南京城区可吸入颗粒物日变化特征及物理特性.pdf

第 13卷 第1期 2007年2月 燃 烧 科 学 与 技 术 Journal of Combustion Science and Technology Vol 13 No 1 Feb 2007 收稿日期 2006207219 基金项目 国家重点基础研究发展计划 973 资助项目 2002CB211600 作者简介 鲁端峰 1979 男 博士研究生 联系人 赵长遂 cszhao seu edu cn 南京城区可吸入颗粒物日变化特征及物理特性 鲁端峰 赵长遂 吴 新 李永旺 东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室 南京210096 摘 要 采用电称低压冲击器 ELPI 对南京城区可吸入颗粒物的粒径分布和数密度进行了连续监测 得到了可吸 入颗粒物的日变化特征和物理特性 数据分析表明南京城区物质燃烧产生的可吸入颗粒物占有较大比例 其中 PM2 5数密度高 占有较大的表面积份额 结合气象参数进一步分析表明 相对湿度小于700 0时 各级颗粒物的数密 度随相对湿度增大而升高 可吸入颗粒物总的数密度也相应升高 相对湿度大于700 0时 细颗粒物数密度随相对湿 度的增大逐渐降低 粗颗粒数密度则逐渐升高 而可吸入颗粒物总的数密度逐渐降低 关键词 电称低压冲击器 可吸入颗粒物 物理特性 中图分类号 X932 文献标志码 A 文章编号 100628740 2007 0120045205 Analysis of D iurnal Variation and Physical Character of PM10 in Nanjing Urban Atmosphere LU Duan2feng ZHAO Chang2sui WU Xin L I Yong2wang KeyLaboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology ofMinistry of Education SoutheastUniversity Nanjing 210096 China Abstract The concentration and size distribution of PM10were measured by electrical low pressure i mpactor ELPI in Nanjing urban atmosphere The diurnal variation of PM10concentration and physical characteristics were obtained PM10 emission from fuel combustion is the main contributor PM2 5has a great potential hazard because of its high concentration and quotient of surface area When the relative humidity RH is be low 700 0 the concentration of particles in each size range increaseswith RH and so does the total particle number concentration For RH above 700 0 submicrometer particle concentration decreases while bigger particle concentration increases and total particle number concentration decreases graduallywith RH Keywords electrical low pressure impactor PM10 physical character 可吸入颗粒物习惯上是指空气动力学当量直径小 于等于10 m的颗粒物 PM 10 PM10能长时间滞留在 大气中 PM10中粒径 空气动力学当量直径 大于2 5 m的颗粒可以通过呼吸道进入人体 主要沉积在鼻 腔和咽喉 而粒径小于2 5 m的颗粒 PM 2 5 可以携 带有毒物质进入肺泡 对环境和人体的危害更大 1 3 随着经济的发展 我国的煤炭消耗量逐年增加 机 动车辆剧增 这导致许多城市大气中悬浮物尤其是可 吸入颗粒物污染日益严重 随着环境和大气科学的发 展 人们认识到可吸入颗粒物对环境和人体健康的危 害 因此 可吸入颗粒物的表征 可吸入颗粒物的大气 