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07 04 2020 1 综述文献阅读报告 07 04 2020 2 铅同位素在环境地球化学中的应用与进展 铅稳定同位素在环境污染示踪中的应用和进展 Lead Pb isotopicfingerprintinganditsapplicationsinleadpollutionstudiesinChina Areview Leadisotopesinenvironmentalsciences Areview 07 04 2020 3 基于Pb同位素组成只与源区的Pb同位素组成特征有关 与重金属的迁移行为和轨迹没有关系这一特点 Pb同位素示踪技术在判别土壤 水体 大气和人体中Pb与相关重金属污染来源 区别汽车尾气Pb污染和工业Pb污染等方面已起到独特的作用并得到了广泛的应用 特别是在研究Pb及其它亲硫元素 Hg Ag Tl Sb Zn Cu等 的重金属污染来源方面 已成为一种强有力的手段 铅同位素在环境地球化学中的应用与进展 07 04 2020 4 铅同位素的示踪原理 Pb有4种稳定同位素 204Pb 206Pb 207Pb和208Pb 其中204Pb的半衰期为114 1017a 远大于地球形成时年龄 416 109a 因而可以看作是稳定同位素 其它3种则都是不稳定的同位素 Pb同位素由于其质量重 同位素间的相对质量差较小 外界条件的变化对铅组成的影响很小 其同位素构成主要由地质形成初期时铀 U 和钍 Th 的相对含量及其此后的衰变时间所决定 在地球化学上具有显著的区域化分异特征 但在同一区域相当一致 因此是一个很好的环境示踪剂 07 04 2020 5 铅同位素的测定方法 传统方法 热电离质谱计 TIMS 缺点 所需时间较长 每个样品的计数时间一般需要1h 广泛应用 电感耦合等离子体质谱法 ICP MS 优点 具有极高的灵敏度和较高的精密度 广泛地应用于多种样品中痕量元素的直接测定 可以进行快速同位素比值分析 从而可利用同位素稀释分析法准确 快速地测定各种样品中的痕量元素 应用举例 07 04 2020 6 黄志勇等研究表明 电感耦合等离子体质谱能准确 快速测定Pb的同位素比值 通过对ICP MS仪器参数的最优化 如扫描次数 积分时间等 可以有效地降低ICP MS进行同位素比值分析过程中因蠕动泵不稳定 雾化器波动 离子化效率波动 等离子体瞬间不稳定和电子元件噪音等因素的影响 以获得精确度较好的同位素比值 通过对系统死时间 系统漂移和质量歧视效应的校正 可提高同位素比值测定的准确度 能够快速测定样品中的Pb含量 Cocherie等用ICP MS对雨水中206Pb 204Pb 207Pb 204Pb 208Pb 204Pb 207Pb 206Pb同位素比值进行了测定 其精度分别为0 50 0 50 0 70 和0 30 并且阐述了应用ICP MS测定Pb同位素比值的准确性与精确性 同时表明应用ICP MS与TIMS所测的结果具有很好的一致性 07 04 2020 7 铅同位素在环境研究中的应用 在土壤环境中的应用 在水环境中的应用 在大气环境中的应用 07 04 2020 8 在土壤环境中的应用 S C Wongetal研究了珠江三角洲重金属在农作物土壤 水稻土和天然土壤中的分布 分析了土样的Co Cd Pb的化学分异和Pb同位素组成 结果表明 Cd在农作物 水稻和天然土壤中的浓度升高 Pb在农作物和水稻土壤中的含量提高 从而表明 大量使用化肥和采用耕种方法不当使得农作物土壤受到了重金属Cd和Pb的污染 且来自汽车尾气和工业的人为Pb进入了土壤 陈好寿等应用Pb同位素示踪技术研究了杭州市区土壤及运河淤泥中Pb的来源及大气污染对环境的影响 结果表明 土壤Pb除个别样品的207Pb 204Pb比值低 落在煤Pb范围内之外 多数样品落在汽油Pb区域内 土壤Pb多数与汽油Pb关系密切 表明杭州市区环境污染已有从燃煤型转变成燃油 汽车尾气 型的趋势 运河淤泥的Pb主要来自附近土壤 或扬尘 并受到燃煤和汽油Pb的污染 07 04 2020 9 在水环境中的应用 Pb同位素在水环境地球化学方面也有一定的应用 通过测定雨水的Pb同位素组成可以确定雨水中污染物的来源 但目前有关Pb同位素示踪水体污染源的报道并不多见 StephaneRoy通过对法国中部山丘地区雨水的Pb同位素比值的研究 表1 得出该地区雨水中Pb有5种来源 汽油铅 自然来源铅 工业输入铅 农业输入铅和尾矿铅 07 04 2020 10 在大气环境中的应用 Mukai和Zheng等利用ICP MS测定了大气气溶胶样品的Pb同位素组成 指出上海等中国部分城市大气Pb污染的主要来源包括工业排放 汽车尾气和燃煤 其中工业排放影响因素复杂 并且来源众多 主要包括 冶金工业 城市建设和其它用途的Pb排放等 陈好寿等通过对杭州大气铅主要来源的铅同位素特征的研究 发现大气中两种重要的铅来源 汽油铅 燃煤铅 的同位素组成差异明显 