基于扫描电镜法的大气颗粒物源解析研究

基于扫描电镜法的大气颗粒物源解析研究

吉林省中部以北的松花江岸。北温带气候。季风气候交替发生，四季分明。西南风是其主导的风向，年平均风速为2.51m/s。吉林市是我国重要的化工城市,根据吉林市1996—2000年的大气污染统计显示:二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳年日均值轻微超标,总悬浮颗粒物年日均值浓度超标较大,说明总悬浮颗粒物对空气污染影响较大。因此,明确各污染源对TSP的贡献情况,对于大气颗粒物的污染防治具有指导意义。多年来,国内外研究学者不断应用多种测量技术,对源和受体的大气颗粒物样品进行形态分析、表面分析、微区分析和单颗粒分析工作。扫描电子显微镜(SEM)用于分析气溶胶粒子的大小、几何形状、颜色和光学性质,通过单个粒子的这些形态学参数可以定性地鉴别气溶胶的来源,甚至可以分辨出单个源。青岛、广州等城市已成功应用扫描电镜技术对大气颗粒物的来源进行研究,取得了很多重要的研究成果。本文以吉林市作为研究对象,分析源样品、采暖期和非采暖期的受体样品的形貌特征,通过形态学参数定性地鉴别出大气颗粒物的来源,为CMB模型计算结果提供定性和半定量的依据。1试验部分1.1样品采集1.1.1采样时间、采样位点选取受体样品采用TH-1000型(武汉天虹智能仪表厂)大流量TSP采样器,采样滤膜为孔径0.45μm醋酸纤维滤膜,采样流量为1.05m3/min。分采暖期(2005年2月)和非采暖期(2005年9月)两次采样。采样点位的选取在空间分布上既考虑了城区大气污染物的迁移扩散特征,也覆盖了吉林市公布的大气污染指数监测站点,采样点位包括化工学院院内、哈达湾、环境监测站、电力学院共4个。采样方法为每次连续采样3d,每天24h。1.1.2取样方法图1主要是扬尘、土壤风砂气在综合分析吉林市自然环境特征及城区分布特点的基础上,源类样品选用道路尘、扬尘、建筑尘、土壤风沙尘和燃煤尘作为主要研究对象。道路尘样品在城市各主要交通干道(主要是在干道的十字路口)取样,取样32个;扬尘样品是在居民区采用网格布点,收取二、三楼道内长期未打扫的窗台上的积灰,共取样21个;建筑尘样品采集散落在施工作业面的建筑尘混合样品及水泥厂排放的飞灰,布设1个点位,采集样品1个;土壤风沙尘样品在城市四郊东、南、西、北方向均匀布点,在主导风向西南风的下风向加密布点,共布设11个点位,为保证土壤剖面完整、层次清楚且无侵入体,故取城郊地面下10～20cm处的土壤,采集样品11个;燃煤尘样品采集工业锅炉、工业窑炉、电厂锅炉及其它工业燃煤源排放的燃煤尘,采集到6个样品。1.2样品采集和表征所有源类样品在实验室自然晾干之后,过150目筛,然后对各类样品分别混样,放入干燥器内保存,待测;受体样品采样前,空白有机滤膜在烘箱60℃条件下烘2h,空白石英滤膜在马福炉500℃条件下烘2h,放入干燥器内,平衡3d,称重;采样后,滤膜放入干燥器内,平衡3d,称重。1.3数据分析方法扫描电子显微镜是以能量为1～30keV的电子束作为微束激发源,以光栅状扫描方式照射到光度分析试样的表面,分析入射电子和试样表面物质的相互作用所产生的多种信息,从而研究TSP表面微区形貌、粒径分布及结晶学特征的一种先进分析手段。本文采用HITACHI-X650型扫描电子显微镜进行分析。排放源样品是将采集物均匀散布在样品台上;受体样品是从滤膜上剪下均匀的面积约为64mm2的小块,贴在样品台上,编号记录。然后用离子溅射仪对样品喷金。2结果与讨论2.1源样品的形态特征分析在扫描电镜下,可以看到不同颗粒物的形态存在较明显的差异(图1-5)。