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| 沙 尘 编 号 http://www.cnjlc.com | 采样时间 | 温度， 环保 技术网 espfgd.com 龙净环保 ℃ |
相对湿度， % |
风向 |
风速， m.s-1 |
气压， hPa |
能见度， km |
能谱分析粒子数* (沙尘粒子数) | |
| 1 | 1995-03-11 | 08:00—08：30 | 7 | 21 | NW | 16 | 1009 | 10.0 | 44(40) |
| 2 | 1995-03-11 | 14：40—15：00 | 9 | 22 | NW | 14 | 1011 | 2.0 | 47(41) |
| 3 | 1995-04-05 | 19：00—19：30 | 20 | 26 | NW | 16 | 1007 | 1.5 | 52(43) |
| 4 | 1995-04-06 | 14：00—14：30 | 19 | 24 | NW | 15 | 10006 | 1.0 | 44(34) |
| 5 | 1995-04-24 | 18：00—18：30 | 21 | 27 | W | 10 | 998 | 5.0 | 52(30) |
| *所统计的均为碳膜上的粒子
3.2 沙尘粒子的形态和特征谱 环境技术论坛 你我的环保+技术网！http://www.espfgd.com 龙净 从表1中统计的粒子数和相应的沙尘粒子数来看，除了沙尘5以外，其他4次采样中具有土壤粒子特征的沙尘粒子出现，频率均接近或超过90%，这也直接从粒子角度证明沙尘发生时空气中的污染物以沙尘粒子为主.图1给出了典型的沙尘粒子的形态特征和它的X射线能谱.从外形来看，沙尘粒子没有特别的形态，均呈现不规则的外形，从元素组成来看，以Si、Al、Mg、Ca、Fe为主，这与地壳的主要元素组成相同，沙尘发生时采集的样品中主要是这种粒子，而且它们基本上存在于粗粒子段，细粒子中很少.这些结果与以往的研究结果相同，但沙尘3、4和5样品中较多地出现了另外一种粒子，它们的外表呈规则的立方体，元素组成以Ca为主，很少含有其它地壳元素(见图2)，特别是在沙尘5的采样中这种粒子的数量相当可观，这就是表1中沙尘3、4和5的采样分析粒子总数与沙尘粒子数的差相对较大的原因.而且这种粒子的尺度分布很广，从几个μm到0.1μm尺度的都有. 环境技术论坛 |
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图1 碳膜上一个典型沙尘粒子的电子显微镜照片和它的X射线能谱(沙尘2样品) 烟气治理 espfgd.com Fig.1 Electron micrograph of a typical dust particles on carbon film and its X-ray spectrum(sample of case 2) |
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图2 碳膜上元素组成以Ca为主粒子(箭头所指)的电子显微镜照片和它的X射线能谱(沙尘5样品) Fig.2 Electron micrograph of Ca-abundant particles on carbon film and the X-ray spectrum of signal particle (sample of case 5) 环境技术论坛 |
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沙尘5的采样中出现大量的规则立方体粒子并不奇怪，因为这次沙尘是以地面吹沙为主，而不是从高层通过长距离传输到达北京的沙尘，因此局地特征应很明显，北京市近年来随经济的发展建筑业发展很快，市区内有许多建筑工地，这些工地基本上采用的是开放式的施工方式，所以它们都是潜在的颗粒物污染源，一旦遇到适当的天气条件，便会有大量的粉尘被吹起.推测这类粒子源于建筑工地的另一个理由是它们独特的元素组成特征，我们的分析表明，具有立方体结晶状外形的这种粒子，大部分含有元素顺序在Na以上的元素只有Ca，仅有很少一部分有少量的Si、Al、,Mg、,Fe等，对单个沙尘粒子X能谱分析的其它研究中发现，起源于中国大陆，并进行长距离传输的沙尘粒子中含Ca的粒子含有Si的量均超过含Ca的量［3，8］，也就是说沙尘粒子能谱图上伴随Ca的峰有明显的Si的峰，而图2的能谱图清楚地表明只有Ca的峰.另外，在中国大陆西北沙尘源区的采样分析表明沙尘粒子呈不规则外形［1］，而不是象图2中所显示的那样规则的立方体，如此规则的外形说明粒子不是来自天然源，而且粒子尺度分布广，很可能是由源排放出后在空气中结晶形成的.考虑到北京市的具体情况，这种粒子是源于建筑工地的生石灰，其主要成分是CaO［9］. http://bbs.cnjlc.com http://www.espfgd.com，除尘、脱硫技术集合地 龙净企业 3.3 沙尘粒子元素组成的统计特征 为了得到沙尘粒子的元素组成整体特征，对采样中碳膜上的粒子用X射线能谱随机进行了统计，每次样品中统计的粒子个数及相应的沙尘粒子数已在表1中给出，表2给出的是沙尘粒子中元素顺序在Na以上的主要元素的分布情况.可以看出，沙尘的成分是以Mg、Al、,Si、,K、,Ca和Fe为主，其他的地壳元素如Ni、,Ti和Mn等相对较少，这与以往的研究所得结果相同.值得注意的是硫的分布，除沙尘5以外，其他4次均较低，含S粒子的出现频率平均是12.5%，我们的分析表明这4次的样品中S的峰出现的粒子均有Ca峰出现，也就是说S在沙尘粒子中的存在形式很可能是CaSO4，而沙尘5样品中有1/3以上的沙尘粒子是Na-Al-Si-S-Cl-K-Ca-Fe的混合粒子，因X射线能谱只能给出元素组成，所以不能确定这种粒子中元素的存在形式. http://www.cnjlc.com 表2 每次采样统计的沙尘粒子(见表1)中含某种元素粒子所占比例(%)* Table 2 Number frequencies of elements among the idividual dust particles(%) |
