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大学教室颗粒物PM10化学组分特性及源解析

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2009年第2期

论文作者:邓启红 时冰冰 李剑东 路婵

文章页码:322 - 328

关键词:空气质量;颗粒物;化学组分;源解析;主成分分析法

Key words:air quality; particulate matter; chemical composition; source apportionment; principal component analysis

摘    要:对位于长沙市中南大学教室空气中的可吸入颗粒物(PM10)进行3个月(2007年9~12月)的实时浓度监测与样本采集。颗粒物样本中的化学组分采用X射线荧光光谱仪(XRF)进行分析,并利用主成分分析法(PCA)对教室颗粒物进行源解析研究。研究结果表明:大学教室空气中颗粒物污染十分严重,平均质量浓度高达(176.56±57.63) μg/m3,明显高于我国环境空气中颗粒物质量浓度标准;教室颗粒物中的主要化学组分含量均比室外的高,尤其是对人体健康危害较大的过渡金属元素更为显著;教室颗粒物的主要来源按贡献量由大至小排列依次为土壤扬尘、煤燃烧、垃圾焚烧、工业排放、交通尾气。源解析结果为控制与降低教室颗粒物污染提供了科学依据与策略。

Abstract: The inhalable particulate matter (PM10) was continuously monitored and sampled in the classrooms of Central South University at Changsha by Tapered Element Oscillating Microbalance 1400a (TEOM 1400a) from September to December, 2007. The chemical compositions of the PM10 samples were analyzed by the X-ray fluorescence (XRF), and then the source apportionment of the classroom particles was investigated by the principal component analysis (PCA). The results show that the mean PM10 concentration in classrooms is (176.56±57.63) μg/m3, which is much higher than the national PM10 standard. The concentrations of the main chemical compositions of the classroom PM10 are also higher than those outdoors. Five sources are identified by the source apportionment method and are respectively soil and dust, coal combustion, biomass burning, industrial emission, and vehicle exhaust. The present work provides a detailed understanding of the classroom particles and some scientific strategies for the pollution control so as to improve the air quality in university classrooms.

基金信息:高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目
教育部新世纪人才支持计划资助项目
国家自然科学基金资助项目
霍英东教育基金会高等院校青年教师优选资助课题
湖南省杰出青年科学基金资助项目



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大学教室颗粒物PM10化学组分特性及源解析

邓启红,时冰冰,李剑东,路  婵

(中南大学 能源科学与工程学院,湖南 长沙,410083)

摘  要:对位于长沙市中南大学教室空气中的可吸入颗粒物(PM10)进行3个月(2007年9~12月)的实时浓度监测与样本采集。颗粒物样本中的化学组分采用X射线荧光光谱仪(XRF)进行分析,并利用主成分分析法(PCA)对教室颗粒物进行源解析研究。研究结果表明:大学教室空气中颗粒物污染十分严重,平均质量浓度高达(176.56±57.63) μg/m3,明显高于我国环境空气中颗粒物质量浓度标准;教室颗粒物中的主要化学组分含量均比室外的高,尤其是对人体健康危害较大的过渡金属元素更为显著;教室颗粒物的主要来源按贡献量由大至小排列依次为土壤扬尘、煤燃烧、垃圾焚烧、工业排放、交通尾气。源解析结果为控制与降低教室颗粒物污染提供了科学依据与策略。

关键词:空气质量;颗粒物;化学组分;源解析;主成分分析法

中图分类号:X131.1;X831       文献标识码:A         文章编号:1672-7207(2009)02-0322-07

Chemical composition and source apportionment of

particulate matter (PM10) in university classrooms

DENG Qi-hong, SHI Bing-bing, LI Jian-dong, LU Chan

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

 

Abstract: The inhalable particulate matter (PM10) was continuously monitored and sampled in the classrooms of Central South University at Changsha by Tapered Element Oscillating Microbalance 1400a (TEOM 1400a) from September to December, 2007. The chemical compositions of the PM10 samples were analyzed by the X-ray fluorescence (XRF), and then the source apportionment of the classroom particles was investigated by the principal component analysis (PCA). The results show that the mean PM10 concentration in classrooms is (176.56±57.63) μg/m3, which is much higher than the national PM10 standard. The concentrations of the main chemical compositions of the classroom PM10 are also higher than those outdoors. Five sources are identified by the source apportionment method and are respectively soil and dust, coal combustion, biomass burning, industrial emission, and vehicle exhaust. The present work provides a detailed understanding of the classroom particles and some scientific strategies for the pollution control so as to improve the air quality in university classrooms.

