新余市PM2.5化學組分特征分析

趙文濤，劉海江，劉華東，劉 寅

(1.江西省新余生態環境監測中心，江西 新余 338000；2.新余市渝水生態環境局，江西 新余 338000；3.北京雪迪龍科技股份有限公司，北京 102200；4.中科弘清(北京)科技有限公司，北京 100088)

1 材料和方法

1.1 采樣點位布設

綜合考慮新余市地形、氣象、環境等影響因素及基本數據的依托性，環境受體采樣點的布設基本與新余市大氣環境質量國控站點相同，盡量覆蓋主要的功能區。東北方向的飛宇站點作為上風向企業聚集區域，但飛宇站點樓頂不具備采樣條件，因此將上風向站點調整為距離1.5 km的高新區環保局站點。第二水廠站點作為人口和交通密集區域，氣象局站點作為細顆粒物濃度高值站點，新鋼沁園村站點則主要為下風向和重點企業排放區。點位分布詳見圖1。

圖1 新余市區顆粒物樣品采集點位

1.2 樣品采集

2020年8月、10月、12月和2021年1月安排為PM2.5采樣周期和連續采樣時間。每個月選取20天進行采樣，每次連續采樣時間為46小時，采樣時間從早上9：00到第三日7：00，每個站點每個采樣月設置一組全過程空白樣品與平行樣。選取顆粒物濃度值較高的市氣象局與第二水廠站點對PM10進行同步連續采樣。本次顆粒物樣品采集使用四臺青島眾瑞ZR-3930D型多通道環境空氣顆粒物采樣器在四個采樣點進行粗細顆粒物樣品采集，不同通道選用濾膜直徑均為47毫米的特氟龍膜、石英膜進行同步樣品采集，切割頭為多級碰撞式切割器，顆粒物空氣動力學切割粒徑為2.5微米和10微米。共采集PM2.5樣品171組，PM10樣品64組。

1.3 化學組分分析

1.3.1 無機元素分析

取一定面積采集的特氟龍膜樣品放置于聚四氟乙烯消解罐中，加入5毫升MOS級硝酸，放置2小時后再加入2毫升MOS級鹽酸，2毫升優級純H2O2，加蓋密封后，用微波消解萃取儀消解(在15分鐘內升溫到190 ℃后至少保持30分鐘)。待消解罐冷卻至室溫，再利用趕酸器在140 ℃將消解液濃縮至約0.5毫升(4-5小時)，用超純水轉移定容為25毫升。經0.22微米過濾膜過濾后，將濾液分為兩份分別用于 ICP-MS(賽默飛世爾iCAP Qc)及ICP-OES(PE公司OPTIMA8300)分析27種元素分析，后者分析Si、Al、Fe、K、Na、Ca、Mg。

1.3.2 水溶性離子分析

1.3.3 碳分析

剪取0.51 cm2的采集的石英膜樣品，參照《環境空氣顆粒物來源解析監測技術方法指南》中推薦的元素碳和有機碳的熱光法對顆粒物樣品進行碳分析。測試儀器為美國沙漠所生產的DRI2001A熱-光碳分析儀(Thermal Optical Carbon Analyzer)，定量有機碳和元素碳的8個組分(OC1、OC2、OC3、OC4、EC1、EC2、EC3、OPC)。IMPROVEA協議將總有機碳TOC定義為OC1+OC2+OC3+OC4+OPC，總元素碳TEC定義為EC1+EC2+EC3-OPC，TC=TOC+TEC。

1.4 質量控制

上述分析測試部分外包中國科學院生態環境研究中心完成。

以空白、平行、加標回收進行質量控制，對數據進行了有效性審核，都滿足相關要求。

2 結果與分析

2.1 2020年PM2.5污染特征

2020年新余市城區PM2.5平均濃度為30.3微克/立方米，低于國家二級標準標準限值。月度PM2.5濃度變化如圖2所示，呈U型，夏季較低，冬季較高。其中12月份PM2.5濃度最為突出，質量濃度為52.9微克/立方米，各站點中氣象局站點明顯高于其他站點，其次是第二水廠。2021年1月PM2.5平均濃度因氣象等因素增為30.3微克/立方米。

圖2 2020年新余市城區PM2.5月度變化

圖3 2020年新余市各站點PM2.5濃度均值

2.2 采樣期間受體PM2.5全年平均化學組成

圖4 采樣期間新余市PM2.5的全年化學組分質量濃度情況

對化學組分進行質量重構，硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、氯鹽、EC和微量元素由直接測定濃度值推算，有機物[OM]=1.4×[OC]，[地殼元素]=[2.20×Al]+[2.49×Si]+[1.93×Ti]+[1.63×Ca]+[2.42×Fe]，[微量元素]=[K+]+[Na+]+[Mg2+]+[F-]+[Cl-]+[Ba+Cd+Sn+V+Cr+Mn+Co+Ni+Cu+Zn+As+Se+Pb+Sb]。

質量重構后新余市PM2.5全年化學組分構成情況如圖5所示，可以看出新余市環境受體PM2.5的主要物質為OM，占比為27%。其次是硝酸鹽、硫酸鹽和銨鹽，占比分別為18%、15%和12%。地殼元素占比為8%，EC約為4%。

圖5 新余市PM2.5物質重構組分分布圖

2.3 PM2.5顆粒物化學組分的時間分布特征

圖6為新余市城區各季節PM2.5中無機元素質量濃度與百分占比情況，地殼元素(Fe、Al、Si等)明顯高于其他無機元素，Si的濃度表現出秋季>冬季>夏季，百分占比表現出秋季>夏季>冬季。Si組分主要來自揚塵，說明秋季揚塵源對渝水區PM2.5濃度貢獻率較高。Fe的濃度三個季節濃度差異較小，百分占比表現出夏季>秋季>冬季。

圖6 不同季節渝水區PM2.5中無機元素質量濃度與百分占比

圖7 不同季節渝水區PM2.5中碳組分與水溶性離子質量濃度與百分占比

2.4 PM2.5化學組分的空間分布特征

從圖8可以看出，新余市4個站點物質構成占比較為相似，均為有機物站點最高(OM)，質量占比均在25%以上，其次為硝酸鹽與硫酸鹽，占比均在17%與14%以上。

圖8 新余市各站點PM2.5物質重構特征對比

圖9從質量濃度上看，氣象局站點組分質量濃度均處于較高水平，其中硝酸鹽、硫酸鹽、微量元素質量濃度最高。說明氣象站站點受周邊燃煤、機動車等多種污染類型影響，導致各類組分質量濃度均相對較高，另外第二水廠站點地殼元素濃度最高，說明第二水廠受到揚塵源影響較大。

圖9 渝水區與高新區各站點PM2.5物質重構質量濃度對比

3 結論

2020年新余市年渝水區PM2.5濃度高值主要分在冬季，其中1月與12月PM2.5濃度最為突出，市氣象局站點PM2.5濃度最高，其次為第二水廠站點。

PM2.5的主要物質為OM，占比為27%。其次是硝酸鹽、硫酸鹽和銨鹽，占比分別為18%、15%和12%。地殼元素占比為8%，EC約為4%。

地殼元素(Fe、Al、Si等)明顯高于其他無機元素，Si的質量濃度為秋季>冬季>夏季，百分占比為秋季>夏季>冬季。