春節(jié)期間煙花爆竹放電對pm

春節(jié)期間煙花爆竹放電對pm

2.5（當(dāng)空氣動力學(xué)等效粒徑小于2.5時，顆粒）是大氣復(fù)合污染的重要污染物之一。近年來,我國的PM2.5污染事件受到廣泛關(guān)注,主要有2個方面的原因:一方面,富集在PM2.5表面的有毒有害物質(zhì)(如重金屬和多環(huán)芳烴等有機物)會損害人體健康,增加死亡率和呼吸道系統(tǒng)疾病的發(fā)病率;另一方面,PM2.5中含有的水溶性離子(如NO3-、SO42-、NH4+)和含碳組分具有明顯消光作用,會導(dǎo)致大氣能見度下降。因此,開展城市地區(qū)的PM2.5組分和來源分析對保護人體健康和改善空氣質(zhì)量具有重要意義。Duan等對北京城區(qū)監(jiān)測點的PM2.5化學(xué)組分進行分析,發(fā)現(xiàn)有機碳(OC)是含量最高的組分,占PM2.5濃度的45%~48%。王少毅等的研究發(fā)現(xiàn),廣東地區(qū)秋、冬季大氣PM2.5中有機質(zhì)是最重要的組分(39%),其次是硫酸根(18%)。上海地區(qū)開展的研究發(fā)現(xiàn),在不同污染過程中水溶性離子和碳質(zhì)組分占PM2.5的比例會發(fā)生顯著變化,這與不同污染時段PM2.5的來源存在差異有關(guān)。Decesari等在喜馬拉雅地區(qū)開展的觀測結(jié)果顯示,有機質(zhì)、元素碳和無機離子和礦物質(zhì)貢獻了該地區(qū)50%的PM10質(zhì)量濃度。Cusack等在西地中海地區(qū)的背景站點長期觀測結(jié)果顯示,有機質(zhì)和硫酸鹽是PM2.5中最重要的化學(xué)組分。PM2.5的來源十分復(fù)雜,不僅包括工業(yè)排放、交通道路源,還包括居民生活源。在春節(jié)期間燃放鞭炮是中國人的傳統(tǒng)習(xí)俗,但是煙花爆竹的燃燒會排放大量的PM2.5,導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。該文利用蘇州市區(qū)南門空氣復(fù)合污染監(jiān)測站的在線監(jiān)測結(jié)果,分析了春節(jié)期間PM2.5濃度水平和化學(xué)組分的變化特征,探討煙花爆竹燃放對PM2.5濃度水平和化學(xué)組成的影響。1實驗部分1.1采樣口距地面的觀測南門觀測站點位于蘇州市區(qū)內(nèi)馬路9-2號(36.40°N,117.03°E)的4樓,觀測儀器的采樣口距地面約15m,連續(xù)在線觀測。該觀測點周圍為居民區(qū),基本能夠代表城區(qū)大氣的環(huán)境特征。1.2分析方法和過程PM2.5采用BAM1020顆粒物分析儀,測量原理為β射線法,配備動態(tài)智能加熱裝置。PM2.5中水溶性離子的在線測量使用美國的在線離子色譜(URG-9000)。該儀器由3個部分組成:大氣粒子導(dǎo)入系統(tǒng),主要由粒子切割器和抽氣泵組成,主要功能是將PM2.5輸送到粒子捕集器;PM2.5快速捕集器,為整個儀器的核心部分,主要由蠕動泵、蒸汽發(fā)生器、樣品收集器、液體樣品輸送和轉(zhuǎn)移部分組成,主要功能是將PM2.5快速捕集后送到分析系統(tǒng)檢測;化學(xué)成分分析系統(tǒng),主要為2臺離子色譜儀(DionexICS-2100,美國)。在線采樣時間分辨率為60min,進樣時間分辨率為5min,樣品在線分析時間分辨率為27min,陰離子系統(tǒng)采用梯度淋洗程序。