英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

中国南京PM2.5中无机含碳材料的化学成分

Hong Yang^a, Jian Zhen Yu^a,, Steven Sai Hang Ho^a, Jinhui Xu^b, Wai-Shing Wu^a, Chun Hong Wan^a, Xiaodong Wang^c, Xiaorong Wang^c, Liansheng Wang^c

^aDepartment of Chemistry, Hong Kong University of Science amp;amp; Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

^bAtmospheric, Marine, and Coastal Environment Program, Hong Kong University of Science amp;amp; Technology, Clear Water Bay,Kowloon, Hong Kong, China

^cState Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China

Received 9 December 2004; received in revised form 22 February 2005; accepted 4 March 2005

摘要：2001年在中国南京的城区和郊区收集了PM2.5样品，并对无机离子，无机碳，有机碳（OC），水溶性有机碳（WSOC），个体水溶性有机碳和非极性有机物等物质进行了分析。这些样品中硫酸盐和有机物是两种最丰富的成分，硫酸盐占平均气溶胶质量的23％（城区）和30％（郊区），有机物平均占气溶胶质量的37％（城区）和28％（郊区）。水溶性有机碳是有机碳的重要组成部分，城区有机碳占约33%，郊区有机碳占45％。水溶性有机碳与有机碳在郊区—城区的比例梯度也反映出气溶胶有机碳在郊区更老化，水溶性有机碳与硫酸盐和硝酸盐的相关性表明水溶性有机碳分数由次级有机物占主导地位。有机阴离子，氨基酸，脂族胺和碳水化合物的化合物种类中有30种以上的单一水溶性有机碳物质被定量，在碳质量基础上约占水溶性有机碳的8％。此外，使用注入口热解吸技术定量了正烷烃，藿烷和多环芳烃的化合物类型中的46种单个非极性有机化合物，在碳质量基础上，这些非极性有机物质占有机碳的总量不到7％。单个化合物的定量允许通过主成分分析鉴定主要气溶胶源。煤燃烧，车辆排放，二次无机和有机气溶胶以及道路和海中的盐是已知的PM2.5气溶胶质量的主要贡献来源。

关键词：气溶胶化学成分; 水溶性有机化合物; 中国气溶胶; 煤燃烧; 主成分分析; 气溶胶源识别

1 绪论

环境气溶胶在全球辐射强迫中发挥重要作用，通过直接或间接地通过调节云冷凝核（CCN）来吸收光，并因此对气候变化产生影响（IPCC，2001）。空气动力学小于2.5mm的气溶胶（即PM2.5）是特别令人关注的，因为它们是可见度降低的主要原因(Watson, 2002)，并且因为它们对人体健康造成了有害的影响(NRC,1998)。

作为世界人口最多的国家和增长最快的经济体之一，中国的地位在评估人为污染对全球环境的影响方面很重要。近十年来，中国气溶胶的研究越来越多，然而，我们对中国环境气溶胶物理化学性质的了解仍然相当有限。许多关于中国气溶胶的研究主要集中在元素成分和主要的无机离子（e.g., Zhang and Friedlander, 2000 and referencestherein）。相比之下，中国气溶胶含碳成分组成的研究较少，近几年数量不断增加。有机碳（有机碳）和无机碳（无机碳）数据主要集中在大城市和经济发达地区，如北京（(Bergin et al., 2001; He et al., 2001; Danet al., 2004)） ，长三角地区（上海，临安，佘山，常熟）（(Xuet al., 2002; Ye et al.,2003），珠三角地区（香港，广州，深圳，珠海） (Hoet al., 2003; Cao et al., 2003, 2004; Yuet al., 2004)。在分子水平上对有机碳级分的化学成分的研究尤其稀少。有限数量的有机化合物类别的测量仅对包括北京在内的几个大城市(e.g., Simoneit et al., 1991;Yao et al., 2003), 青岛 (Guo et al., 2003), 南京(Wang et al.,2002b),Shanghai (Yao et al., 2002),广州 (e.g., Bi et al., 2003), and 香港 (e.g.,Zheng et al., 2000).