化学过程以及可吸入颗粒物对气候变化和健康的效应 成为当今环境和大气科学研究领域的前沿 4 5 有关城市可吸入颗粒物尤其是PM2 5的研究引起 公众的广泛关注 6 9 本文主要针对南京城区近地面 可吸入颗粒物的数密度 粒径分布 表面积分布和体积 分布等物理特性及燃烧源排放的影响进行了综合测试 和分析 1 研究方法 本文采用芬兰DEKATI公司生产的电称低压冲击 器 ELPI 对大气可吸入颗粒物进行监测 ELPI可以实 时在线测量颗粒物数密度和粒径分布 它是通过颗粒 荷电 惯性分级并测量分级荷电量来确定颗粒物数密 度和粒径分布特征 10 如图1所示 颗粒物通过取样 口经由荷电器荷电 荷电颗粒通过冲击器完成惯性分 级 静电仪测得的电流信号通过计算机进行处理分析 从而得到颗粒物样品的数密度和粒径分布 图1 ELPI原理示意 Temesi 2 和 Shi 7 分别采用 ELPI对匈牙利平原地 区和英国伯明翰市可吸入颗粒物进行测量 结果表明 该仪器测量精度高结果可靠 本文采用的ELPI测量范 围分12个粒径级别 分别为0 028 m d 0 055 m 0 055 m d 0 094 m 0 094 m d 0 155 m 0 155 m d 0 26 m 0 26 m d 0 379 m 0 379 m d 0 608 m 0 608 m d 0 941 m 0 941 m d 1 59 m 1 59 m d 2 31 m 2 31 m d 3 97 m 3 97 m d 6 64 m 6 64 m d 9 84 m 测量地点位于南京东南大学校内一空旷区域 于 2005年3月10日至4月8日采用ELPI仪对该地区可 吸入颗粒物数密度和粒径分布进行连续在线测量 其 中3月15日 4月1日和4月5日测量时间为0 00 24 00 其余日期的测量时间为8 00 22 00 取样口距 地面高度3 m 测量点距最近的交通要道150 m 温度 相对湿度等常规气象参数均在测量地点与可吸入颗粒 物同时测得 2 结果与分析 2 1 可吸入颗粒物总数密度的日变化特征 图2为南京城区可吸入颗粒物总数密度日变化特 征曲线 相应的气象参数见表1 由图2可以看出 南 京城区可吸入颗粒物数密度晚上比白天高 上午的数 密度比下午的数密度高 并且每天可吸入颗粒物的总 数密度的最高峰值都出现在夜间22 00 23 00和上 午8 00 10 00两个时段 最小值出现在14 00 16 00 可吸入颗粒物数密度的最大值为最小值的2 4倍 测量结果表明 可吸入颗粒物平均数密度比英国 伯明翰市的平均数密度值稍高 图2 可吸入颗粒物总的数密度24 h变化特征 表1 气象参数 日期概述温度 平均相对湿度 0 0 2005203215多云 南风 4 5级6 1471 9 2005204201阴转晴 南风 3 4级9 1963 2 2005204205晴 北风 2 3级12 2849 8 在交通高峰时段 机动车尾气的排放使得大气中 可吸入颗粒物浓度明显升高 但是文献 7 的研究结 果表明 由于大气的稀释作用 在距公路100 m的距 离 可吸入颗粒物的数密度就会逐渐降低到背景浓度 本文测量地点与公路距离150 m 虽然大气将机动车 辆排放的可吸入颗粒物有所稀释 但是从测量结果来 看 机动车辆尾气的排放仍然会对测量地点可吸入颗 粒物的数密度产生较大影响 这也说明机动车辆尾气 排放是南京城区可吸入颗粒物的重要来源 这与北京 的情况类似 12 阴天时湿度较大 可吸入颗粒物的总数密度也较 大 但日变化相对不明显 3月15日平均湿度71 90 0 可吸入颗粒物日平均数密度为3 76 10 4 cm 3 最大 值为最小值的1 9倍 晴天时湿度较小 可吸入颗粒物 的总数密度也较小 但日变化较大 4月1日平均相对 湿度为49 80 0 可吸入颗粒物日平均数密度为2 31 10 4 cm 3 最大值为最小值的4 1倍 2 2 可吸入颗粒物粒径谱分布特征 图3给出了3月15日不同时刻可吸入颗粒物粒 64 燃 烧 科 学 与 技 术 第13卷 第1期 径谱分布 图中横坐标为ELPI每级的切割粒径 从图 中可以看出 P M2 5占到PM10的990 0以上 粒径在0 03 10 m范围内的颗粒物数密度随着颗粒粒径的增加 而减少 9 00 21 00 各级颗粒物数密度呈现先降低 后升高再降低再升高的趋势 并且颗粒粒径越小 可吸 入颗粒物绝对数目变化越明显 PM2 5浓度的变化决定 了可吸入颗粒物数密度的变化 图3 可吸入颗粒物粒径分布 2 3 可吸入颗粒物表面积和体积分布特征 图4和图5分别示出所测可吸入颗粒物的表面积 分布和体积分布 表面积和体积的计算公式如式 1 和式 2 所示 dA d lgdp n d 