完全可以用来示踪和鉴别大气环境的污染源 刘成德通过研究指出我国城市大气颗粒物的206Pb 207Pb比值一般为1 13 1 18 与燃煤排放 燃油排放 汽车尾气 土壤扬尘 水泥工业 冶金工业排放的特征比值接近 提示这些源排放是可能的重要来源 07 04 2020 11 铅同位素组成主要受源区初始铅含量及放射性铀 钍衰变反应的制约 而基本不受形成后所处地球化学环境的影响 具有特殊的 指纹 特征 由于现有不同的环境介质的物质来源 成因机制 形成环境及形成时间不一 因而就各自具有不同的铅同位素标记特征 因此 环境物质的铅同位素组成 铅同位素构造环境信息 铅同位素混合模型和源区参数计算结果的有机配合 可强有力地示踪环境物质来源和运移规律 铅稳定同位素在环境污染示踪中的应用和进展 07 04 2020 12 城市大气降尘铅污染源研究 水系沉积物铅污染研究 土壤 植物系统的研究 本文主要从大气降尘 水系沉积物 土壤 植物体系这三方面对铅同位素示踪技术的应用进行了论述 07 04 2020 13 城市大气降尘铅污染源研究 铅同位素示踪最早用于大气颗粒物铅污染源的研究 CHOW曾测定了北美汽油和煤的铅同位素组成 用以示踪大气中的铅污染源 PATTERSON和HURST等一系列研究也同样证明 大气中两种重要的铅来源 汽油铅和燃煤铅 的同位素组成有明显的差异 图1 可以用来示踪和鉴别大气环境中的铅污染源 07 04 2020 14 国内陈好寿等测定了杭州地区工业和民用燃煤及其残余物 煤灰 煤渣 和汽车尾气残余颗粒物的铅同位素组成 结果证明 杭州地区燃煤和汽油铅的同位素特征与CHOW研究的北美地区有相似性 但也有差别 杭州汽油铅完全落在北美汽油铅区域内 杭煤比北美煤放射成因铅要低一些 这与煤的产地不同有关 但仍能与本地区汽油铅相区别 完全可以用来示踪和鉴别大气环境的污染源 07 04 2020 15 水系沉积物铅污染研究 通过分析城市水系淤泥积聚污染物中铅的分散 迁移和富集的环境因素及地球化学过程 可以探索和了解城市生态环境中的物质循环方式 途经以及一些环境中的自我净化剂机理 有关水系沉积物的铅同位素示踪起步较晚 国外的研究主要涉及于湖泊 例如 BLAISJULES对湖底沉积物的铅同位素组成进行了测定 研究表明加拿大工业排放物的铅同位素206Pb 207Pb比值 1 153 0 005 明显比美国工业排放物的铅同位素比值 1 213 0 008 低 因此选定了简单的两端元铅同位素混合模型 以追溯两国工业排放物中的铅对湖区 在北美洲东部地区 沉积物中的铅相对贡献 EADES用湖泊沉积物中稳定铅同位素记录考察了苏格兰的环境铅污染历史 通过考察206Pb 207Pb比值的变化 绘制了铅污染主要原因的年代学谱图 并用地表沉积物中同位素比值作为标识对20世纪90年代大气铅进行了源解析研究 结果表明 当时大约27 40 的大气铅来源于含铅汽油的使用 07 04 2020 16 目前 国内对水系沉积物铅同位素组成的研究仍少见报道 尚英男等对成都市河道表层沉积物淤泥铅污染做了分析 结果表明 成都市燃煤端元和燃油端元物质的铅同位素组成总体特征是放射成因铅高 而且燃煤的放射成因铅高于燃油 特别是汽油铅和燃煤铅同位素组成区别明显 成都市主要河流沉积物的铅同位素组成均大多落在崔家店热电厂降尘和华能热电厂燃煤飞灰的范围 表明河道沉积物的铅主要来源于位于成都东郊的这两大热电厂的燃煤污染 沙河 府河有少数几个样品点落在燃煤铅和柴油铅之间 其铅的来源可能是两者的混合 07 04 2020 17 土壤 植物系统的研究 国外对土壤植物体系的铅同位素研究从20世纪80年代开始 现在已成为一个新的研究热点 HURST等曾分析了美国内华达州一个正在运转的火力发电厂周围的煤灰 土壤及植物的铅同位素组成 也清楚地揭示了燃煤对环境的污染 KASTE分析低纬度落叶林区域土壤铅同位素组成发现 大气铅沉降主要富集在土壤表层10cm附近 高纬度针叶林地区由于地表覆盖有较厚的植被故阻止大气铅沉降至地表 近似能反映大气60年左右的铅含量变化 RABINOWITZ等最近对上世纪美国几个州的冶炼厂附近土壤样本中的铅同位素组成进行了分析 结果表明 虽然铅冶炼厂已经关闭很多年 但目前旧址附近土壤中的铅仍是当初冶炼厂污染所造成的 07 04 2020 18 在国内 也有不少同行将铅同位素示踪应用于土壤植物体系的研究中 例如 陈好寿等研究的杭州市区土壤铅锶同位素反映电厂和民用燃煤锅炉附近至少50m以内的土壤会受到燃煤污染 其铅锶同位素组成与燃煤相似 交通密集区和公路或繁华街道的两旁的土壤受汽车尾气污染严重 其铅同位素组成与汽油铅接近 路远发等研究了杭州市土壤铅污染的铅同位素 分析结果表明 城区表土的全铅显著高于全国土壤平均值 通过对茶园土壤中可溶相铅 残渣态铅及城区表土全铅的同位素组成对比分析发现 从土壤残渣态 代表土壤背景 土壤可溶相 城区表层土壤全铅 206Pb 207Pb 比值有明显的降低 208Pb 206Pb 207Pb 