城市雾天单个矿物颗粒物理和化学特征

应用场发射扫描电镜(FESEM)和带能谱的扫描电镜(SEM-EDX)对北京冬季雾天和正常天气下收集的4个样品进行研究.雾天中矿物颗粒的数量-粒度分布的峰值出现在0.1～0.3 μm和1～2.5 μm之间,并且发现雾天出现的二次矿物颗粒的数量百分含量(4.67%)高于正常天气条件(0.12%).单个矿物颗粒的EDX能谱显示,雾天和正常天气中单个矿物颗粒的主要化学成分有一定的差别,尤其是S元素.矿物颗粒分为9种不同类型:"富Si"、"富Ca"、"富S"、"富Fe""富Mg"、"富Al"、"富Ti"、"富K"和"富Cl",其中雾天"富Ca"中55%的颗粒含有Ca(50%±1.2%)和S(37%±1.6%),"富S"中72%的颗粒含有S(44%±1.5%)和Ca(33%±2%),说明了雾天中绝大部富集S的颗粒物中同时富集Ca,这在一定程度上说明了北京市大气中这些含Ca的碱性矿物对雾水酸性有一定的缓冲作用.雾天样品中S/Ca的平均比值为6.11,如果以冬季正常天气条件下S/Ca的均值0.73为背景值,雾天中S/Ca的比值是冬季正常天气的8倍,可见雾天中颗粒物表面的硫化现象相当严重,同时也显示出雾天SO2向硫酸盐的转化率比较高.     

大气可吸入颗粒物(PM_(10))单颗粒硫化特征

使用SEM/EDX对哈尔滨市夏季不同时段采集的可吸入颗粒物单个矿物颗粒的成分和硫化特征进行研究.结果表明,哈尔滨市夏季PM10中可以鉴定出的矿物有29种,其中黏土矿物所占比例超过了40%;中午时段内的样品几乎没有发生硫化,但早晚时段内采集的样品具有普遍的硫化现象,且黏土矿物发生硫化的几率最高,样品S/Ca的平均比值为1.0,是中午时段样品S/Ca值的73倍,不同时段、气象条件下样品的硫化程度不同,显示其硫化机制各不相同;按矿物的元素含量不同,矿物颗粒分为5种类型:"富Si"、"富Ca"、"富S"、"富Fe"、"富Mg",显示矿物颗粒主要来自地壳源;各时段样品中的矿物颗粒具有同源性,说明早晚时段样品中富含的S只能是大气二次化学反应的结果,且规则石膏颗粒主要是由方解石等碳酸钙盐矿物发生的硫化作用形成的.     

内陆输送过程中沙尘单颗粒类型及其非均相反应

采用单颗粒分析方法对2004 年2~3 月发生在北京的3 次沙尘暴的样品中沙尘颗粒物的化学成分进行了测定.3 次沙尘暴的反向轨迹图显示,它们主要来自于中国北部、西北部和蒙古的戈壁沙漠地区,且这些沙尘颗粒主要通过高空长距离输送到下游区域.使用带能谱的扫描电镜对481 个沙尘颗粒进行分析,并根据成分特征,把这些沙尘颗粒划分为8 种类型,主要类型有“富Si”、“富Ca”、“富S”、“富Fe”.将北京样品分析结果与呼和浩特、塔克拉玛干和敦煌的结果进行对比,结果显示,长距离输送的沙尘颗粒表面发生了SO₂ 的非均相化学反应,导致部分颗粒局部的表面发生化学修改作用,且“富Ca”的碱性矿物为非均相化学反应提供了更有利的反应界面.     

北京市沙尘天气中矿物单颗粒的物理化学特征

应用场发射扫描电子显微镜和X射线能谱仪,研究了2005年4月北京市区2次典型沙尘天气PM₁₀样品中矿物单颗粒的形貌、数量-粒度分布和化学组成.研究表明:沙尘天气样品中的矿物颗粒呈边缘锋利的不规则状;数量-粒度分布在1.0～1.5　μm出现明显的峰值.根据X射线能谱的定量数据,将721个矿物单颗粒分为7类.沙尘天气样品中的矿物颗粒主要以硅铝酸盐和石英矿物为主,并且有富Ca颗粒出现.大部分颗粒是2种或更多种矿物的内部混合物.沙尘天气富Ca颗粒占矿物单颗粒总数的5.9%,主要以CaCO₃以及硅铝酸盐或石英的混合物的形式存在;非沙尘天气样品中富Ca颗粒含量高达14.5%,其中约有一半来自人为源排放.单个矿物颗粒中Ca含量以及m(Ca)/m(Al)可以用来区分外来沙尘源与本地矿物颗粒.      

