上海市霾与非霾期间颗粒态汞的污染特征

摘要

目前霾污染和大气汞污染均是我国面临的主要环境问题，已引起国际社会的广泛关注。大气汞主要有三种形态，分别为气态单质汞（Hg0）、活性气态汞和颗粒态汞，其中Hg0可以远距离传输参与全球汞的循环，颗粒态汞和活性气态汞在大气中的停留时间短，一般为数天，易沉降，是大气汞沉降的主要部分，即参与全球大气汞循环主要是气态汞。
　　为了探讨霾复合污染背景下，大气颗粒态汞的污染特征，本研究以上海霾污染为研究对象，分别采用PM2.5采样仪和Nano-moudi13级（9.9~18μm、6.2~9.9μm、3.1~6.2μm、1.8~3.1μm、1.0~1.8μm、0.56~1.0μm、0.32~0.56μm、0.18~0.32μm、0.10~0.18μm，0.056~0.10μm、0.032~0.056μm、0.018~0.032μm、0.010~0.018μm）颗粒物分级采样器，于2013年进行了连续1年的样品采集。采用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）分析了颗粒物上总汞和金属元素（Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cu、Cr、Cs、Fe、Ga、Li、Mn、Ni、Pb、Pb、Se、Sn、Sr、Te、Tl、Zn等）的质量浓度；采用离子色谱仪测定颗粒物中水溶性阴离子（Cl?、SO42?、NO3?）和阳离子（NH4+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+）的浓度；采用气相色谱法分析了PM2.5上甲基汞（PM2.5-MeHg）的浓度。重点研究了不同粒径颗粒态汞的污染特征，探讨了颗粒态汞与大气常见污染物和气象因素的关系，并对颗粒态汞进行源解析和转化特征的初步研究。结果表明：
　　（1）PM2.5-Hg和PM2.5-MeHg的月平均质量浓度分别在0.36~1.59 ng·m-3和0.46~45.6 pg·m-3之间，并呈冬季>春季>秋季>夏季的季节变化性。全年PM2.5中总汞高于全球背景值。
　　（2）无论是霾期间还是非霾期间PM2.5-Hg、PM2.5-MeHg均与SO2、NO2、CO呈显著的正相关，与风速负相关。无论是霾期间还是非霾期间PM2.5-Hg与温度负相关，温度较低有利于颗粒物对汞的吸附。
　　（3）霾天的颗粒态汞平均质量浓度为3.89 ng·m-3是非霾天颗粒态汞平均质量浓度1.25 ng·m-3的3.1倍。
　　（4）颗粒态汞的质量浓度随粒径分布呈单峰分布，霾天较非霾天颗粒态汞的分布出现了向大粒径方向的偏移，霾天峰值在粒径范围0.56~1.0μm的颗粒物上，而非霾天在0.32~0.56μm的颗粒物上。
　　（5）颗粒态汞主要分布在细粒子上，霾天和非霾天PM1.8中颗粒态汞的质量浓度分别占 PM10中颗粒态汞质量浓度的68.87％和66.13%。
　　（6）颗粒态汞参与了颗粒物的成长过程，颗粒态汞的质量浓度与颗粒物的质量浓度呈正相关关系，霾天和非霾天相关系数分别为0.9554和0.9246。
　　（7）霾与非霾天不同模态的颗粒态汞质量浓度存在显著差异，霾天各模态颗粒态汞的质量浓度明显高于非霾天，其中积聚核模态差异最显著，霾天为2.2 ng·m-3，而非霾天为0.7 ng·m-3。大气常见污染物和气象因素影响颗粒态汞的模态分布，凝结核模态颗粒态汞与 SO2、NO2和CO正相关性最强，与温度相关性最弱。风速与积聚核模态颗粒态汞的负相关性最强。
　　（8）根据主成分分析和富集分析，可以得到上海市颗粒态汞主要来自人为源，其中燃煤是主要污染源。霾污染前有来源于东北和西北地区以及浙江、安徽等地的污染气团，也有海上的气团。霾污染期间，气团主要来自中国北方。霾污染后，气团来自福建等地区。
　　（9）霾天汞在大气中气相和液相氧化反应速率提高，颗粒态汞浓度增加。颗粒态汞浓度与Cl-正相关性极强，其中霾天相关性更强。颗粒态汞与水溶性阳离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+呈正相关，与水溶性阴离子NO3?、SO42-也呈正相关，说明汞的排放与燃煤机动车尾气的排放有关。
　　（10）大气中汞的非生物甲基化速率与HgCl2、甲基供体浓度以及光照、催化剂有关。霾天HgCl2、O3和自由基浓度较高，导致甲基汞浓度的增加。温度也会影响颗粒态汞的非生物甲基化。

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第一章 绪论

1.1大气颗粒物的概述

1.2霾的概述

1.3大气汞的概述

1.4研究目的、研究内容、技术路线以及特色与创新

第二章 实验部分

2.1研究区域介绍

2.2大气颗粒物的采集

2.3分析方法

2.4质量保证

2.5数据处理方法

第三章 霾与非霾期间细颗粒物（PM2.5）中汞的变化特征

3.1细颗粒物中总汞的变化特征

3.2细颗粒物中甲基汞的变化特征

3.3不同季节细颗粒物中汞与大气常见污染物、气象因素的关系

3.4本章小结

第四章 霾与非霾期间汞在不同粒径颗粒物上的分布特征

4.1不同粒径的颗粒态汞的污染水平

4.2不同模态颗粒态汞的分布特征

4.3颗粒态汞的富集特征

4.4不同粒径颗粒物上汞的分布与大气常见污染物、气象因素的关系

4.5本章小结

第五章 霾与非霾天颗粒态汞源解析及转化特征的初步研究

5.1颗粒态汞源解析的初步研究

5.2颗粒态汞的转化特征研究

5.3本章小结

第六章 主要结论与不足

6.1主要结论

6.2不足

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文