| 沙 尘 | Na | Ni | Mg | Al | S | Cl | K | Ca | Ti | Mn | Fe |
| 1 | 12 | 8 | 60 | 100 | 10 | 0 | 75 | 60 | 0 | 0 | 88 |
| 2 | 17 | 2 | 49 | 93 | 17 | 10 | 71 | 56 | 0 | 0 | 76 |
| 3 | 8 | 19 | 62 | 98 | 6 | 0 | 72 | 81 | 0 | 0 | 91 |
| 4 | 14 | 16 | 72 | 88 | 21 | 0 | 72 | 91 | 4 | 2 | 79 |
| 5 | 40 | 3 | 57 | 80 | 50 | 19 | 60 | 80 | 0 | 0 | 87 |
| * Si的比例均是100%
沙尘粒子中S有两种可能来源，一种是沙尘粒子本身含有硫，即源区土壤中就有S的存在，另一种是沙尘粒子在传输过程中在其表面发生了硫化物参与的多相反应或者粒子与其他含硫粒子发生了凝结或碰并.后一种机制是否发生将在下一节结合硫酸盐的分布情况进行讨论，这里我们仅对前一种可能性进行简单的探讨.Hesung等［10］对中国北部和西北部的地表土壤进行分析后指出有14.2%的地区地表土壤中含有CaSO4，对塔克拉玛干沙漠沙土的定量分析发现土壤中含有S和Ca的比接近0.11［11］，因此沙尘粒子中的硫可以是从源区带来的. http://bbs.cnjlc.com 环保 技术网 espfgd.com 龙净环保 3.4 沙尘粒子中硝酸盐与硫酸盐的分布 在Nitron膜上，与膜发生反应有放射针状结晶出现的粒子为含硝酸盐粒子，分析表明，沙尘中有含硝酸盐的粒子，图3所示是沙尘粒子在Nitron膜上经过辛烷促进反应后的特征，可以发现只有少数沙尘粒子与Nitron膜发生了反应，统计表明沙尘粒子中含硝酸盐的粒子所占的比例约11%，这远远小于无沙尘时北京市大气中土壤粒子中含硝酸盐粒子所占的比例(45%)［12］，在Nitron和BaCl2双重膜上检测出的含硝酸盐粒子的特征类似于Nitron膜的结果.然而在所有双重膜上的样品中我们仅仅发现了3个反应后有明显的同心圆状生成物出现的粒子，大部分的粒子在双重膜上的特征见图4，尽管有些粒子的能谱表明粒子中含有不明显的硫峰，但它们并无与BaCl2膜反应的特征(图5).由此可见，尽管沙尘粒子本身也许含有微量的硫酸盐，但在传播过程中没有硫酸盐在其表面形成或出现，然而其本身在源区虽不含有硝酸盐［5］，在传播过程中也有硝酸盐在其表面形成. http://sapce.cnjlc.com |
| 图3 Nitron膜上沙尘粒子的电子显微镜 烟气治理 espfgd.com 照片(沙尘2样品) Fig.3 Electron micrograph of dust particles on nitron film (sample of case 2) |
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图4 Nitron和BaCl2膜上沙尘粒子的电子显微镜照片(沙尘1样品) Fig.4 Electron micrograph of dust particles on nitron-barium chloride film (sample of case 1) 环保商贸网 |
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| 图5 Nitron和BaCl2膜上沙尘粒子的电子显微镜照片和它的X射线能谱(沙尘1样品) Fig.5 Electron micrograph of a dust particle on nitron-barium chloride film and its X-ray spectrum (sample of case 1) |
| 我们先来考察上述硫酸盐的特征.大气中硫酸盐的形成机制有非均相反应和均相反应两种，非均相过程是发生在已存在的粒子表面，SO2与O3、H2O2在有H2O的参与下或在液相条件金属离子(如Fe3+)的催化下氧化反应形成硫酸盐［13—15］，尽管在污染大气中通过上述非均相反应形成硫酸盐的速率要比通过均相反应形成的速率快2个量级［16］，但上述反应均需要在粒子表面有液态水存在，烟雾箱的实验证明这种非均相过程对相对湿度非常敏感［16］，湿度越大，SO2转化为硫酸盐量越多，在其他条件都相同的情况下，相对湿度为82%时SO2在颗粒物表面的氧化转化程度是相对湿度为30%时的2倍.从表1知道，沙尘发生时空气的相对湿度都很小，在27%和21%之间，说明沙尘气团非常干燥，因此不可能在粒子表面有液态表层存在，也就不存在SO2在沙尘粒子表面进行非均相氧化形成硫酸盐的必要条件.均相反应是SO2通过与OH自由基等的多步气相反应形成硫酸的过程，这个过程可以用下面的简化方程表示［18］：
HO+SO2(+O2,H2O)→H2SO4+HO2 http://www.cnjlc.com
(1)
尽管这个反应对相对湿度并不一定十分敏感，但生成的气态H2SO4会很快凝结到其他粒子表面或形成小的液滴，由于沙尘往往起源于大范围的荒漠地区，本身气团中SO2的浓度就极低，在气团移动中即使有局地排放的SO2混入，对上千公里尺度的气团影响也不大，因此通过上面这个反应形成H2SO4效率也很低.因薄膜法检出限的限制，也许有些沙尘粒子中含有微量的硫酸盐未能测出.但本文的结果至少可以证明上述硫酸盐的形成机制在沙尘粒子传输到北京的过程中即使发生，也并不十分有效，对照没有沙尘发生时北京市大气中土壤粒子中含硫酸盐的比例(20%)［19］，可以断定沙尘粒子传输到北京过程中在其表面几乎没有硫酸盐形成.
