元素分布特点分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇元素分布特点分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

可吸入颗粒物(PM10)指悬浮在空气中且空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物，在环境空气中停留时间长，会随呼吸进入人体，严重危害呼吸系统和心血管系统健康［1－4］，同时对大气能见度［5－7］、空气质量和全球气候变化有影响［8－9］。PM10已经成为国内外许多城市大气环境的首要污染物，因此受到特别关注。环境空气颗粒物中元素一般占颗粒物总质量的30%左右。不同组分在颗粒物中含量不同，所产生的环境和健康效应也不同，而某些组分又是某些源类的标识组分，如Ca是建筑尘的标识元素、Si是土壤尘的标识元素等，因此，可用标识组分开展大气颗粒物溯源研究，为制订大气污染控制策略提供依据。抚顺市是以煤为主要能源的重工业城市，空气污染较为严重。多年来，已采取多种措施，旨在解决煤烟型大气污染的问题，并有所成效。但随着社会经济的发展和人口的增加、工业化和城市化进程的推进，城市对煤及其他能源的消耗量仍会增加。这使得抚顺市大气颗粒物始终居于较高的污染水平，2006、2007年PM10年均浓度值均超过国家二级标准［10］。此前，有关大气颗粒物元素组成和来源解析的研究多集中在沿海城市、珠江三角洲地区以及作为政治、经济、文化中心具有较大人口、交通压力的内陆城市，而少有关于像抚顺这种以大规模工业为基础的资源型城市的研究。该文分析了2006—2007年抚顺市大气PM10中的元素浓度分布特征，采用富集因子法分析了PM10富集特征并可吸入颗粒物(PM10)指悬浮在空气中且空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物，在环境空气中停留时间长，会随呼吸进入人体，严重危害呼吸系统和心血管系统健康［1－4］，同时对大气能见度［5－7］、空气质量和全球气候变化有影响［8－9］。PM10已经成为国内外许多城市大气环境的首要污染物，因此受到特别关注。环境空气颗粒物中元素一般占颗粒物总质量的30%左右。不同组分在颗粒物中含量不同，所产生的环境和健康效应也不同，而某些组分又是某些源类的标识组分，如Ca是建筑尘的标识元素、Si是土壤尘的标识元素等，因此，可用标识组分开展大气颗粒物溯源研究，为制订大气污染控制策略提供依据。抚顺市是以煤为主要能源的重工业城市，空气污染较为严重。多年来，已采取多种措施，旨在解决煤烟型大气污染的问题，并有所成效。但随着社会经济的发展和人口的增加、工业化和城市化进程的推进，城市对煤及其他能源的消耗量仍会增加。这使得抚顺市大气颗粒物始终居于较高的污染水平，2006、2007年PM10年均浓度值均超过国家二级标准［10］。此前，有关大气颗粒物元素组成和来源解析的研究多集中在沿海城市、珠江三角洲地区以及作为政治、经济、文化中心具有较大人口、交通压力的内陆城市，而少有关于像抚顺这种以大规模工业为基础的资源型城市的研究。该文分析了2006—2007年抚顺市大气PM10中的元素浓度分布特征，采用富集因子法分析了PM10富集特征并利用因子分析确定了PM10的主要来源，为了解抚顺市大气颗粒物的来源，治理抚顺市大气颗粒物污染提供数据支持，为资源型城市环境空气质量改善措施的制定提供科学依据。

1实验部分

1.1样品采集6个PM10采样点:站前(交通区)、水库(清洁对照点)、胜利(工业区)、东洲(居民区)、望花(工业区)和新华(居民区)。根据抚顺市的气象和污染源特点，按采暖季、风沙季和非采暖季安排采样周期和连续采样时间。2006年1月22—24日、2006年2月8—12日和2007年1月29—31日代表采暖季，2006年4月21—27日代表风沙季，2006年9月19—25日和2007年9月24—28日代表非采暖季，每天连续采样24h。使用KB120型中流量采样器，流量100L/min，用有机滤膜采集PM10样品，滤膜孔隙约0.25～0.45μm，用重量法测定PM10的尘重。