PM2.5中有機碳(OC)和元素碳(EC)的濃度采用美國RT4型OC/EC在線監(jiān)測分析儀進行測定。經(jīng)過PM2.5切割頭的環(huán)境空氣顆粒物樣品在儀器前爐內(nèi)的石英膜富集,在載氣(He)的非氧化環(huán)境下逐步升溫至550℃,OC被加熱揮發(fā),同時有部分OC被炭化為EC;然后在He/O2載氣下逐漸升溫至800℃,全部的EC被徹底氧化分解成氣態(tài)氧化物;2個步驟中所產(chǎn)生的分解產(chǎn)物經(jīng)過二氧化錳(MnO2)氧化爐被轉(zhuǎn)化為CO2。轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的CO2通過非分散紅外吸收方法進行定量。整個分析過程有一束激光透過石英膜,透射(反射)光在OC炭化時逐漸減弱,當(dāng)溫度升高并切換到He/O2載氣時,光強隨EC的氧化分解而增強,當(dāng)恢復(fù)到最初的光強時被認(rèn)定為OC/EC分割點,即分割點之前檢出的碳是OC,之后是EC。PM2.5中重金屬采用Xact625在線重金屬分析儀。該儀器的整個分析過程包括采樣周期和測量周期。采樣周期是環(huán)境空氣中的顆粒物樣品經(jīng)過PM2.5切割頭,在濾帶上進行富集;測量周期是通過X射線熒光光譜儀(XRF測量模塊)分析富集在濾膜上的樣品,獲得重金屬的質(zhì)量濃度。2結(jié)果與討論2.1pm.5濃度2013年2月9—15日,PM2.5逐時變化情況見圖1。由圖1可以看出,PM2.5濃度峰值出現(xiàn)在2月10日和2月14日的凌晨,分別對應(yīng)煙花爆竹燃放的高峰期。2月9日17:00左右,PM2.5濃度逐漸上升,到2月10日0:00PM2.5濃度達(dá)到最高峰,1h平均質(zhì)量濃度為571μg/m3,對應(yīng)除夕夜燃放煙花爆竹的高峰期,之后PM2.5濃度逐漸下降,到7:00左右迎來另一個小高峰。2月14日0:00PM2.5濃度又出現(xiàn)一個小峰值,1h平均質(zhì)量濃度為152μg/m3,這與民俗搶財神燃放煙花爆竹有關(guān),不過由于當(dāng)天出現(xiàn)降雨,雨水對污染物起到了很好的凈化作用,因而PM2.5峰值濃度相對較低。2月11—13日及2月15日,PM2.51h平均質(zhì)量濃度相對較低,與這幾日煙花爆竹燃放較少、大部分企業(yè)休假有關(guān)。2.22.5中低溶解水的監(jiān)測2.2.1煙花爆竹燃燒的單次其離子質(zhì)量濃度為5中的總離子春節(jié)期間,PM2.5中水溶性離子質(zhì)量濃度的逐時變化情況見圖2。春節(jié)期間,水溶性離子監(jiān)測結(jié)果見表1。由表1可知,2月9日、2月11日至2月15日各離子組分的質(zhì)量濃度由高到低的順序依次為SO42->NH4+>NO3->K+>Na+>Cl->Ca2+>Mg2+。SO42-、NH4+、NO3-是大氣PM2.5中含量最高的離子,這與其他時段的觀測結(jié)果一致。在煙花爆竹燃放的高峰日2月10日總離子質(zhì)量濃度占PM2.5的比例為58.6%。各組分的質(zhì)量濃度由高到低的順序依次為SO42->K+>NH4+>NO3->Cl->Na+>Mg2+>Ca2+,SO42-、K+、NH4+成為大氣PM2.5中含量最高的離子。2月10日,Cl-和K+占PM2.5質(zhì)量濃度的百分比均大幅上升,分別達(dá)4.6%和14.0%,是2月14日的2~5倍;而NH4+占PM2.5質(zhì)量濃度的百分比卻下降明顯。