采礦揚塵源成分譜化學組分特征研究*

彭 杏 劉貴榮 鄭 俊 姚 遜 費 勇 史國良 張裕芬#(.南開大學環(huán)境科學與工程學院，國家環(huán)境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室，天津 0007；.寧波市環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 寧波 50；.湖州市環(huán)境保護監(jiān)測中心站，浙江 湖州 000)

當前我國PM2.5污染嚴重，解析其來源是大氣污染防治重點工作之一[1-4]。建立系統(tǒng)完善的源成分譜是開展源解析工作的基礎，因此采集污染源樣品并對其進行化學組分分析，獲得可靠的源成分譜有助于得到可靠的源解析結果。這具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。

目前，我國關于PM2.5源成分譜的研究較少，主要集中在PM10的源成分譜研究[5]905，[6]，[7]4813，[8]，源成分譜資料缺乏，亟需建立具有代表性的污染源成分譜，為大氣顆粒物來源解析提供基礎數(shù)據(jù)。揚塵作為主要的污染源類[9-15]，種類多樣，常見的有土壤揚塵、建筑揚塵、采礦揚塵等。而采礦揚塵由于受到地域等因素的限制，并沒有被廣泛研究。但是，針對某些采礦業(yè)較發(fā)達的城市來說，采礦場的爆破作業(yè)、挖掘設備的采樣、裝載與運輸?shù)榷紩a生大量的揚塵，帶來嚴重的采礦揚塵污染[16-18]。因此，本研究首次構建了采礦揚塵源成分譜信息，為采礦揚塵的定量源解析工作提供基礎數(shù)據(jù)。此外，對于其他典型的污染源類也進行了樣品采集和分析，構建了相應的源成分譜，為今后開展源解析工作、制定顆粒物污染控制政策等提供依據(jù)。

表1 源樣品的采集時間、點位及數(shù)量Table 1 Sampling time，points and numbers of source samples

1 材料與方法

1.1 源樣品的采集

為獲得采礦揚塵源樣品，本研究選擇礦產業(yè)較發(fā)達的湖州市作為研究點。湖州市地處浙江省北部，緊鄰江蘇、安徽兩省，是連接長三角南北兩翼和東中部地區(qū)的節(jié)點城市，建材及黏土類非金屬礦產資源較豐富。根據(jù)《湖州市礦產資源總體規(guī)劃(2011—2015)》資料顯示，截至2009年底，全市年產礦石10 911萬t，其中建筑石料類礦石年產量為8 477萬t，約占總礦產量的80%，其次石灰石類礦產量為1 942萬t。本研究首次嘗試從采礦揚塵角度出發(fā)，建立采礦揚塵源成分譜，初步探究采礦揚塵化學組分特征。

本研究選擇典型的兩個石礦廠作為采樣點，采集石礦廠周圍的揚塵作為采礦揚塵，共10個樣品。

此外，為與其他類型的顆粒物污染源比較，本研究還采集了湖州市其他主要的污染源類。根據(jù)湖州市大氣顆粒物的排放清單和現(xiàn)場調查，結合湖州市具體情況，確定土壤揚塵、煤煙塵和建筑揚塵等3類代表性源。源樣品的采集在非雨天進行，根據(jù)《大氣顆粒物來源解析技術指南》中顆粒物源類樣品采集原則對3類源樣品進行采集，采樣信息見表1。

所有源樣品密封袋收集帶回實驗室，并過150目篩，而后密封保存樣品待測。所有源樣品采樣方法具體參考以前的研究[5]905，[7]4813。

1.2 分析方法

2 結果與討論

2.1 源成分譜特征

湖州市4類源成分譜如圖1所示。采礦揚塵中主量成分為Si、Al、Ca、OC和Fe，其質量濃度分別為(0.13±0.01)、(0.07±0.01)、(0.07±0.02)、(0.03±0)、(0.02±0) g/g。由于Si是土壤揚塵的標識元素，說明采礦揚塵可能和土壤揚塵具有相似的標識組分。另外，湖州市的礦產資源主要以建材及黏土類非金屬礦產為主，而Ca是建筑揚塵的標識元素，因此采礦揚塵中Ca含量也較高。

土壤揚塵的主量成分主要是地殼類元素，如Si、Al、Ca、Fe，其中Si質量濃度最高((0.21±0.02) g/g)；OC((0.05±0.04) g/g) 和EC((0.01±0.01) g/g)也較高。

建筑揚塵主量成分依次為Ca、Si、Al、OC。其中，Ca質量濃度最高((0.29±0.05) g/g)，因此通常都將Ca作為建筑揚塵的標識元素[20]2817。

煤煙塵主量成分為地殼元素(Si、Al、Ca)和碳組分。其中，OC一般作為煤煙塵的標識組分[20]2817，其質量濃度為(0.13±0.03) g/g。

2.2 比值分析

ARDITSOGLOU等[22]指出，在大氣顆粒物來源解析中元素比值通常作為判斷顆粒物來源和當?shù)卦醋V特征的依據(jù)。因此，本研究通過比較相關特定化學組分之間的比值來分析采礦揚塵及其他源成分譜的特征。圖1顯示Si、Al、Ca在4類源成分譜中的含量均較高，且含量相對穩(wěn)定，因此選取這3種化學組分之間的質量比作為4類源成分譜的特征比值加以分析，其計算結果見表2。