在这项研究中，2001年2月和9月我们在长江三角洲的南京收集了PM2.5气溶胶样品。我们在此报告了有机碳，无机碳和水溶性有机碳（WSOC）的浓度。除了确定这些气溶胶样品中主要的无机阳离子和阴离子的浓度外，我们还确定了包括正烷烃，藿烷和多环芳烃以及水溶性有机碳馏分中低分子量羧酸，氨基酸和脂族胺在内的非极性有机物质的浓度。据我们所知，这是中国PM2.5气溶胶化学成分最全面的测量之一。因此我们的研究增加了中国气溶胶日益增长的化学数据库。

2 实验部分

• 1. 样品收集

PM2.5气溶胶样本于2001年的冬季（二月）和秋季（九月）南京的两个地点收集。其中一个位于南京大学的校园内（NJU），校园周围环绕着住宅区，交通繁忙的道路和商业中心，代表着典型的城市位置，采样器设置在距地面8-10m的两层建筑的屋顶上，2001年2月1日至6日和9月21日至28日期间，在这个地方收集PM2.5样品。第二个地点是中国科学院紫金山观测所（PMO），距离南京大学东部约5公里的城市郊区，天文台位于郊区住宅环境中的紫金山（1181490E，321040N，267m ASL）山脚下，山和天文台大部分都覆盖着树木。采样器设置在天文台内约600米高的建筑物的屋顶上。根据NOAA气候监测和诊断实验室（CMDL）获得的10天等熵回溯轨迹，三个密集采样期的空气质量大部分是大陆性的（Harris and Kahl，1994）。

抽样在每天上午8点开始并在晚上8点结束，每个样品收集12小时。采样器（Andersen Instruments，Smyrna，GA，USA）装备有2.5mm切割尺寸的狭槽入口，并以1.11m³/ min的流速操作，所有收集底物均为20〜25cm石英纤维过滤器，在550℃预烘烤过夜以除去任何吸收的有机物质，过滤器在退火的铝箔袋中储存并运送到现场。取样完成后，将20〜25cm的过滤器折叠成一半，使得其上的样品一侧被折叠到自身上并储存在退火的铝袋中。所有过滤样品在冷冻器中储存在4℃，直到分析。

• 1. 样品分析

2.2.1有机碳，无机碳和水溶性有机碳

使用热/光学气溶胶碳分析仪（Sunset Laboratory，Forest Grove，OR，USA）测定有机碳，无机碳和水溶性有机碳浓度（Birch and Cary，1996）。为了测定有机碳和无机碳浓度，将尺寸为1.45cm ²的过滤器冲头从20times;25cm过滤器中取出并装载到气溶胶碳分析仪中。使用的热分析条件（即温度程序和气氛类型）与参与ACE-Asia样品碳分析的所有研究组采用的相似（Schauer等，2003）。对每个样品进行有机碳和无机碳的重复测量，有机碳和无机碳的平均相对标准偏差分别为4％和9％。为了测定水溶性有机碳浓度，从每个20times;25cm的母体过滤器中随机取出20个过滤片（每片1.45cm²），并在超声处理浴中用两份10ml超纯水萃取15分钟为每次提取。在碳分析之前，使用旋转蒸发器将水提取物过滤并浓缩至0.5ml。 水溶性有机碳含量由碳分析仪使用与无机碳和有机碳测定相同的热分析条件测定。我们以前的论文（Yang et al，2003）描述了水溶性有机碳测定方法的细节。

2.2.2个体无机物和有机化合物的分析

使用Dionex DX 500离子色谱仪（IC）系统测定无机离子和低分子量有机酸。使用具有保护柱（AG11,4mm）和阴离子捕获柱的分析柱（AS11,4mm）进行有机酸和无机阴离子检测，用0.2至5mM NaOH梯度洗脱。使用具有保护柱（CG12,4mm）的阳离子分析柱（CS12,4mm）用20mM甲磺酸的洗脱液分析无机阳离子。将碳水化合物降解成甲醛，然后使用在360nm处具有光电二极管阵列检测的HP 1100高压液相色谱（HPLC）系统测定甲醛作为其2,4-二硝基苯肼衍生物（Johnson and Sieburth，1977）。游离氨基酸和脂族胺被转化为荧光衍生物，并使用在395nm荧光检测的Waters HPLC系统测定（Cohen和Michaud，1993）。该方法的细节在我们以前的工作中给出（Mader et al，2004）。

