大气颗粒物中重金属元素在不同粒径上的形态分布分析

大气颗粒物中重金属元素在不同粒径上的形态分布分析

摘要：大气颗粒物是影响空气环境质量下降的重要因素，而重金属元素作为大气颗粒物中的主要成分之一，与人类的健康有着密切的联系。如若吸入过多含有重金属元素的颗粒物，则会影响人体机能，容易患各种疾病。因此，对大气颗粒物金属污染的探讨研究成为近年来大气污染问题研究的热点。本文将针对大气颗粒物中含有的重金属元素，在不同粒径上的形态分布作进一步研究和探讨。

关键词：大气颗粒物重金属粒径分布特点

随着科技的迅猛发展，工业、汽车、金属冶炼等行业也随之加速发展，对人们赖以生存的环境也造成了很大的破坏和污染，例如机动车尾气排放量大、工业生产燃料的燃烧、钢铁行业冶炼金属等等，造成空气中产生了大量的颗粒物，让人们不再只有出现沙尘暴的天气才深刻意识到其对健康的危害有多大。通过研究表明，在大气污染中，颗粒物质是其污染成分中最主要的物质元素，具有数量多、成分较为繁杂且性质多样化的特点，危害也当属最大。大气颗粒物能够吸附大量的重金属，且其中所含有的不同形态的金属元素有不同的化学性质和生物的可利用性质。因此，本文采用化学分离手段的研究方法，探究颗粒物中重金属元素的形态分布，为今后环境污染研究积累经验。

一、大气颗粒物中重金属元素的成分及含量

形成大气颗粒物的原因和条件有很多，而且颗粒物的成分存在着很大的差异性。所以，不同的地区大气颗粒物中所含有的重金属元素的含量也是不同的。在我国，像太原、徐州等地，尤其是作为我国老工业基地的东北地区，这些地区是典型的工业城市代表，其环境空气中所含有的颗粒物的重金属元素量（Pb、Ni、Mn、Cr、Cd）较高，而且由于北方地区受气候的影响在冬季需要燃煤取暖，因此其大气颗粒物中的重金属元素含量也较高于南方。因此可以看出，大气颗粒物中重金属元素含量的多少是受区域内的产业、颗粒物的形成条件和气候等因素的影响。

在城市中，大气颗粒物中的重金属元素的含量也具有较大的差异性，一般来说，郊区的空气质量最好，其次是居民区，交通区域重金属元素的含量较高，而含量最高的是工业区。在对太原的调查中显示，其城市内部空气PM2.5中含有的Cu，Zn，As，Pb等重金属元素的含量明显高于郊区地域。对于江浙一带沿海城市大气颗粒物中重金属元素钠的含量最高，平均质量浓度为33.182?g/m3，因此可以看出大气颗粒物中的重金属元素含量与其所处的地理位置紧密相连。

二、实验提取颗粒物中的重金属元素并作分析

本文将通过实验来提取大气颗粒物中的重金属元素，然后通过深入探究分析后阐述其在不同粒径上的形态分布特点。

第一步，先将提取颗粒物中的重金属元素的检测仪器和所用化验试剂准备好，采样时采用离心机、超声振荡器、旋转蒸发器、等离子体发射光谱仪。在使用玻璃器皿前，将其用1：1的盐酸浸泡。所用化验试剂为光谱纯的金属氧化物或者是用盐类配置单元素（单元素包括：Ca、Mg、Al、Mn、Fe、Zn、Pb等）的标准溶液，其配比为1.000 mg/mL，注意一定严格按照标准配置，然后依据检测各元素的需要，来进行配置合适浓度的溶液。

第二步，在采集颗粒物中的重金属元素样品时，采用五段分级采样器型号为为DFJ-1型，“49”型超细玻璃纤维滤膜，其分为5个等级：≤1.1μm；1.1～2.0μm；

2.0～

3.3μm；3.3～7.0μm；≥7.0μm。其表示的含义为：当小于等于1.1μm的颗粒物通过人体呼吸道能够穿透并留在体内肺泡上，以此类推，其质量越大，穿透人体上呼吸道器官的位置也越靠近体外。在2013年8月和2014年3月的中旬进行每天15个小时左右的连续采样，时间为一周，从早8点至晚11点，采样高度控制在6米左右，采样流量为550L/min。

