衡山大气颗粒物及云雾化学元素特征研究

论文摘要

为了解我国南方地区大气颗粒物和云雾水中痕量元素的区域背景浓度,探讨大气颗粒物与云雾水间的相互作用关系及污染物的跨界传输态势,本研究选择了衡山气象观测站作为采样点,于2009年3月至5月间进行大气颗粒物和云雾水中痕量元素的观测与分析。观测期间,共采集云雾水样品192个,总悬浮颗粒物（TSP）样品42个,分别采用IC-2500和ICP-MS对主要致酸因子S042-和痕量元素（Fe、Al、Pb、Mn、As、Ba、Cu、Ni、Se、Cd、Sb、Cr）浓度进行了测定。结果表明,衡山大气颗粒物中Fe和Al元素的含量最高,两者之和占所测元素总含量的比例超过80%,其它元素的含量较低,沙尘天气对TSP及其Fe、A1、Mn、Ba、Ni、Cr元素浓度影响较大。Se、Cd、As等元素溶解度较高,颗粒相中的元素易于迁移到水相中,为生物吸收利用；反之,Fe、A1等元素难以溶解到水相中,元素活动性及生物有效性较低,大多存在于颗粒相中。我国南方大气中TSP浓度低于北方地区,但相比于国外发达国家颗粒物总体污染较严重。我国观测站点（包括衡山、泰山、岱海）大气颗粒物中As、Se两种元素的浓度远高于国外其它采样点,污染较严重,应引起重视。衡山云雾水中痕量元素的浓度整体高于国外背景站点,污染较严重。整个观测期间,云雾含水量的变化幅度较大,随着云雾持续时间的延长,含水量基本呈现先升高再降低的趋势,会对云雾水中痕量元素的浓度产生一定影响,总体上含水量越高,浓度越低。衡山云雾水较高的酸性会促进颗粒相中可溶态元素的溶解,并可能使其中原本相对稳定的碳酸盐态、可氧化态与可还原态部分活动性增强,元素的生物可利用性提高,从而加重了云雾水中痕量元素的污染水平。受到各元素在云雾和气溶胶中存在的化和形态,各化合物的溶解度,云雾水的酸度及颗粒物的粒径等因素的影响,各元素在云雾和大气颗粒物中呈现出不同的浓度分布特征。由于云雾水中的痕量元素主要来自气溶胶的溶解,云雾初始样品与云前气溶胶的浓度间呈现良好的相关性。衡山云雾水中的8042-主要来自气溶胶的溶解,液相氧化产生部分仅占19.2%。云雾水对大气颗粒物中As、Pb、Cd三种元素清除的效率较高,更容易被清除,而Fe、Al、Ba、Sb四种元素难以被云雾水清除。大气颗粒物中痕量元素的水溶性对云雾水清除效率有一定程度的影响,除此之外,清除效率还可能受到多种因素影响,包括各元素在颗粒相中的粒径分布及云雾水的含水量、酸度等。通过对比分析中国各区域站点大气颗粒物中痕量元素的浓度组成,可知我国东北-华北地区Fe、Al、Mn及As、Se元素含量处于较高的水平；中东部地区和南部地区各元素含量普遍较高,且以Pb、Cu、Cr等交通、工业源污染物的高含量为主要特征；在以沙尘和自然来源为主要组分的西部广大地区,气溶胶中元素浓度整体不高。由于各区域工业分布特点不同,同时也受到衡山地区春季气象条件的影响,各地区对观测站点云雾痕量元素污染情况的影响有较大差异。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 大气颗粒物痕量元素研究进展
• 1.2.2 云雾水痕量元素研究进展
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 本文的研究内容及创新点
• 1.3.1 本次研究的主要内容
• 1.3.2 本次研究的主要特色及创新
• 1.4 本研究的意义
• 第2章 实验及研究方法
• 2.1 采样
• 2.1.1 采样站点
• 2.1.2 采样前处理
• 2.1.3 样品采集
• 2.1.3.1 云雾水采集
• 2.1.3.2 总悬浮颗粒物（TSP）采集
• 2.2 样品预处理及化学分析
• 2.2.1 样品预处理
• 2.2.1.1 云雾水样品
• 2.2.1.2 膜样品
• 2.2.2 化学分析
• 2.3 数据质量控制与保证
• 2.4 数据处理
• 2.4.1 浓度数据处理
• 2.4.2 相关性分析
• 2.4.3 气流轨迹分析
• 第3章 衡山大气颗粒物化学元素特征分析
• 3.1 总悬浮颗粒物（TSP）浓度特征
• 3.2 大气中TSP的元素组成特征
• 3.3 衡山观测结果与全球其它站点对比
• 3.3.1 TSP浓度对比
• 3.3.2 痕量元素浓度对比
• 3.4 小结
• 第4章 衡山云雾水化学元素特征分析
• 4.1 化学元素组成
• 4.1.1 痕量元素浓度分布特征
• 4.1.2 衡山云雾观测结果与全球其它站点对比
• 4.2 含水量对云雾水痕量元素浓度的影响
• 4.2.1 含水量
• 4.2.2 含水量对元素浓度的影响
• 4.3 酸度对云雾水痕量元素浓度的影响
• 4.3.1 酸度
• 4.3.2 酸度对元素浓度的影响
• 4.4 小结
• 第5章 云雾对大气总悬浮颗粒物的清除
• 5.1 云雾与大气颗粒物间的关系
• 5.1.1 化学组成的关系
• 5.1.2 相关性关系
• 5.2 云雾对大气颗粒物中化学组分的清除
• 4^2-的清除作用'>5.2.1 云雾对颗粒物中Se与SO₄^2-的清除作用
• 4^2-的贡献'>5.2.1.1 TSP对云雾水中SO₄^2-的贡献
• 4^2-的清除效率'>5.2.1.2 Se与SO₄^2-的清除效率
• 5.2.2 云雾对颗粒物中痕量元素的清除作用
• 5.3 小结
• 第6章 长距离输送对衡山云雾水元素组成的影响
• 6.1 中国大气颗粒物中痕量元素的浓度分布
• 6.2 长距离输送对云雾水元素组成的影响
• 6.2.1 后推气流轨迹
• 6.2.2 不同来向气流影响下云雾水的元素组成
• 6.3 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表