1.2分析方法

1.2.1样品前处理采用HNO3－HClO4湿法消化处理。具体方法:将剪碎的膜样品放入锥形瓶中，加去离子水润湿，加入分析纯HNO315mL和HClO45mL，在可控温度的加热器中消化，开始温度100℃，维持1h，升高温度至150℃，维持2h，继续升高至200℃以上，达到HClO4分解，当酸剩余约3mL时，将锥形瓶取下，冷却后，加入少许去离子水，过滤残渣，定容至15mL，待测。1.2.2样品分析采用IRISIntrepidII型电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)对样品进行Ti、Al、Mn、Mg、Ca、Na、K、Cu、Zn、As、Pb、Cr、Ni、Co、Cd、Fe、V等17种元素的分析。ICP-AES的测试条件:入射功率1.2kW，观察高度15mm，冷却气流量15L/min，载气流量1.0L/min。1.2.3质量控制用试剂空白作低含量标样，用水系沉积物国家一级标样(GSD系列)与样品同时处理，所得溶液作高含量标样。用制成的高、低含量标样采用多次标准化校正仪器的漂移。每次测量10个样品后，重新进行标准化，校正仪器。并以水系沉积物(GSD-6)为质量监控样测定，结果与标准推荐值对照，以保证测定的化学组分的相对误差均在10%以下，使分析结果满足质控要求。

2结果与讨论

2.1PM10中元素浓度特征抚顺市PM10中元素浓度见表1所示。Mn、Mg、Ca、K在望花采样点的浓度最高，而在其他采样点间差别不明显。其余9种元素中，Zn在望花采样点浓度最高，Cu、Pb、Ni、Co在新华采样点浓度最高，Cr、Cd、Fe、V在胜利采样点浓度最高，除Cu和Cr外，其余元素均在水库采样点浓度最低。Zn、Cu、Pb、Ni、Co、Cr、Cd、Fe和V在各采样点间的浓度最大值分别是最小值的4.43、2.43、4.94、5.81、7.26、2.62、1.71、2.80、2.19倍。总之，位于工业区的望花采样点PM10中元素浓度明显高于其他采样点;站前和新华采样点位于中部工业区，有大量居民区和商业区，存在相当一部分供暖企业，因此这两个采样点PM10中元素浓度也相对偏高。望花、胜利和新华采样点均存在全市浓度最高的元素，作为清洁对照点的水库采样点PM10中元素浓度相对较低。由PM10中元素在不同采样时间的浓度对比可见，Mn、Mg、Ca、Cu等4个元素的浓度最大值与最小值之比大于2，季间差别较大。其余K、Zn、Pb、Cr、Ni、Co、Cd、Fe、V、Ti、Al、Na、As等13种元素的浓度最大值与最小值之比小于2，季间差别不大。Mn、Mg、Ca元素浓度高低顺序为风沙季＞非采暖季＞采暖季，Cu元素浓度高低顺序为采暖季＞风沙季＞非采暖季。地壳类元素Mn、Mg、Ca在风沙季浓度最高，采暖季浓度偏低，可能是由于风沙季气候干燥，风力较大，土壤风沙尘较多;而冬季气温降低，地面易形成冻土，土壤风沙尘不易扬起所致。采暖季Cu浓度的增加可能主要来自于采暖期煤炭、重油燃烧产生的粉尘［11－12］。总体而言，Al、Mg、Ca、Na、K、Mn、Fe等7种地壳元素在17种元素中占有较大比重，风沙季达到97.5%，略高于非采暖季，采暖季最低，全年平均达到97.0%，说明地壳元素对PM10浓度有重大贡献。

2.2抚顺市与辽宁省主要工业城市PM10中元素浓度对比辽宁省作为我国传统老工业基地，省内存在一些重要的工业城市，如抚顺、鞍山、沈阳、锦州、葫芦岛等，这5个城市PM10中元素浓度的比较如表2所示。表2表明，本研究中抚顺市PM10中的地壳类元素Al、Mg、Ca、K浓度较其他4个城市明显偏高，同时抚顺市Fe和Co元素浓度也明显高于其他4个城市，这与抚顺市的大型金属冶炼企业(如新抚钢、特殊钢、抚顺铝厂等)以及煤等石化燃料的燃烧有关。抚顺市的Cu、Zn、Pb、Cd浓度明显低于葫芦岛，这与葫芦岛的铅锌冶炼厂和锦西石化等企业工业产品的大量生产有密切关系。