2 p 1 d lgdp 1 dV d lgdp n 1 6 d 3 p 1 d lgdp 2 式中 A为颗粒表面积 V为颗粒体积 dp为各级颗粒 粒径 n为各级颗粒数密度 d logdp 为EIPI每一级 的对数粒度值 图4 可吸入颗粒物的表面积分布 从计算结果来看 P M2 5的表面积呈对数正态分 布 峰值出现在0 379 0 608 m范围内 P M2 5占有 较大的表面积份额 占可吸入颗粒物总表面积的700 0 850 0 表面积越大 相应的吸附能力就越强 因此 图5 可吸入颗粒物的体积分布 P M2 5能吸附更多的有毒物质 据2005年江苏环境质 量公报 南京空气质量总体处于中度污染 可吸入颗粒 物污染超标 13 由此可见 南京城区可吸入颗粒物对 人体有一定潜在危险性 从图5可以看出 粒径在0 608 3 97 m范围内 各级颗粒物的体积份额大体相当 PM2 5的体积约占 PM10总体积的250 0 400 0 2 4 相对湿度对可吸入颗粒物数密度的影响 2 4 1 相对湿度对可吸入颗粒物数密度的影响 图6为可吸入颗粒物数密度与相对湿度的关系 从图中可以发现 可吸入颗粒物总数密度与相对湿度 有一定的相关性 当相对湿度小于700 0时 可吸入颗粒 物数密度与相对湿度正相关 在9 00 12 00和 15 00 22 00表现尤为明显 当相对湿度大于700 0时 可吸入颗粒物数密度与相对湿度负相关 如图所示 在 凌晨1 00 5 00 可吸入颗粒物的数密度随着相对湿 度的升高而降低 图6 可吸入颗粒物总数密度与相对湿度的关系 在非交通高峰时段 相对湿度小于700 0时 可吸 入颗粒物数密度与相对湿度的相关系数为0 822 当 相对湿度大于700 0时 可吸入颗粒物数密度与相对湿 度的相关系数为 0 879 在交通高峰时段 相对湿度 小于700 0时 可吸入颗粒物数密度与相对湿度的相关 系数为0 651 当相对湿度大于700 0时 可吸入颗粒物 数密度与相对湿度的相关系数为 0 578 由此也可以 74 2007年2月 鲁端峰等 南京城区可吸入颗粒物日变化特征及物理特性 看出 机动车等燃烧源的排放在很大程度上影响着大 气中可吸入颗粒物的数密度 是可吸入颗粒物的重要 来源 2 4 2 相对湿度对可吸入颗粒物粒径分布的影响 图7给出了不同湿度情况下的可吸入颗粒物粒径谱 分布 从图中可以发现 随着相对湿度的增大 不同粒径 级别的颗粒物数密度变化出现了两种截然不同的情况 a 低湿度 小颗粒 b 低湿度 大颗粒 c 高湿度 小颗粒 d 高湿度 大颗粒 图7 可吸入颗粒物粒径分布与相对湿度的关系 气粒转化过程是一重要的大气物理化学过程 是 大气可吸入颗粒物的重要来源 相对湿度增大有利于 气粒转化 使得细粒的数密度升高 14 15 图 7 a 和 b 表明 当相对湿度增大时 粒径在0 028 10 m 的颗粒数密度随之升高 呈正比关系 并且粒径越小增 幅越明显 相对湿度增大到一定程度 细粒之间 细粒与粗粒 之间相互碰撞 聚并 形成大颗粒的机率增加 从而引 起细粒子数目减少 粗粒子数目增加 图 7 c 显示 当 相对湿度大于700 0时 粒径在0 028 0 608 m的颗 粒 数密度随着相对湿度的增加而降低 呈反比 而图 7 d 显示 当相对湿度大于700 0 粒径在0 608 10 m的颗粒 数密度随着相对湿度的增加而升高 呈正 比 这正是气粒转化以及细粒之间 细粒与粗粒之间聚 并共同作用的结果 3 结 论 1 南京地区可吸入颗粒物中 机动车辆等燃烧 源的排放占有较大比例 2 可吸入颗粒物数密度日变化特征为夜间高白 天低 上午高下午低 数密度最高值出现在8 00 10 00和22 00 23 00两个时段 最低值出现在 14 00 16 00之间 最大值为最小值的2 4倍 3 可吸入颗粒物各级粒径数密度随着颗粒粒径 的减小而增大 PM2 5占可吸入颗粒物总的数密度990 0 以上 可吸入颗粒物的表面积呈现对数正态分布特征 峰值出现在0 379 0 608 m范围内 PM2 5占有较大 的表面积份额 各级粒径颗粒物体积份额呈现随粒径 增大而渐升的特征 PM2 5的体积约占PM10总体积的 250 0 400 0 4 相对湿度的变化对可吸入颗粒物总的数密度 和粒径分布具有较大影响 当相对湿度小于700 0时 随 着相对湿度增大 各级颗粒物的数密度升高 可吸入颗 粒物总数密度也相应升高 当相对湿度大于700 0时 随 着相对湿度的增大 粒径级别在0 028 0 608 m范 围内的各级颗粒物数密度逐渐降低 粒径级别在0 608 10 m范围内的各级颗粒物数密度则逐渐升高 而 可吸入颗粒物总数密度逐渐降低 参考文献 1 汪安璞 大气气溶胶研究新动向 