2.1.1细胞培养生长第一生长纤维,主要有暗道路尘(图1)表现为多数颗粒物表面较光滑、质地致密,粒径较大;个别粒径较小,形状不规则,表面粗糙、明暗相间。平均粒径约为10μm,最大粒径为100μm,最小粒径为0.5μm。2.1.2天然晶体结构扬尘(图2)表现为40%的颗粒物表面较为光滑、质地致密,形状较圆润,其中有些可见其天然晶体结构;分析为长石、SiO2等,其它形状不规则,表面粗糙,有片状结构、蜂窝状结构,也有絮状结构、丝状结构,分析为煤烟尘、有机质类。粒径大小不均匀,平均粒径约为9μm,最大粒径为70μm,最小粒径为2μm。2.1.3天然晶体结构土壤风沙尘(图3)表现为颗粒物表面光滑、明亮,质地致密,形状较为规则,可见其天然晶体结构。平均粒径约为30μm,最大粒径为80μm,最小粒径为5μm。2.1.4颗粒的滑动试验建筑尘(图4)表现为多数形状较规则、无棱角,表面不光滑,少数为较大的圆滑球状颗粒。分析结果为:以泥土和水泥尘成分为主,其他以SiO2为辅,平均粒径约为7μm,最大粒径为30μm,最小粒径为2μm。2.1.5燃烧结构的变化煤灰(图5)表现为多数颗粒物相互聚集、形状不规则、表面粗糙、明暗不均,有的燃烧完全可见蜂窝状结构(图5a);有的燃烧不完全呈片状结构(图5b)。平均粒径约为10μm,最大粒径为600μm,最小粒径为1μm。2.2采暖期受体样品检测根据采暖期受体样品的电镜图片(图6)可以看出:在放大1500倍电镜下,毛绒状聚合体吸附在玻璃纤维上,其中夹杂着球状颗粒物;在放大5000倍的电镜下,形状不规则、表面粗糙、明暗相间;部分颗粒无棱角、表面光亮,呈球状和天然晶体结构。经与源样品扫描电镜图片对比可见,采暖期受体样品图片与扬尘、土壤风沙尘具有较大相似性,均为表面光滑、质地致密,可见天然晶体结构。经分析,受体样品中主要成分为扬尘和土壤风沙尘等。根据非采暖期受体样品的电镜图片(图7)可以看出:在放大1500倍电镜下,多数颗粒形状较为规则、质地致密,电镜图片与源样品的土壤风沙尘图片相类似;在放大5000倍的电镜下,多数形状较规则、无棱角、表面不光滑,与建筑尘电镜图片吻合度高。经分析,受体样品中主要成分为土壤风沙尘和建筑尘。通过对源样品电镜图片的分析可以看出:各污染源均可以从形状和粒径上加以区分。而在大气TSP采暖期样品中,由于选用的滤膜过于粗糙,较小的颗粒物渗入到滤膜中,所以观察到的颗粒物特征不明显,但仍可以看出扬尘和土壤风沙尘占较大比重。非采暖期对选用的滤膜进行了改进,分析效果较明显。2.3非采暖期各污染源贡献率分析笔者在文献中采用CMB受体模型对吉林市大气颗粒物进行了源解析研究。具体方法是:将采集的样品通过X射线荧光光谱分析等方法得到源及受体成分谱数据库,把源及受体的成分谱带入CMB8.2模型,得出不同排放源对受体的贡献值及贡献率。计算结果表明:吉林市采暖期各类污染源对空气中TSP贡献由大到小依次是扬尘、土壤风沙尘、道路尘和燃煤尘,其贡献率分别为52.14%、33.05%、28.65%和8.09%。其中对TSP贡献最大的是扬尘、土壤风沙尘、道路尘3类源。非采暖期各类源对TSP贡献由大到小依次为建筑尘、土壤风沙尘、道路尘、扬尘和燃煤尘,其贡献率分别为49.55%、37.66%、17.91%、11.38%和3.83%。在非采暖期,对该市贡献最大的是建筑尘,其次是土壤风沙尘。CMB受体模型能定性识别对受体有贡献的污染源并定量计算各污染源的贡献率。而扫描电镜法用于对大气颗粒物来源进行定性和半定量的分析,它作为CMB受体模型方法的辅助方法,便于更好地对气溶胶进行形貌观察和主要成分分析,对于研究颗粒物的物理特征和形态分布,效果更为直观。本文应用扫描电镜法对吉林市大气颗粒物的分析结果与CMB受体模型分析的结果是