武汉城区PM2.5中二元羧酸的分布特征及典型污染过程分析

摘要

二元羧酸是大气颗粒物中一类重要的有机组分，特殊的双羧基结构使其具有较强的极性、吸湿性，可以影响云凝结核的产生，改变成云过程和全球的太阳辐射效应，对于气候环境和人体健康有着一定的影响。本文在武汉市典型地区开展了为期一年的细颗粒物PM2.5样品的采集工作，重点研究武汉城区大气PM2.5中二元羧酸的化学组成、污染水平及浓度变化特征，定量解析二元羧酸的来源，并对加强采样期间发生的典型污染事件进行综合分析，探讨其污染过程及区域传输的影响，主要研究结果与结论如下：　　1.武汉城区大气PM2.5的年均浓度达到81.3μg/m3，其中冬季浓度最高，达到131.4μg/m3，夏季浓度最低为42.1μg/m3。PM2.5浓度的季节性分布特征主要与气象条件和当地的污染源排放强度有关。　　2.武汉城区PM2.5中二元羧酸总量为797.4ng/m3，其中以乙二酸浓度最高，全年平均浓度为550.1ng/m3，约占二元羧酸总量的71%左右。夏季二元羧酸的浓度最高达到1434.9ng/m3，冬季浓度最低仅为133.1ng/m3。表现出较为明显的季节性差异，武汉市夏季高温、高湿、强辐射等气象条件，有利于二元羧酸的前体物质在大气中发生一系列复杂的光化学二次转化最终转化为二元羧酸。二元羧酸与PM2.5的季节变化表现出一定的差异，说明两者的来源有所差异。　　3.基于特征比值法分析，得出武汉城区气溶胶在夏季老化程度最为严重，二元羧酸受到机动车排放和二次源转化的影响，人为源对于二元羧酸的贡献较生物源更大。根据相关性分析结果显示，二元羧酸内部间各物种具有较好的相关性，说明二元羧酸可能具有相似的来源。二元羧酸与SO42-、NO3-具有较好的相关性，说明二次转化可能是二元羧酸的一个重要来源；与K+、Cl-具有一定的相关性，表明生物质燃烧对武汉城区二元羧酸具有一定的影响，而与Mg2+、Ca2+、Na+等金属离子的相关性较差，表明海盐、建筑扬尘对武汉城区二元羧酸的影响相对较小。根据正定矩阵因子分析模型运行结果显示，武汉城区全年二元羧酸的来源较为广泛，其中包括:机动车排放（41.57%），生物质燃烧（22.09%），建筑扬尘（12.89%），二次来源（23.45%）。利用潜在源区软件对于武汉城区大气PM2.5中的二元羧酸在夏季和冬季的潜在来源区域进行模拟分析，冬季武汉城区二元羧酸主要受到江西省、安徽省、甘肃省等地区的影响，夏季主要受到陕西省、山西省、贵州省等地区的影响。　　4.对加强采样期间（夏季和冬季）的特征污染事件进行分析，PM2.5的化学质量平衡研究表明，有机物是武汉城区大气PM2.5中含量最高的组分，其质量浓度在夏季（16.43μg/m3）和冬季（29.65μg/m3）的占比分别为29.43%和25.57%。利用EC示踪法估算出二次有机碳在春夏秋冬四季的质量分别为6.0μg/m3、3.9μg/m3、10.5μg/m3、10.0μg/m3，元素碳在PM2.5中的占比最小，在夏季和冬季分别为7.13%和2.17%，其主要来源于生物质燃烧和化石燃料燃烧等不完全燃烧过程。根据K+的相关计算，夏季污染期间生物质燃烧对有机碳、元素碳的贡献分别为22.96%和40.58%。冬季生物质燃烧对两者的贡献分别达到39.66%和46.09%。　　5.利用美国国家航空航天局发布的的卫星火点图、中国环保部秸秆燃烧检测报告并结合气团后向轨迹模型分析，在夏季的污染事件中，武汉城区可能主要受到湖北省、湖南省、河北省等外来源的长距离传输的影响，而冬季辽宁省、河北省、陕西省等地的卫星火点相对较密，气团的后向轨迹特征表明武汉城区的冬季污染事件明显受到这些区域的外来源影响。

目录

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第1章 绪论

1.1 大气颗粒物

1.1.1 大气颗粒物概述

1.1.2 大气颗粒物的组成和来源

1.1.3 大气颗粒物的环境和健康效应

1.2大气 PM2.5中的二元羧酸

1.2.1 大气PM2.5中二元羧酸的性质

1.2.2 大气PM2.5中二元羧酸的研究现状

1.2.3 大气PM2.5中二元羧酸的分析方法

1.2.4 大气PM2.5中二元羧酸的环境与健康效应

1.3 源解析研究

1.4 研究意义与研究内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容

第2章 大气样品的采集与分析

2.1 研究区域概况

2.2 武汉城区大气PM2.5样品的采集

2.3 样品的实验分析

2.3.1 样品的采集及保存

2.3.2 样品的质量浓度和化学组分分析

2.3.3 样品的有机预处理及衍生化

2.3.4 样品的物种测定

2.4 质量保证与质量控制

2.4.1 质量保证

2.4.2 质量控制

第3章 PM2.5中各组分污染特征

3.1 武汉PM2.5的污染特征

3.2 武汉PM2.5中二元羧酸的污染特征

3.2.1 武汉城区PM2.5中二元羧酸的污染水平

3.2.2 武汉城区PM2.5中二元羧酸的季节性变化

3.3 武汉PM2.5中碳质组分的污染特征

3.3.1 碳质组分的污染水平

3.3.2 二次有机碳（SOC）的估算

3.4 本章小结

第4章 武汉城区PM2.5中二元羧酸的来源解析

4.1 特征比值分析法

4.2 相关性分析

4.3 正定矩阵因子分析

4.4 潜在源区分析

4.5 本章小结

第5章 典型污染期间武汉城区PM2.5化学组成及区域传输

5.1 典型污染期间大气PM2.5的化学组成

5.2 生物质燃烧的贡献

5.3 污染事件期间主要物种的污染水平

5.4 秸秆燃烧的区域传输影响

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得的科研成果