哈尔滨市沙尘期大气颗粒物物化特征及传输途径分析

为了研究沙尘期大气颗粒物的物化特征及传输途径,分别采集TSP、PM10和PM2.5样品,分析3种颗粒物的分布特征、浓度变化以及离子和无机元素组成,同时利用HYSPLIT逆轨迹模式对沙尘颗粒的远距离输送来源进行了分析.研究结果显示:沙尘期,PM10~100是颗粒物的主要组成,占TSP的50%~57%,PM2.5/TSP和PM10/TSP分别达最低值0.17和0.43;在TSP和PM10中,Na、Si、Al、Ca、Fe、K、Mg浓度变化较为明显,在沙尘期是非沙尘期的2~3倍,在TSP中的最高浓度分别为7.28、1.98、19.89、25.82、18.77、4.68和6.49μg/m3,以土壤尘和扬尘为主;TSP中Ca2+、K+、Mg2+在沙尘期的浓度是非沙尘期的2~3倍,最高达22.23、2.04和1.68μg/m3,主要来自土壤、尘埃,与沙尘有相似的来源;逆轨迹模型分析结果表明,本次沙尘事件由外来沙尘输入导致,其传输途径比较明显,起始位置为内蒙古的西北部和中部地区,沿途向南经过山西,后转为东北方向,经过河北、天津、辽宁、吉林等省份,最后输送到哈尔滨.     

东北某市严重雾霾期PM_(2.5)、PM_(10)中元素特征和富集因子分析

为了掌握雾霾期大气PM 2.5和PM 10中无机元素污染特征,于2013年10月20~31日期间采集了东北某市发生严重雾霾时大气PM 2.5和PM 10样品,分析了颗粒物样品中21种无机元素(K、Ca、Na、Mg、Mn、Pb、Cd等)的浓度。结果表明:大气PM 2.5和PM 10浓度普遍超标,超标率分别达88.89%、66.67%;大气PM 2.5和PM 10中元素质量浓度主要是由Na、S、Ca、K、Fe、Al、Si、As、Mg 9种元素贡献;元素的富集状况分析表明,Na、Zn、Ca、Cr、Ni、Cu、Mn、Cd、Pb和As在非雾霾期和雾霾期期富集程度较高,污染较严重,受人为污染源影响较大;以不同元素做参比,所得各元素富集系数不同。     

北京道路交通环境亚微米颗粒物元素组成特征及来源分析

于2011年12月和2012年8月对北京北四环道路交通环境中亚微米颗粒物(PM1)进行了采样,并对PM1的质量浓度、元素组成及主要来源进行了分析.夏季非灰霾时段PM1日平均浓度为(52.5±29.9)μg·m-3,灰霾时段PM1浓度增加到(154.2±36.3)μg·m-3;冬季非灰霾时段PM1日均浓度为(59.6±32.5)μg·m-3.采用X射线荧光光谱法(XRF)对颗粒物中元素进行分析,共得到Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Ba和Pb等21种元素的质量浓度.其中S、Cl、K、Na、Si、Zn、Fe和Ca等8种元素含量较高,占测试元素质量浓度90%以上.污染元素浓度呈现显著的季节差异,夏季S元素浓度较高,冬季As、Cl、K、Pb、Mn、V、Cd和P等元素浓度较高.应用富集因子法发现,PM1相对PM2.5能够更好地反映人为源的元素污染特征.应用因子分析法分析出PM1的3个元素浓度贡献主成分因子:因子1反映燃煤、交通源排放和生物质燃烧,因子2反映道路及建筑扬尘贡献,因子3反映机动车排放和工业排放.因子1和因子3之和的夏季和冬季贡献比例分别高达46.8%和68.3%,表明来自机动车、燃煤、生物质燃烧等重要人为源对道路交通环境PM1浓度的贡献显著高于其他来源.灰霾期间S、As、Pb等污染元素浓度明显高于非灰霾期间,地壳元素在灰霾期间无明显浓度变化.     