通过在HP 5890气相色谱（GC）系统的注入口中热解析尺寸为2.9cm ²的过滤条，然后进行GC分离和质谱检测来分析非极性气溶胶有机物（包括正烷烃，藿烷和PAH）的浓度。方法细节和性能表征在别处描述（Ho and Yu，2004）。由于缺乏真实的标准，通过假设与相同碳数的相应正烷烃相同的响应因子估计了峰值浓度。

3 结果与讨论

3.1 主要化学成分

表1给出了PM2.5气溶胶中主要的无机离子物质无机碳和有机碳的浓度。由于在实验时缺乏合适的平衡，未确定气溶胶质量浓度。以下讨论的气溶胶质量浓度由硫酸盐，硝酸盐，氯化物，铵，Na ，K ，Ca² ，Mg² ，无机碳和有机物质（OM）等测量化学物质重建。假设1.6的比例从有机碳质量计算出OM质量（Turpin and Lim，2001）。平均重建PM2.5气溶胶中国科学院紫金山观测所二月，南京大学二月和南京大学九月样品分别为80.5，67.1和46.9mu;gm^-3。图1以条形图形式显示了个体样本中主要成分的贡献。雨和雪事件发生在二月二日抽样期间或之前。二月十一日下午发生大雨事件后，样本中清除湿气的清除效果，二月十二日夜间下雪。这些样品的重建气溶胶质量浓度降低到预制最大浓度的四分之一（图1）。 Wang等（2003）测量了同一城市五个选定地点收集的八个样本中的主要无机离子物种;在2001年2月至12月期间，八个样本分布在四个季节。我们的离子浓度通常与其测量一致。

硫酸盐和有机物是两个最丰富的成分。 在PMO-2月，NJU-2月和NJU-9月份样品总量中硫酸盐分别占总量的30％，21％和24％，有机物分别占28％，37％和37％。硫酸盐和有机物的质量百分比贡献量相当，硫酸盐贡献更多在郊区，有机物贡献更多在城市地点，因此反映更多的燃烧影响。另一方面，城市地区的消费来源和郊区的硫酸盐形成增加。

硝酸铵和硝酸盐是下一个最丰富的成分，分别占总重建质量的8-15％和7-16％。在三个样品组中，铵的平均浓度与硝酸盐的平均浓度相似。众所周知，仅采用滤波器的采样技术可能导致由于气溶胶硝酸盐的蒸发损失或由于通过与碱性气溶胶成分的吸附或化学反应而保留在过滤器上的气态硝酸而导致的正伪造成的负采样伪像（例如，Appel和Tokiwa ，1983; Zhang和McMurry，1992; Cheng和Tsai，1997）。通常认为，在高温或低湿度的条件下，通过蒸发的硝酸盐损失增加。据报道，随着PM2.5质量的增加，硝酸盐的损失也会降低（Kim等，1999; Chang等，2000）。由于对大气条件的依赖，硝酸盐的蒸发损失的幅度可以从可忽略到大量变化（例如，Kim等人，1999）。硝酸盐阴性假象的不同性质使得难以评估我们的硝酸盐浓度被低估的程度。然而，过滤器上硝酸盐的显着存在表明，未来的研究应采用硝酸盐最小化措施，以获得南京PM2.5主要成分的准确相对贡献。

我们发现，对于包含所有三个样本子集的统一数据集，SO₄ ^2-，NO₃^-和NH₄ 是相关的，SO₄^2-和NH₄ 之间的相关系数（r²）为0.82，NO₃^-和NH₄ 之间的相关系数为0.76。已知NH₄ 浓度跟踪SO₄ ^2-因为气溶胶NH₄ 主要通过气态NH₃和酸性硫酸盐颗粒之间的反应产生。因此，两种气溶胶物种预期具有良好的相关性。全球许多地方都有很好的相关性的例子，例如在韩国的崇州（r²：0.48-0.98）（Lee and kang，2001），上海和北京（r²：0.88-0.94）（Yao et al，2002），在赫尔辛基（Pakkanena et al，2001），考虑到已知

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[28681]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word