应共振神经网络法分类后经人工合并将所采集到的细颗粒分为9类：OC、EC、HOC、OCEC、MD、HM、K、Na、LEV;所选时间段内SPAMS采集到的OC（24.8%）类颗粒物数量最多,沙尘过境时MD、LEV、Na类颗粒物占比不同程度增大,其余颗粒物占比减小;沙尘过境时扬尘源、生物质燃烧源、工业工艺源、餐饮及其它源贡献率增加,其中扬尘源增幅最大,而其余源贡献占比减小;后向轨迹HYSPLIT模型输送路径结果显示沙尘天气过程的起源地为塔克拉玛干沙漠,传输方向为经新疆的塔里木盆地塔克拉玛干沙漠进入青海中部,最后影响兰州地区.     

北京市沙尘天气中矿物单颗粒的物理化学特征

应用场发射扫描电子显微镜和X射线能谱仪,研究了2005年4月北京市区2次典型沙尘天气PM₁₀样品中矿物单颗粒的形貌、数量-粒度分布和化学组成.研究表明:沙尘天气样品中的矿物颗粒呈边缘锋利的不规则状;数量-粒度分布在1.0～1.5　μm出现明显的峰值.根据X射线能谱的定量数据,将721个矿物单颗粒分为7类.沙尘天气样品中的矿物颗粒主要以硅铝酸盐和石英矿物为主,并且有富Ca颗粒出现.大部分颗粒是2种或更多种矿物的内部混合物.沙尘天气富Ca颗粒占矿物单颗粒总数的5.9%,主要以CaCO₃以及硅铝酸盐或石英的混合物的形式存在;非沙尘天气样品中富Ca颗粒含量高达14.5%,其中约有一半来自人为源排放.单个矿物颗粒中Ca含量以及m(Ca)/m(Al)可以用来区分外来沙尘源与本地矿物颗粒.      

北京地区一次尘暴过程的来源

本文根据卫星云图分析以及对尘暴气溶胶和尘暴路径地区表层土的元素组分分析,进一步讨论了1980年4月18日出现在北京地区上空强尘暴的来源。结果表明,这次强尘暴的来源是比较复杂的,它不只是来源于某一单一地区,而是由尘暴起源地区及其移动路径地区的沙土微粒经大风输送到高空并进行混合,然后随着大风移动而造成的。     

北方强沙尘暴天气过程对广州空气质量影响的个例分析

2009年4月23—25日,我国内蒙古、甘肃、陕西等地区出现了1次强沙尘暴天气过程,沙尘暴产生的浮尘自北南下,于26日开始影响广州.期间,沙尘暴沿途城市的可吸入颗粒物(PM10)浓度先后升高.本文通过对广州4月27日—29日(浮尘时段)和5月12—14日(非浮尘时段)的空气颗粒物进行质量浓度分析,发现浮尘时段PM10的浓度均值为0.231mg·m-3,较非浮尘时段(0.103mg·m-3)大1倍.化学分析结果发现金属元素含量、金属元素富集因子、可溶性阴阳离子含量等在这两个时段也均存在显著差异.浮尘时段颗粒物中金属元素含量的总浓度为53.5μg·m-3,比非浮尘时段的总浓度(28.5μg·m-3)翻了近1倍.浮尘时段的Na、Ti、Zn、Cu、Cr浓度较非浮尘时段的增加幅度在0～100%之间,从富集因子来看,非浮尘时段均高于浮尘时段,说明污染源主要来自广州本地源;浮尘时段的K、Mg、Al、Fe、Mn、V、Co浓度较非浮尘时段的增幅在100%以上,其富集因子均高于非浮尘时段,说明污染源主要来自于外来源;而Ni、Pb、Cd3种元素浓度增幅为负值,说明沙尘携带这3种元素的量可以忽略,且冷空气的稀释作用使得它们在浮尘时段的富集系数远远低于非浮尘时段.另外,通过对水溶性离子的分析发现,浮尘天气时段空气颗粒物中各种水溶性阴阳离子含量都有所升高,但NH4+、NO3-、SO24-3种离子的质量浓度,无论在浮尘还是非浮尘时段,差别均不显著(均占约82%),说明这3种离子都是PM10中最主要的可溶性阴阳离子.并且从浮尘时段的气象场分析和后向轨迹计算表明,此次广州沙尘的源地来自内蒙地区.