民用燃煤排放细颗粒中金属元素排放特征及单颗粒分析

通过模拟民用煤炭燃烧,采集了5种不同成熟度的典型块煤燃烧排放的单颗粒和PM_2.5样品.利用带能谱仪的透射电镜研究了金属颗粒的单颗粒特征,运用电感耦合等离子体质谱仪和发射光谱仪获得了PM_2.5样品中14种金属元素（包括8种重金属）的浓度特征.结果显示,民用燃煤排放的含金属元素的颗粒物主要有矿物颗粒、部分碳质颗粒、富K颗粒、富S[K]颗粒、富Fe颗粒、富Zn颗粒和富Pb颗粒共7种.5种民用燃煤排放的14种金属元素占PM_2.5的1.29%~15.54%,其中Al、Ca和Na占金属元素总量的57%~80%,是民用燃煤排放的主要的金属元素;V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn和Pb这8种重金属元素占PM_2.5的0.09%~2.53%,其中Zn和Pb占重金属总量的54%~91%,在民用燃煤排放的重金属中占主导.单颗粒分析结果显示Zn和Pb元素主要富集在粒径小于1μm的富Zn和富Pb颗粒中,这些细颗粒能够直接进入人体,对人体健康造成威胁.因此,建议居民应通过使用精煤或天然气等清洁能源来减少重金属的排放.     

京津冀地区城市环境空气颗粒物及其元素特征分析

于2013年四个季度,选择京津冀3个主要城市和1个对照点,以及4个全国大气背景站,同步采集环境空气颗粒物PM10和PM2.5样品,采用微波消解ICP-MS法分析样品中的68种元素.结果表明,京津冀3个城市四个季度PM10和PM2.5均超过国家二级标准限值,且采暖季高于非采暖季.全年PM2.5/PM10比值大于0.5,细颗粒物污染占主导.元素在PM2.5中所占比例高于PM10.而背景点颗粒物浓度低于标准限值,远低于城市点,且四个季节变化不大.在检出的57种元素中, Na、Mg、Al、S、K、Ca、Fe、Zn在0.1~10 μg/m3之间,P、Ti、Mn、Ni、Cu、Ba、Pb在10~100ng/m3之间,其他含量较低元素如Cd、Co、Ge、Ga、Zr、Sr、V等在0.01~10ng/m3之间.元素S、Na、K、Al、Fe、Mg、Ca等含量大于1%,P、Zn、Pb、Cu、Ba等其他元素含量介于0.1%~1%.富集因子分析结果提示,K、Ca、Cr、Fe、Cu、Zn、As、Cd和Pb等9种元素主要来源于人为污染,采暖季与非采暖季富集因子比值在1.1~3.5之间.因子分析提示,燃煤、工业污染源、燃油等是颗粒物污染的主要贡献因素.     

2011年春季沙尘天气影响下上海大气颗粒物及其化学组分的变化特征

于2011年4月28日~5月18日对上海大气中颗粒物的质量浓度及细粒子中的化学组分进行了连续观测,获得了上海受春季沙尘天气影响下大气颗粒物质量浓度和主要化学组分特征.结果表明,沙尘天气中PM10和PM2.5的质量浓度显著高于非沙尘天,最高日均浓度分别达到787.2μg·m-3和139.5μg·m-3,PM2.5/PM10的均值为(32.9±14.6)%(15.6%~85.1%);总水溶性无机离子(TWSⅡ)占PM2.5的质量分数为(27.2±19.2)%(4.8%~80.8%),二次组分SNA(SO2-4、NO-3、NH+4)占TWSⅡ的(76.9±13.9)%(41.9%~94.2%),TWSⅡ和SNA对PM2.5的贡献均小于非沙尘天,而Ca2+的含量比却有明显上升.非沙尘天测得的OC/EC值高于强沙尘天,但低于弱沙尘天.此外分析还得到,沙尘中的高矿尘粒子具有酸性缓冲作用,使得沙尘天颗粒的碱性强于沙尘发生前.非沙尘天SO2-4、NO-3主要以NH4HSO4、(NH4)2SO4和NH4NO3的形式存在,沙尘天还会与其他矿物离子结合.     