也有类似的变化趋势 将土壤与杭州市的汽车尾气 大气等环境样品进行对比发现 随着土壤受污染程度的增加 铅同位素组成逐渐向汽车尾气铅漂移 表明汽车尾气排放的铅为其主要污染源 07 04 2020 19 Leadisotopesinenvironmentalsciences Areview presentsanoverviewofliteraturepublishedontheuseofPbisotopicanalysesofdifferentenvironmentalmatrices atmosphericaerosols lichens treerings peatdeposits lake stream marinesediments soils etc theisotopiccompositionsofmajorsourcesofPb theformeruseofleadedgasoline coalcombustion industrialactivities e g metallurgy andwasteincineration intheenvironmentasdeterminedbyseveralauthorsaredescribedindetail summariesanalyticaltechniques especiallyICP MS usedforthedeterminationofPbisotopesinenvironmentalsamples 07 04 2020 20 BasicinformationaboutPbisotopes Leadispresentintheenvironmentasfourmainisotopes 208Pb 52 206Pb 24 207Pb 23 and204Pb 1 Whileradiogenicisotopes206Pb 207Pband208Pbareproductsofradioactivedecayof238U 235Uand232Th respectively 204PbistheonlyprimordialstableisotopewithaconstantabundanceonEarthintime Table1 Long 1999 07 04 2020 21 AnalysesofPbisotopes RecentanalyticaltechniquesusedforPbisotopicratiosmeasurements Massspectrometrywiththermalionisation TIMS ICP MSwithquadrupole based ICP QMS ICP MSwithsector based orsectorfield ICP SFMS 07 04 2020 22 Pbisotopicratiosofdifferentanthropogenicsources Leadedgasoline Coalcombustion Metallurgicalactivities Wasteincineration 07 04 2020 23 Pbisotopesindifferentreservoirs Atmosphericaerosols Peatdeposits Sediments Lake Stream Marine Soils Treerings 07 04 2020 24 Lead Pb isotopicfingerprintinganditsapplicationsinleadpollutionstudiesinChina Areview presentsanoverviewoftheprinciples analysis andapplicationsofPbisotopicfingerprintingintracingtheoriginsandtransportpathwaysofPbintheenvironment summarizesthehistoryandcurrentstatusofleadpollutioninChina andillustratesthepowerofPbisotopicfingerprintingwithexamplesofitsrecentapplicationsininvestigatingtheeffectivenessofleadedgasolinephase outonatmosphericleadpollution andthesourcesofPbfoundinvariousenvironmentalmedia plants sediments andaquaticorganisms inChina ThelimitationsofPbisotopicfingerprintingtechniquearediscussedandaperspectiveonitsdevelopmentisalsopres