圖1 湖州市4類源成分譜Fig.1 Profiles of four sources in Huzhou

表2 4類源成分譜的特征比值Table 2 Ratio analysis for the four source categories

由表2可以看出，Al/Si依次為建筑揚塵>煤煙塵>采礦揚塵>土壤揚塵；Al/Ca依次為煤煙塵>采礦揚塵>土壤揚塵>建筑揚塵；Si/Ca依次為土壤揚塵>采礦揚塵>煤煙塵>建筑揚塵。對于4類源成分譜，Al/Si、Al/Ca、Si/Ca在不同的源成分譜中的取值存在一定的差異。建筑揚塵中Al/Ca和Si/Ca較小，分別為0.26和0.37，可能與建筑揚塵中Ca的含量較高有關，而且Al/Ca和Si/Ca與其他源差異較大，因此本研究認為其可作為建筑揚塵的特征比值。土壤揚塵中Si的含量很高，導致Al/Si較小(0.30)，而Si/Ca較大(1.89)，與其他源差異較大，可作為其特征比值。煤煙塵中Si和Al的含量較高，所以Al/Ca和Si/Ca較大，可以作為標識煤煙塵的特征比值。采礦揚塵中Al/Si、Al/Ca、Si/Ca分別為0.53、1.00、1.88，Al/Si較小，而Si/Ca較大，可能是因為采礦揚塵中Si的含量較高導致，3個比值都與其他源中對應的比值較相似，無明顯的特征。綜合分析，采礦揚塵源成分譜與其他源具有較強的相似性。

2.3 分歧系數(shù)分析

采礦揚塵與其他源成分譜較相似，根據(jù)化學組分含量和比值分析，采礦揚塵各化學組分含量與其余3類源化學組分含量并無明顯差異。因此，采用分歧系數(shù)(CD)對采礦揚塵與其余3類源成分譜之間的相似程度進行定量比較。分歧系數(shù)的計算公式[23]為：

(1)

式中：CDjk為j源和k源的分歧系數(shù)；p為參與計算的化學組分的總個數(shù)；i為化學組分序號；xij、xik分別為j、k類源成分譜中i化學組分的平均質量濃度，g/g。

如果兩類源成分譜的組成非常相似，CD將趨近于0；如果組成相差極大，則CD趨近于1[24]。為了比較采礦揚塵源成分譜與其余3類源成分譜的差異性，根據(jù)式(1)分別計算出采礦揚塵與其余3類源成分譜化學組分的分歧系數(shù)，采礦揚塵與其余3類源成分譜的化學組分比較見圖2至圖4。

圖2 采礦揚塵與土壤揚塵源成分譜化學組分比較Fig.2 Chemical components comparision between mineral dust and resuspended dust

圖3 采礦揚塵與建筑揚塵源成分譜化學組分比較Fig.3 Chemical components comparision between mineral dust and cement dust

圖4 采礦揚塵與煤煙塵源成分譜化學組分比較Fig.4 Chemical components comparision between mineral dust and coal combustion

經計算，采礦揚塵與土壤揚塵、建筑揚塵、煤煙塵源成分譜的分歧系數(shù)分別為0.49、0.36、0.39。這可能是因為礦石可能部分應用于建筑材料，導致采礦揚塵與建筑揚塵源成分譜的化學組分特征更相似。采礦揚塵與煤煙塵的源成分譜中OC的差異較大，導致其分歧系數(shù)較大。采礦揚塵和土壤揚塵盡管主量化學組分都是地殼類元素，如Si、Ca、Al等，但它們的差異較大，所以分歧系數(shù)較大，源成分譜相似性較低。因此，采礦揚塵與建筑揚塵源成分譜的相似性較高，與土壤揚塵源成分譜的相似性較低。由圖3可見，采礦揚塵與建筑揚塵源成分譜中各化學組分均勻分布在對角線(斜率為1)兩側(除Ca外)，且位于對角線的元素相對于圖2、圖4來說最多，由此也可說明采礦揚塵源成分譜與建筑揚塵源成分譜最相似。

本研究參考姬亞芹[25]的研究，將分歧系數(shù)0.2作為判斷兩個源成分譜是否相似的臨界點，即分歧系數(shù)在0～<0.2的兩個源成分譜必定相似、0.2～<0.5為可能相似、0.5～1.0為必定不相似?？梢姡傻V揚塵與其他3類源成分譜之間可能相似。

3 結 語

(1) 采礦揚塵中主量成分為Si、Al、Ca、OC和Fe，其質量濃度分別為(0.13±0.01)、(0.07±0.01)、(0.07±0.02)、(0.03±0)、(0.02±0) g/g。

(2) 采礦揚塵中Al/Si、Al/Ca、Si/Ca與其他源中對應的比值較相似，無明顯的特征，說明采礦揚塵源成分譜與其他源具有較強的相似性。

(3) 采礦揚塵與土壤揚塵、建筑揚塵、煤煙塵源成分譜的分歧系數(shù)分別為0.49、0.36、0.39，表明采礦揚塵與其他3類源成分譜之間可能相似。

(4) 本研究初次構建了采礦揚塵源成分譜信息，豐富了我國顆粒物源成分譜數(shù)據(jù)庫；對于受到采礦揚塵污染的城市，建立采礦揚塵源成分譜不僅可為環(huán)境有關部門控制PM2.5的污染提供科學依據(jù)和基礎數(shù)據(jù)，而且也可為開展相關采礦揚塵研究的城市提供參考與借鑒。

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