第三步，将采集到的样品用逐级提取的方法检测颗粒物的化学组成。首先应用交换态，把采集到样品的样品膜放入离心管内，再加入10.0 mLNH4Cl（酸碱度为中性），2小时内用超声振荡方法使颗粒物脱膜，分离出物质，然后用试剂清洗并加热，使其氯化铵元素分解，待其稳定后进行碳酸盐结合态实验。用10.0mL NH4OAc-HOAc（1 mol/L NH4Cl，pH5.0）溶液进行2小时内用振荡方法提取剩余物质，然后方法同上，使NH4OAc-HOAc分解剥离，待其稳定后进行氧化态实验。用10.0mL 0.1 mol/LNH2OH·HCl的25%HOAc（pH2.0）溶液进行5小时内用振荡方法提取剩余物质，方法同上，分解稳定后进行有机态实验。用5.0mL0.1 mol/LHNO3和5.0mL50% H2O2（pH2.0）溶液进行2小时内加热，温度保持在85℃左右，之后再加入3.0 mL50%H2O2（pH2.0）溶液，加热温度依然保持在85℃左右，加热3小时后放置冷却，稳定后进行不溶态实验。将剩余的无法溶解的物质放到100mL烧杯中，然后加入同比例的HNO3和HClO4溶液，各5mL，进行加热直至其只剩较干的杂质，再加入3.0mL（1+1）NHO3溶液，分解其残余杂质，稳定后待测。

应注意的是，各项实验所得溶液都要用HNO3来调剂其PH值，将酸度控制在5%范围内，最终用ICP-AES法调试最佳条件进行测定。

第四步，对采集到的颗粒物在进行五种形态提取后对样品做以分析。取5组分提取样液，将测定仪器进行设置：射频功率为1200W，载气每分钟为1.4L，等离子气每分钟为1.1L，冷却气每分钟为13L，净化气为每分钟3.53L，观察位置为15毫米高，积分时间为8秒。之后把定量的混合溶液利用各分析线波长处做扫描并对比。该分析环节测定仪器的工作条件是在考察载气量和功率的影响后，依据背景等效浓度为最小时的条件。

三、大气颗粒物中重金属元素在不同粒径上的形态分布

在对样品进行逐级分离实验提取有效元素后，要进行15次平行检测和加标回收实验检测，以确保检测出的结果能够控制在75%—90%的范围内，标准差在

6.5—1

7.5%之间，考察方法具有精准性。通过实验研究发现，颗粒中的重金属元素浓度和分配比例在不同粒径上其分布形态各不相同，本实验以细微粒（<2μm）、粗微粒（≥2μm）来区分研究，结果如表：

（一）亲石元素（钙、镁、铁、铝）和亲气元素（锌、铅、铜、钒）形态分布

由于各种重金属元素在五种形态中都具有不同的形态分布方式，例如钙在粗细粒子中大部分分布于水可溶态，但还有极少一部分是分布在氧化态和不溶态的，镁则是主要分布于水溶态和氧化态，而钙在不溶态的含量要低于镁，原因是由两者具有不同的化学性质及地质来源不同引起的。因此，通过实验对比表明，镁元素在粗粒子中的形态分布差异较大，细粒子中不溶态中的镁元素含量要超过粗粒子不溶态中的镁元素含量，源自地表土壤层。铁元素在粗粒子中形态分布主要是氧化态和不容物态，由于其受空气湿度的影响，其氧化物还可转换为不溶态物质。因为铝的结构为四面体，因此其主要存在形态为不溶态。

亲气元素原子容积大，具有易挥发的特性，因此容易以易融状态的形式存在。其中锌元素在大气中化学性质较为活泼，一般以水溶态、氧化态、碳酸盐态及有机态的有效形态存在；铅元素由于其存在形态为不溶态，在不同粒径上的形态分布较为一致；铜元素较为稳定，在细粒子中分布在水溶态、氧化态、碳酸盐态及有机态中，而在粗粒子中则不会分布在碳酸盐态和不溶态中，其受来源条件（人为活动）的影响；钒元素在不同粒径上的形态分布具有一致性，大部分分布在氧化态和不溶态中，其主要来源是汽车尾气。

（二）其他较为重要的重金属元素形态分布

在实验中，将锰元素和钴元素作为较为重要的重金属元素和重要重金属元素一同进行检测，研究表明锰元素在大气环境中具有很强的活动性，其可交换性也很大，大部分都分布在氧化态和水溶态中，很少在不溶态中；钴元素主要分布于氧化态、水溶态和不溶态中，其具有较高的化学活性，在大气环境中能够发生相互转变的反应，有毒。

四、结语

综上所述，重金属元素在大气颗粒物中的分布与其粒径有直接关系。大气颗粒物中重金属元素在不同粒径上的形态分布具有差异性，，且由于人为因素造成重金属元素大部分集中于粒径较细的粒子中。同一种重金属元素，在不同的形态分布下其毒性是有差异的。从形态分布观察，其在大气环境中通过化学反应互换性很强，能够产生有毒物质，对人体健康具有很大的危害。因此，研究大气颗粒物中重金属元素在不同粒径上的形态分布对于探索其对人类健康的影响具有非常重要的作用。

参考文献