2.2.3煙花爆竹燃燒時段春節(jié)期間,水溶性離子1h均值相關(guān)性分析結(jié)果見表2。由表2可知,在煙花爆竹燃放高峰時段,NH4+與SO42-、NO3-的相關(guān)系數(shù)分別為0.538和0.477,顯著低于基本無煙花爆竹燃放時段NH4+與SO42-、NO3-的相關(guān)系數(shù)(0.797、0.862)。這一結(jié)果說明:在基本無煙花爆竹燃放時段,PM2.5中的SO42-和NO3-很可能是以硫酸銨、硝酸銨的形式存在;而在春節(jié)煙花爆竹燃放高峰時段,SO42-和NO3-可能還有其他存在形式(如硫酸鉀、硝酸鉀等)。在煙花爆竹燃放高峰時段,NO3-與SO42-、Cl-、Na+、K+等離子之間的相關(guān)性較差,表明NO3-與其他離子的來源可能有很大的不同。K+、Mg2+、Na+和Ca2+在煙花爆竹燃放高峰時段具有較好的相關(guān)性,與杭州的觀測結(jié)果相一致。但是,在基本無煙花爆竹燃放時段,這幾個陽離子的相關(guān)性較差,表明煙花爆竹的燃放是導(dǎo)致這些離子濃度顯著升高的重要原因。2.3煙花爆竹燃燒過程中有機顆粒的變化春節(jié)期間,PM2.5中OC和EC質(zhì)量濃度的逐時變化情況見圖3。由圖3可知,2月10日和2月14日0:00OC分別出現(xiàn)了2個峰值,質(zhì)量濃度分別達(dá)到了53.8、19.0μg/m3,分別對應(yīng)煙花爆竹燃放的2個高峰期。與基本無煙花爆竹燃放的2月11日0:00相比,2月10日和2月14日0:00OC的濃度分別增加了4.2、0.8倍。OC濃度升高的主要原因可能是爆竹中添加的蔗糖所致。為了增加爆竹的響度,廠家在爆竹中添加了蔗糖等物質(zhì),蔗糖等物質(zhì)在爆炸過程中形成了細(xì)小的有機顆粒,另外煙花爆竹的紙包裝以及黏合劑在燃燒過程中也會形成細(xì)小的有機顆粒。春節(jié)期間,2月10日OC質(zhì)量濃度最高,達(dá)20.3μg/m3,2013年2月14日次之,OC質(zhì)量濃度達(dá)12.1μg/m3。OC及EC占PM2.5的比例變化情況見圖4。由圖4可知,在煙花爆竹燃放高峰期2月10日OC占PM2.5的比例最低,造成這一現(xiàn)象的主要原因是其他組分的含量大幅上升。2.4煙花爆竹燃燒時段重金屬濃度變化春節(jié)期間,重金屬濃度逐時變化情況見圖5。由圖5可知,2月10日0:00重金屬濃度出現(xiàn)了明顯的峰值,Cr、As、Ni、Ag、Cd、Ga、Mn、Fe、Cu、Zn、Ba和Pb質(zhì)量濃度分別達(dá)到了0.0258、0.0728、0.0213、0.0223、0.0118、0.008、0.322、2.426、0.727、1.159、5.168、1.245μg/m3。與基本無煙花爆竹燃放的2月11日0:00相比,2月10日0:00重金屬濃度增加了2.8~40倍。2月14日0:00重金屬濃度出現(xiàn)了另一峰值,與基本無煙花爆竹燃放的2月11日0:00相比,2月14日0:00,重金屬濃度增加了0.2~11倍(Ba)。與基本無煙花爆竹燃放時段相比,煙花爆竹燃放高峰時段重金屬富集程度明顯。其他城市的研究結(jié)果表明,在霾日污染條件下,南京市Se、Cu、Hg和Bi富集程度明顯增高,上海Ni、Cu、S和Zn的富集程度明顯提高。不同城市在霾日條件下的化學(xué)組分與正常條件下相比有較大差異,各種化學(xué)元素在氣溶膠中所占的比例也發(fā)生了明顯變化。