Characterization of coal burning-derived individual particles emitted from an experimental domestic stove

Coal combustion in the domestic stoves, which is common in most parts of the Chinese countryside, can release harmful substances into the air and cause health issues. In this study, particles emitted from laboratory stove combustion of the raw powder coals were analyzed for morphologies and chemical compositions by using transmission electron microscopy(TEM) coupled with energy-dispersive X-ray spectrometry(EDX). The coal burning-derived individual particles were classified into two groups: carbonaceous particles(including soot aggregates and organic particles) and non-carbonaceous particles(including sulfate, mineral and metal particles). The non-carbonaceous particles, which constituted a majority of the coal burning-derived emissions, were subdivided into Si-rich, S-rich, K-rich,Ca-rich, and Fe-rich particles according to the elemental compositions. The Si-rich, S-rich and K-rich particles are commonly observed in the coal burning emission. The proportions for particles of different types exhibit obvious coal-issue dependence. Burning of coal with high ash yield could emit more non-carbonaceous particles, and burning of coal with high sulfur content can emit more S-rich particles. By comparing the S-rich particles from this coal burning experiment with those in the atmosphere, we draw a conclusion that some S-rich particles in the atmosphere in China could be mainly sourced from coal combustion.     

Size, composition, and mixing state of individual aerosol particles in a South China coastal city

Aerosol samples were collected in summer in Macao,a coastal city of the Pearl River Delta Region in China.Morphology,size,elemental composition,and mixing state of individual aerosol particles were determined by scanning electron microscopy coupled energy dispersive X-ray(SEM/EDX) and transmission electron microscopy(TEM).Based on the morphologies of 5711 aerosol particles,they consist of soot(32%),mineral(17%),secondary(22%),and unknown fine particles(29%).The sizes of these particles were mostly distributed between 0.1 and 0.4 μm.Compositions of 202 mineral particles were obtained by SEM/EDX.Mineral particles were mainly classified into three types:Si-rich,Ca-rich,and Na-rich.The compositions of typical mineral particles can indicate their sources in sampling location.For example,mineral particles,collected along the main street,were associated with trace amounts of heavy metals,such as Zn,Ti,Mn,Ba,Pb,and As.TEM observations indicate that most Na-rich particles were aged sea salt particles(e.g.,Na2SO4 and NaNO3) which formed through heterogeneous chemical reactions between sea salt and acidic gases.Additionally,aging time of soot was short in Macao due to high humidity,high temperature,and high levels of sunlight in Macao.Most of soot and fine mineral dust particles were internally mixed with secondary particles.     

北方地区典型天气对城市森林内大气颗粒物的影响

以北京西山几种游憩型城市森林为例,在一年四季选择典型天气条件,对4种粒径的大气颗粒物浓度进行全天24h监测,研究北方地区不同季节典型天气因素白昼不同时段对不同结构的城市森林内不同粗细粒径的大气颗粒物浓度变化的影响.结果发现:降雨使大气颗粒物浓度减少,尤其粗颗粒物(TSP只为连续晴天的0.58~0.68),所以雨后晴天粒径较小的颗粒物所占比例会增加.不过,有时在雨后的夜间由于空气湿度大大气颗粒物浓度也会增加.雪能够降低大气颗粒物浓度,“雪后晴天”4种粒径颗粒物浓度均只有连续晴天的0.2倍.多云和雾霾天气使大气颗粒物污染加重,尤其在夜间;雾霾和多云对小粒径颗粒物浓度的增加效果明显.夏季高温高湿静风、闷热的“桑拿天”能使郁闭度较大的林地内大气颗粒物特别是细颗粒物浓度及其所占的比例显著增加,PM2.5的浓度是“连续晴天”的2.53倍.风在雨后能使大气颗粒物在一定程度上扩散减少,而在天气干燥时刮风会增加城市森林内大气颗粒物的浓度,且多云会加重干燥天气刮风后大气颗粒物的污染程度.春、冬季林地裸露的落叶阔叶树在刮风时大气颗粒物浓度较四季常绿、地表覆盖物多的针叶林高,夏、秋季桑拿天和雾霾天郁闭度大的侧柏林大气颗粒物浓度较林地结构开阔的黄栌林高.     

河西走廊1994－04－08浮尘暴·黄沙的气象特征和大气气溶胶测定

报道１９９４－０４－０７—１９９４－０４－０８河西走廊形成浮尘暴·黄沙天气过程、气象观测和大气总悬浮微粒（ＴＳＰ）测定结果,说明我国西北地区发生的浮尘暴·黄沙天气的气象及大气气溶胶特点。嘉峪关和酒泉一带是这次黄沙的中心;酒泉等地的ＴＳＰ浓度高达３８．００ｍｇ／ｍ３,室内ＴＳＰ浓度高达８．６３ｍｇ／ｍ３,自然降尘浓度达２９６．２２ｔ／（ｋｍ２·月）;黄沙云高约２０００—３０００ｍ;主要组成元素Ｓｔ、Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ和Ｔｉ等含量上升;黄沙沿嘉峪关、酒泉、金昌、兰州和北京渐次减少;１９９４－０４－１１的２：００在甘肃省大部分地区出现了哈布（Ｈａｂｏｏｂ）现象。建议今后对尘暴·黄沙的研究还应测定黄沙气溶胶浓度、粒度分布和不同粒度微粒的化学组成,测定雨土、降水、降尘和气温的变化。     

