基于稳定碳同位素组成的环境空气中非甲烷烃来源及光化学寿命的初步研究

摘要

环境空气中的非甲烷烃(NMHCs)是臭氧和过氧乙酰硝酸酯(PAN)的前体物，在大气光化学过程中起着关键作用。一些NMHCs化合物，如苯，是毒害性空气污染物，在一些微环境(如室内环境)中积累到一定浓度会对健康带来不良影响。由于在大气化学和毒理学上的重要性，NMHCs成为国际上研究的热点。目前，国内外在关于NMHCs的浓度组成以及利用浓度组成特征研究其来源和光化学寿命等方面已有较详尽的研究报道，关于环境空气中NMHCs的稳定碳同位素组成的研究资料还较少。由于部分NMHCs在环境空气中易发生光化学反应，故单独利用其浓度特征分析其来源存在一定的不确定性，研究表明NMHCs的稳定碳同位素组成能较好地用于研究其在环境空气中的来源和光化学反应转化。
　　 本研究利用Tenax-TA吸附管采集了兰州市和太原市环境空气及主要排放源(炼焦烟气、电厂燃煤烟气、隧道空气、餐饮油烟、垃圾填埋场空气)中的NMHCs样品，热解析-气相色谱-同位素质谱联用仪(TD-GC-IRMS)分析测定了样品中NMHCs的稳定碳同位素组成。利用NMHCs的稳定碳同位素组成特征，本文对环境空气中NMHCs的来源和光化学寿命作了初步的研究。初步研究表明：
　　 1 炼焦烟气中δ13C值分布范围为-32.1‰～-18.8‰，其中炼焦过程中燃烧室排放的NMHCs的δ13C值平均范围为-31.6‰～-20.1‰，装煤、出焦烟气为-32.6‰～-18.8‰，地面站环境空气为-32.3‰～-18.5‰；垃圾填埋场空气为-33.2‰～-25.7‰；餐饮油烟为-32.0‰～-24.8‰；电厂燃煤烟气为-33.8‰～-21.2‰；隧道空气为-28.8‰～-25.5‰。不同污染源排放的NMHCs的稳定碳同位素组成存在差异，可以利用这种差异对城市环境空气中NMHCs的来源做定性的初步分析。
　　 2 城市不同功能区环境空气中NMHCs稳定碳同位素组成不同：商业区环境空气中NMHCs的δ13C值为-33.4‰～-23.2‰，工业-交通混合区为-36.0‰～-24.2‰，清洁区为-30.9‰～-24.2‰。工业-交通混合区检测出的化合物要多于商业区和清洁区，清洁区环境空气中检测出的化合物最少。
　　 3 利用稳定碳同位素组成特征对环境空气中NMHCs进行来源分析的结果显示：商业区环境空气中NMHCs主要来源于机动车尾气、餐饮油烟和燃煤烟气，化石燃料挥发、垃圾堆放和不明源的排放也有影响；工业-交通混合区环境空气中NMHCs主要来源于化石燃料的挥发和燃煤烟气排放，其他未知源对其也有较大的影响；清洁区环境空气中NMHCs主要来源于植物排放、餐饮油烟和交通相关源，其周围的燃煤烟气和垃圾堆放也有贡献。
　　 4 兰州市冬季昼夜环境空气中NMHCs的δ13C值为-30.5‰～-24.3‰，夏季为-31.9‰～-24.2‰。受燃煤烟气排放的影响，冬季环境空气中NMHCs的δ13C值要明显大于夏季。利用夜晚和白天正己烷及1-丁烯δ13C值的改变，通过“碳氢化合物同位素时钟”计算得出其在夏季兰州市环境空气中的平均光化学寿命分别约为6天和25分钟。