造成煙花爆竹燃放高峰時重金屬濃度升高的主要原因:為了在煙花爆竹燃放時能形成美麗鮮艷的色彩、圖案,在煙花爆竹中添加了金屬或金屬鹽類。金屬鹽類可以在高溫下分解,而不同的金屬蒸氣有著不同的光譜。如鈉蒸氣產(chǎn)生黃色光譜,于是便用草酸鈉、氟化鈉、冰晶石或硅氟酸鈉等作為黃光發(fā)色劑;鍶蒸氣產(chǎn)生紅色光譜,于是用硝酸鍶、碳酸鍶、草酸鍶等可作為紅光發(fā)色劑。其他如綠光用氯酸鋇、硝酸鋇;藍(lán)光用碳酸銅、孔雀石;金光用金粉,白光用鋁粉等。正是由于加入了這些物質(zhì),導(dǎo)致環(huán)境空氣中重金屬濃度升高。春節(jié)期間,在煙花爆竹燃放高峰時段,所有重金屬濃度均有不同程度增加。濃度增加最為顯著的重金屬為Ba、Fe、Pb、Zn、Cu和Mn。春節(jié)期間,重金屬占PM2.5的比例見圖6。由圖6可知,重金屬占PM2.5的比例為1.00%~2.29%。2013年2月10日(年初一)重金屬占PM2.5的比例最高,達(dá)2.29%。2013年2月29日,環(huán)保部頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)。標(biāo)準(zhǔn)中推薦的Cd、As濃度限值的年均值標(biāo)準(zhǔn)分別為0.005、0.006μg/m3。春節(jié)期間,除年初一煙花爆竹燃放造成Cd濃度超過該標(biāo)準(zhǔn)0.1倍、As濃度超過該標(biāo)準(zhǔn)2.8倍外,其他時間Cd、As均未超過參考標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值。3月10日0:24月各方面污染物的濃度,有以下幾種1)春節(jié)期間,由于煙花爆竹的集中燃放,造成了2個空氣污染高峰時段,尤其是除夕夜(2月10日凌晨),PM2.51h平均質(zhì)量濃度值達(dá)571μg/m3。2)煙花爆竹燃放高峰時段,PM2.5中NO3-、NH4+和Ca2+質(zhì)量濃度變化不明顯,而K+、Cl-、Mg2+和OC濃度有明顯上升。初一0:00與初二0:00相比,K+、Cl-和Mg2+的質(zhì)量濃度分別增加了98.7、297、18.8倍。3)春節(jié)煙花爆竹燃放高峰時段,重金屬質(zhì)量濃度均有較大幅度增加。初一0:00與初二0:00相比,Cr、As、Ni、Cd、Fe、Cu、Ba和Pb的質(zhì)量濃度增加了24.8、10.7、3.5、6.9、4.1、23.8、40.0、8.0倍。參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)年均值,除年初一Cd濃度超過該標(biāo)準(zhǔn)0.1倍、As濃度超過該標(biāo)準(zhǔn)2.8倍外,其他時間Cd、As均未超過參考標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值。4)煙花爆竹燃放是造成春節(jié)期間污染物濃度上升的重要因素。因此,為改善春節(jié)期間的空氣質(zhì)量,應(yīng)盡量減少煙花爆竹的燃放。或者通過研發(fā)現(xiàn)有煙花爆竹的替代品來消除污染。改變傳統(tǒng)的煙花爆竹制作工藝,研制小排量、輕污染的新型炸藥來代替黑火藥,既可以滿足人們紅火喜慶心理,又可以達(dá)到減少其危害的目的。由圖2可見,2月10日0:00SO42-、Cl-、K+、Mg2+濃度均出現(xiàn)了顯著的升高,分別達(dá)到了93.2、42.3、115.6、2.03μg/m3。與基本無煙花爆竹燃放