大城市区域霾与雾的区别和灰霾天气预警信号发布

由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快,都市霾现象或者是灰霾天气日趋严重,霾与雾的区分成为一个非常现实,又迫切需要解决的问题。通常在平面时已达到饱和的水汽压,对相当于球面的云雾滴来讲就是未饱和的,那样云雾滴就会蒸发;在水汽条件不变时,云雾滴由于蒸发而变小,导致它的平衡水汽压升高,则更易蒸发掉。在不饱和大气中小于数微米的云雾滴必然蒸发,而且伴随着蒸发云雾滴尺度会进一步变小,导致曲率越来越大,蒸发速率越来越快。过去错误认为凝结核可以在低相对湿度情况下产生凝结生成雾滴的观点,是忽视了粒子曲率作用的结果,将实验室大颗粒(常常达毫米量级)的吸湿性特征,延用至次微米粒子造成的。降温是达到饱和形成雾滴的即重要又主要的物理过程,云雾是低温下饱和气块的可见标志。在云雾中必然存在凝结或凝华过程,因而必然伴随着潜热释放,这就使云雾内的温度高于环境,在云雾内必然盛行微弱的上升气流,不可能是下沉气流,这些宏观过程在霾层内是不存在的,因而成为识别霾与雾的重要的宏观动力条件。在对历史资料进行统计时,在排除降水、吹雪、雪暴、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、等等视程障碍现象的情况下,通过调试相对湿度,使得雾与轻雾反映自然的年际与年代际气候波动,而霾反映由于人类活动而引起的趋势性变化,其限值大体在90%左右,与美国和英国讨论霾影响能见度的长期变化趋势的研究中使用的相对湿度限值相同,他们都去除了相对湿度>90%的资料,只研究了相对湿度<90%时的能见度变化趋势。进行相对湿度订正才能确保资料的高质量。近年来由于人类活动大气气溶胶污染日趋严重,1980年代以来大幅增加的霾日,绝大部分是由于人类活动影响的气溶胶细粒子污染造成的。依据本文和以前的研究,给出了霾与雾区分的概念模型,霾与雾观测的标准,和灰霾天气预警信号发布的标准。     

北极夏季大气气溶胶单颗粒研究

为研究北极地区大气气溶胶颗粒的物理化学特性,于2013年8月8~12日环Svalbard岛收集大气气溶胶样品,利用带能谱的透射电子显微镜(TEM-EDS)共分析2530个单颗粒,并获得颗粒物的形貌特征和化学组成.结果表明,北极地区颗粒物主要表现为5种类型,分别为海盐颗粒、富S颗粒、富Fe颗粒、含碳颗粒和矿物颗粒.后向气流轨迹显示,采样期间大气污染物主要来自于北极点周边的海洋上空和附近格陵兰岛地区.来自海洋上空的大气中主要包含海盐颗粒,所占数量比例为54.7%;经过陆地的大气样品中95.4%为矿物颗粒.利用时间密度因子法估算出北极地区PM2.5质量浓度范围为0.55~0.72mg/m3.     

天水市大气降尘组成特征及表面电性模拟研究

对甘肃省天水市麦积镇大气降尘粒度分布及主要矿物组成进行了分析,并以实际降尘ζ电位作为参照,根据降尘中主要矿物组成的质量百分比,提出了计算法和混合法两种模拟大气降尘在水溶液中表面电性的方法.结果表明,麦积地区大气降尘属于可吸入颗粒粒度尺寸范畴,其主要矿物组成与质量含量为：石英（57.08%）、方解石（27.79%）、钠长石（10.29%）、白云母（4.84%）. 大气降尘在纯水中呈电负性,且ζ电位随着水溶液pH增加而减小.通过对比实际降尘与拟合方法所得到的ζ电位,发现两种拟合方式与实际降尘的ζ电位具有相似的变化趋势.降尘中矿物组成主导着降尘表面电位的大小和变化趋势,其对降尘表面电位的贡献率是最主要的.