Key words: air quality; particulate matter; chemical composition; source apportionment; principal component analysis

                    


可吸入颗粒物PM10(粒径小于10 μm的颗粒物)由于能够可以进入人体呼吸系统,甚至穿透肺泡进入人体血液循环,严重威胁人们的身体健康。流行病学研究结果表明,颗粒物浓度的增加与人类疾病(特别是呼吸系统和心脑血管等相关疾病)的发病率、致残率及死亡率有显著的相关性[1-2]。教室内大量的教学板书及剧烈的学生活动(如上下课进出、嬉戏打闹等)导致空气中颗粒物浓度迅速升高,这对长期暴露在该环境中的师生身体健康构成直接威胁[3-5],如我国的一项调查表明,教师的急/慢性咽炎、急/慢性气管支气管炎患病率分别高达23.3%,73.9%,4.0%和17.4%,明显高于行政管理人员[6]。近年来,教师和学生呼吸系统疾病明显增多,教室内颗粒物污染逐渐得到人们的重视,但目前的系统研究与报道非常少。

颗粒物的致病机理一直是国际社会共同关注的焦点。尽管目前尚未形成统一认识,但越来越多的毒理学研究表明,颗粒物毒性与其化学组分密切相关,如PM10表面的过渡金属元素能诱导与催化多种化学反应,产生活性很强的活性氧自由基ROS,对人体细胞组织与遗传物质DNA造成氧化性损伤,最终导致器官疾病和癌症[7]。因此,研究颗粒物化学组分特性是揭开其毒性面纱的重要手段。另一方面,颗粒物化学组分是进行源解析的基础。由于颗粒物化学组分与其来源及形成过程有关,根据颗粒物的化学组分特征就能够辨识出其主要来源,并解析出每个污染源的贡献量大小及贡献元素,从而为制定有效的污染控制策略提供科学依据[8-9]

本文作者以位于长沙市的中南大学教室为对象,系统研究教室内颗粒物的浓度水平、化学组分特性及其来源,对于全面认识教室颗粒物污染及其毒性与控制具有重要意义。

1  颗粒物采样与化学组分分析

2007年9月至12月,对位于长沙市中南大学的9间教室中的颗粒物进行了实时浓度监测与样本采集。为进行对比分析,选取教室附近的办公楼阳台进行室外浓度监测与样本采集。学校位于城市郊区,背靠岳麓山,周边有轻微工业污染。教学楼都是自然通风建筑,教室以多媒体授课为主,粉笔书写为辅。

采用大气颗粒物监测仪TEOM1400a(Rupprecht & Patashnick, Co., USA)对教室与室外颗粒物浓度进行24 h实时监测。为分析颗粒物的化学组分,利用TEOM1400a采样单元ACCU在Teflon滤膜(直径为46.2 mm)上进行颗粒物样本采集(采样流量为16.7 L/min)。室内样本仅在教室开放时段(School-time) 7:30~22:30进行采集,而室外样本进行24 h采集。样本颗粒物在空气中的平均质量浓度根据称重法获得,为减小测量误差,样本滤膜在采样前后分别置于恒温恒湿箱((25±0.5) ℃,湿度为(40±4%))保持24 h以上,然后,用电子天平进行称重。

本次实验分别采集教室和室外颗粒物样本37个。采用飞利浦PW2424型X射线荧光光谱仪XRF对样本颗粒物中的化学组分含量进行分析,其中50%以上样本中高于XRF检出限的化学元素主要有16种:Al,Ca,Cl,Cu,Fe,K,Mg,Mn,Na,Ni,P,Pb,S,Si,Ti和Zn。

2  源解析方法与过程

源解析采用受体模型,其主要思想是污染源散发的颗粒物与样本收集的颗粒物之间的化学组分质量守恒,即颗粒物样本中各元素含量是不同污染源贡献元素质量的总和:

。            (1)

式中:i=1, 2, …, m;j=1, 2, …, n;k=1, 2, …, p;m为元素个数;n为样本个数;p为污染源数量;cij为颗粒物样本j中元素i的质量浓度,μg/m3;aik为源谱,即污染源k散发的元素i含量,%;Skj为源贡献,即污染源k贡献给样本j的质量浓度,μg/m3。利用统计学分析软件SPSS采用主成分分析法PCA(Principal component analysis)对样本中的颗粒物来源进行解析,主要分析过程与任务如图1所示。分析步骤如下:

图1  颗粒物源解析流程图

Fig.1  Procedure of source apportionment

 

a. 样本颗粒物中元素浓度标准化,即

b. 对标准化数据矩阵()进行协方差运算得到元素相关矩阵()。协方差矩阵反映了不同元素之间的相关性,为判断不同元素的来源建立了基础。

c. 计算元素相关矩阵的特征值与特征向量,并按照特征值由大到小顺序排列。特征值越大,表明元素浓度在对应的特征向量方向变化(以方差描述)越大。

d. 选取特征值大于1的前k个特征值与特征向量作为主成分(Principal components),即引起样本元素浓度变化的主要因素或主要污染源数量(p)。

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