“两控区”城市PM2.5中二次无机颗粒物物化特征和形成影响因素探讨

来源 :贵州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liu_mi
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PM2.5对地球辐射量和大气能见度有重要影响,同时可参与酸沉降,是形成灰霾天气的主要贡献因子,长期暴露于高浓度PM2.5的环境中会对人体健康产生不良影响。二次无机颗粒物是PM2.5的主要组成部分,国内外研究表明,灰霾天气下,PM2.5的质量浓度显著增加,且二次无机颗粒物是其首要贡献源。二次无机颗粒物可直接影响降水的酸度,增大消光系数并降低大气能见度,对形成大气区域复合型污染有重要影响。因此,开展对“两控区”城市PM2.5中二次无机颗粒物的物化特征研究和形成影响因素探讨,对改善当地环境空气质量具有重要意义,可为“两控区”城市二次无机颗粒物的物化特征提供基础资料。本文对2014年不同季节贵州“两控区”主要城市贵阳、都匀、遵义采集的PM2.5样品进行研究,利用离子色谱(IC)、高分辨率场发射扫描电镜(FESEM)和图像分析技术(IA)等分析PM2.5中二次水溶性无机离子质量浓度的季节、昼夜变化特征及其与气象因素的相关性和二次无机颗粒物的微观形貌特征、粒度分布特征等,并以贵阳为例从气态前体物、SOR(硫氧化速率)、NOR(氮氧化速率)、二次无机水溶性离子的存在形式、气象因素和微观形貌等方面探讨了PM2.5中二次无机颗粒物形成影响因素。研究结果表明:(1)能谱分析显示,采样点PM2.5样品中二次无机颗粒物主要呈板状、针状、簇状和柱状,且多以硫酸盐、富K硫酸盐的形式存在。采样点PM2.5样品中二次无机颗粒物的数量百分比季节变化规律大致表现为春、秋季较高,夏季最低,体积百分比表现为秋、冬季明显高于夏季。不同粒径范围二次无机颗粒物数量频率变化范围为0.12%4.35%,体积百分比变化范围为0.02%66.95%。PM2.5样品中二次无机颗粒物的数量-粒度、体积-粒度分布显示,二次无机颗粒物在数量上、体积上较多出现的粒径范围为0.60.7、0.80.9、1.02.5μm。(2)采样点PM2.5中NH4+、NO3-和SO42-的质量浓度对PM2.5质量浓度的贡献率表现为SO42-最高,NO3-次之,NH4+最低,三者总量对PM2.5质量浓度的贡献率均超过了40%,NH4+、NO3-和SO42-质量浓度大体表现为秋、冬两季较高,夏季最低。贵阳、都匀、丁字口、凤凰山(除冬季)四季R值(酸碱度)均小于1,表明采样点PM2.5主要呈酸性。采样点四季NO3-/SO42-值均小于1,说明采样点大气中的硫和氮主要来自于固定源。SOR、NOR年均值均大于0.1,且SOR、NOR最大值出现在秋季。(3)不同季节、不同采样点二次水溶性无机离子的存在形式有显著差异。贵阳春、夏季,遵义春、冬季二次水溶性无机离子的主要存在形式为(NH4)2SO4和NH4NO3;贵阳、都匀、遵义秋季的主要存在形式为NH4HSO4和NH4NO3;贵阳冬季,都匀春、夏、冬季的主要存在形式为(NH4)2SO4、NH4HSO4和NH4NO3;遵义夏季二次水溶性无机离子的主要存在形式为NH4HSO4。(4)以贵阳市为例,探讨PM2.5中二次无机颗粒物形成的影响因素,得出以下结论:(1)铵盐生成的有利条件为高相对湿度;在低温、高相对湿度的条件下,有利于NO2的非均相反应,也会促进气态HNO3向颗粒态NO3-转化而使NO3-的浓度不断积累;太阳辐射强度、前体物SO2的浓度对SO42-的质量浓度和SOR值影响较大。NO3-和NO2、SO42-和SO2的相关性较好,表明观测期间贵阳市大气环境中有较强烈的NO2向NO3-转化、SO2向SO42-转化的过程。观测期间,采样点大气环境中SOR、NOR值均大于0.1,表明SO2、NO2是贵阳市硫酸盐和硝酸盐形成的主要驱动因素。(2)NH4+、NO3-、SO42-在排放源浓度较高、低温和高相对湿度的环境下的主要存在形式为NH4NO3、NH4HSO4、(NH4)2SO4,在高温、低相对湿度的环境下则通常以NH4HSO4、(NH4)2SO4的形式存在。(3)NH4+、NO3-、SO42-和气象因素的Pearson相关系数表明,贵阳市PM2.5中NH4+、NO3-、SO42-与温度、风速之间表现为负相关,相关系数分别为-0.58、-0.49、-0.40和-0.47、-0.44、-0.51,相对湿度对NH4+、NO3-、SO42-的影响则表现为正相关,相关系数分别为0.81、0.89、0.76,这表明低温、低风速、高相对湿度有利于二次水溶性无机离子的积累。(4)数量-粒度、体积-粒度分布表明,春季、冬季PM2.5中二次无机颗粒物主要出现在积聚模态(0.60.8μm)和粗颗粒模态(1.02.5μm),表明此观测期间内的二次无机颗粒物主要通过气相反应和非均相反应生成;夏季和秋季二次无机颗粒物的生成主要有两种机制,一是由小粒子碰并或非均相反应增长而成,二是由气态前体物在液滴表面通过非均相反应生成。
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