2.3富集因子分析富集因子常被用来研究大气颗粒物中元素的富集程度，初步判断自然或者人为污染物来源及其对元素含量的贡献水平［16－18］。富集因子的计算公式为式中，Ef为富集因子，X为测定元素，Y为选定的参比元素，(X/Y)sample为测量系统中测定元素和参比元素的测量浓度比，(X/Y)background为参比系统中测量元素和参比元素的浓度比［19－20］。当元素的富集因子Ef小于或接近于1时，可认为该元素相对于地壳而言未被富集，主要是由进入大气中的土壤或岩石风化的尘埃形成［21］，主要来源于土壤、地壳等;若元素的富集因子大于1，则可认为该元素受到人为污染［22］。通常选择在土壤中比较稳定、迁移性差、人为污染比较小的Al、Ti、Fe、Si等元素作为参比元素［23－24］。在所选择的参比系统中没有测试Si元素，Al元素的迁移率低于Fe和Ti元素，化学性质较稳定且分析精度最高［23］，所以本文选择Al元素作为参比元素，以中国土壤元素背景值中位值为参比系统［25］，计算PM10中17种元素的富集因子，结果如表3所示。从采样点看，K、Fe、V在各采样点的富集因子小于或接近于1，说明这3种元素在各采样点主要受到自然来源的影响。Ti、Mn、Mg、Ca、Na、As、Ni等7种元素的富集因子在各采样点情况有所不同。Mn、Ca、Na、As、Ni在各采样点的富集因子均大于1，说明这5种元素主要来源于人为污染，其中除Mn元素的富集因子在望花采样点最大外，Ca、Na、As、Ni元素的富集因子均为新华采样点最大，Ni元素在各采样点的富集情况差异较大，其最大富集因子是最小富集因子的5.9倍。此外，Ti元素只在新华、胜利和望花采样点受到人为污染，Mg元素只在新华和望花采样点受到人为污染，而且这两个元素的富集因子均为望花采样点最大。Pb、Cr、Co、Cu、Zn、Cd等6种元素在各采样点的富集因子均远大于1，表明这些元素显著被富集，且除Cd元素外，其他5个元素富集因子在采样点间差异较大，最大富集因子分别是最小富集因子的5.02、3.05、11.53、3.07、3.34倍。从采样时间来看，K、Fe、V在各季的富集因子均小于或接近于1，表明这些元素在各季的富集程度不高，基本来自于本地区和周围地区的土壤源。Mn、Ca、Na、As、Ni等5种元素在各季的富集因子均大于1，但均小于4.5，且各季间差异不大，最大富集因子与最小富集因子的比值均小于2。表明这5种元素在各季都受到人为污染，但并不严重。Ti元素只有非采暖季的富集因子大于1，可能与该地区工业源有关。Mg元素只是风沙季的富集因子稍大于1，可能主要来自于土壤风沙尘。Cu、Zn、Pb、Cr、Co、Cd等6种元素各季的富集因子均远大于1，表明这些元素在各季已被富集于颗粒物中，并明显受到人为污染，是典型的污染元素。Zn和Cd元素富集因子在全年各季都较高，高低顺序为非采暖季＞采暖季＞风沙季，主要是受到非采暖季金属冶炼［26］和机动车尾气排放的影响。Cu元素富集因子高低顺序为采暖季＞非采暖季＞风沙季，可能与采暖季焦炭的粉尘［12］和金属矿产有关。Pb、Cr、Co元素的富集因子高低顺序均为非采暖季＞风沙季＞采暖季，其中Pb的主要来源不只是汽车尾气，水泥工业、矿物燃烧和冶金工业也是其来源之一，Cr和Co也可能来自于冶金化工［27］和化石燃料燃烧。