J 环境化学 1999 18 1 10215 WangAnpu Recent trends on study of atmospheric aerosols J Environmental Chem istry 1999 18 1 10215 in Chi2 84 燃 烧 科 学 与 技 术 第13卷 第1期 nese 2 Temesia D MolnaraA Meszaros E et al Seasonal and di2 urnal variation in the size distribution of fine carbonaceous particles over rural Hungary J A tm ospheric Environm ent 2003 37 1 1392146 3 Bi Xinhui Sheng Guoying Peng Ping an et al Size distri2 bution of n2alkanes and polycyclic aromatic hydrocarbons PAHs in urban and rural at mospheresof Guangzhou Chi2 na J A tm ospheric Environment 2005 39 3 4772487 4 Van Dingenena Rita Raesa Frank Putauda Jean P et al A European aerosol phenomenology Physical character2 istics of particulate matter at kerbside urban rural and background sites in Europe J A tm ospheric Environm ent 2004 38 16 256122577 5 Harrison Roy M Jones Marcus Collins Gareth Measure2 ments of the physical properties of particles in the urban at2 mosphere J A tm ospheric Environm ent 1999 33 2 3092 321 6 D Alessandroa A Lucarellib F Mandob P A et al Hourly elemental composition and sources identification of fine and coarse PM10particulate matter in four Italian towns J Aerosol Science 2003 34 2 2432259 7 MireyaMoya Michel Grutter Ar mando Baez Diurnal vari2 ability of size2differentiated inorganic aerosols and their gas2 phase precursors during January and February of 2003 near downtown Mexico City J A tm osphericEnvironm ent 2004 38 33 565125661 8 Yeoa Hyungu ChoiaMinkyu ChunManyoung et al Gas particle concentrations and partitioning of PCSs in the atmos2 phere of Korea J A tm ospheric Environm ent 2003 37 25 356123570 9 Stephen Thomas LidiaMorawska Size2selected particles in an urban atmosphere ofBrisbane Australia J A t m ospher2 ic Environm ent 2002 36 26 427724288 10 Keskinen J Pietarinen K Lehti maki M Electrical low pressure impactor J Aerosol Sci 1992 23 3 3532360 11 Shi Jiping Khan A A Harrison Roy M Measurements of ultrafine particle concentration and size distribution in the urb