2.3主因子分析主因子分析(PCA)是最常用的多元统计分析方法［28］，是识别影响环境浓度主要来源的最重要方法之一［29］。为进一步了解抚顺市不同污染源对PM10中各种元素的贡献率，本文应用统计软件SPSS11.5对该市6个采样点PM10中的元素浓度数据合并，并进行最大方差旋转因子分析，计算结果如表4所示。结果表明，第1～8个因子解释了变量总方差的85.107%。因子1与Fe、V、Na、Al元素的相关性显著。其中Fe和V的富集因子均小于1，Na的富集因子也基本小于2，可认为因子1代表土壤风沙尘排放源，其对变量总方差的贡献率为20.827%。因子2与Mg、Ca、As元素相关性较高。Mg、Ca是建筑尘的标识元素［30］，As的来源主要是煤的燃烧。抚顺市有章党水泥厂和抚顺水泥厂两大主要水泥企业，此外，作为“煤都”，抚顺市拥有全国重要的煤矿区及煤炭生产基地，因此可认为因子2代表建筑尘和煤燃烧排放源，其对变量总方差的贡献率为16.319%。因子3与Cd、Zn、Pb元素相关性较高。Cd、Zn、Pb被认为是道路尘的标识元素［31－32］。所以可认为因子3代表道路尘排放源，其对变量总方差的贡献率为10.396%。因子4与Co和Pb元素显著相关。Co和Pb元素的主要来源是机动车尾气排放。因子4与Pb元素的相关性相对于Co较低，是因为无铅汽油和乙醇汽油的使用使机动车尾气排放不再是Pb元素的主要排放源。因此，可认为因子4代表机动车尾气排放源，其对变量总方差的贡献率为8.352%。因子5与Ni和Cr元素具有较高相关性。Ni和Cr元素是金属冶炼的标识元素［33］，抚顺市拥有多个矿业公司及新抚钢等金属冶炼企业，排放大量Ni和Cr元素，可以认为因子5为金属冶炼排放源，其对变量总方差的贡献率为8.199%。因子6与Mn元素的相关性显著。抚顺市生产了我国第一炉特种钢，并且拥有全国闻名的东北特殊钢集团抚顺特殊钢有限公司，Mn元素是锰钢等特种钢的重要成分，所以可认为因子6为Mn合金生产排放源，其对变量总方差的贡献率为7.587%。因子7与元素Cu的相关性很高。抚顺市有红透山铜矿业基地，Cu是抚顺的鼓励开采矿种。此外，Cu被广泛应用于轻工和机械制造业，抚顺市有机械厂、起重机厂等机械制造企业和食品、纺织等轻工企业，所以认为因子7为铜矿业及机械和轻工业排放源，其对变量总方差的贡献率为7.374%。因子8与元素Ti显著相关。抚顺市有钛厂，并为“神舟六号”工作仓生产钛合金、海绵钛等材料。因此可认为因子8与钛生产排放源有关，其对变量总方差的贡献率为6.053%。从因子分析的结果可知，抚顺市大气PM10具有显著的多源性，主要为土壤风沙尘、建筑尘、燃煤尘、道路尘、机动车尾气尘、金属冶炼、锰、铜、钛工业源。总的来讲，工业源对大气PM10有显著影响。

3结论

1)抚顺市各采样点中，望花、胜利和新华采样点的元素浓度相对偏高。作为清洁对照点的水库采样点是抚顺市污染较轻的地区。2)Al、Mg、Ca、Na、K、Mn、Fe等7种地壳元素在17种元素中占较大比重，风沙季达到97.5%，全年平均达到97.0%，说明地壳元素对PM10浓度有重大贡献。3)抚顺市PM10中Al、Mg、Ca、K、Fe和Co元素浓度较鞍山市、沈阳市、锦州市和葫芦岛市明显偏高，这与抚顺市的大型金属冶炼企业及大量煤等石化燃料的燃烧有关。4)富集因子分析结果表明，Cu、Zn、Pb、Cr、Co、Cd等6种元素在各季和各采样点均已被富集于颗粒物中，明显受到人为污染，是典型的污染元素。5)因子分析结果表明，土壤风沙尘、建筑尘、燃煤尘、道路尘、机动车尾气排放、金属冶炼、锰、铜、钛工业源是抚顺市PM10的主要来源。