环保 技术网 espfgd.com 龙净环保 硝酸盐的情况与硫酸盐略有不同，粒子表面硝酸盐形成也有两种途径，一是NOx在粒子表面直接被氧化［20］，简略表示为 http://bbs.cnjlc.com NO3+H2O＋粒子表面→粒子硝酸盐 (2) http://bbs.cnjlc.com 这个过程一般要比均相产生硝酸盐的效率高9个量级［21］，但它也需要在粒子表面有H2O的参与，虽然还没有证据说明反应(2)对相对湿度的敏感程度，但不难推测在干燥的粒子表面这个反应是无法进行的.另一途径是氮氧化物先通过气相反应形成硝酸［18］，硝酸再被粒子吸附形成硝酸盐.气相反应可简略表示为 NO2+OH→HNO3 (3) 和 N2O5+H2O→2HNO3 (4) 反应(3)主要发生在白天，是重要的硝酸形成途径，反应(4)由于N2O5白天分解快主要发生在夜间.尽管硝酸可发生光化学分解，但分解过程即使是在中午也不快，硝酸的清除主要是沉降过程.因此部分沙尘粒子表面出现硝酸盐很可能是这些粒子吸附的硝酸蒸汽形成的.由于非均相过程在沙尘粒子表面形成硝酸盐的可能性较小 ，所以沙尘粒子中含硝酸盐粒子的比例比非沙尘时空气中土壤粒子中的比例要小得多. http://bbs.cnjlc.com espfgd.com 福建龙净要找环保技术资料，请到环保#技术网 www.espfgd.com 另外，用Bulk方法的分析表明，沙尘发生时北京市区大气中的硝酸盐和硫酸盐的浓度与无沙尘时的浓度相比差别不大［6］，但TSP的显著增高也说明沙尘本身并不是硝酸盐和硫酸盐的携带物，尽管通过上面的讨论可知在沙尘粒子的传输过程中有硝酸盐在其表面形成，但从总体上讲，它对北京市大气中硝酸盐和硫酸盐的影响不大. 4 结论 通过对1995年春季北京地区5次沙尘采样的单个粒子研究分析，我们得到以下新结论：(1)在北京采集到的沙尘粒子，表面几乎没有硫酸盐形成，约有10%的沙尘粒子表面有硝酸盐生成，但硝酸盐的量很少，不足以影响大气中的硝酸盐分布.(2)有少量的沙尘粒子本身含有S元素，它在粒子中的存在状态可能是CaSO4.(3)在北京地区个别沙尘个例的采样中，由于受局地影响较大，有大量的建筑粉尘出现，这种粉尘呈规则的立方体结晶状，其组成主要是Ca,其它地壳元素很少.由此可见，沙尘在中国大陆内传输时，其组成成分与其在源区类似，以地壳元素为主，而对空气中硫酸盐和硝酸盐的形成并无明显影响. 环境技术网! 北京大学电子显微镜实验室的盖秀贞和汪裕萍老师在实验完成过程中给予了极大帮助，在此表示感谢. 参考文献 1 Iwasaka Y, H Minoura H, Nagaya K. Transport of Asian dust (KOSA) particles; importance of weak KOSA events on the geochemical cycle of soil particles. Tellus, 1983,35B:189—196 除尘 电除尘 电袋除尘 静电除尘 快来www.espfgd.com 环保技术网！ 2 Merrill J T, Bleck R, Avila L.Modeling atmospheric transport to the Marshall islands. J Geophys Res, 1985,90:12927—12936 3 Zhou Mingyu et al. Characteristics of dust-storm particles and their long-range transport from China to Japan-case studies in April 1993.Atmospheric Research,1996,40:19—31 环保商贸网 4 Fan Xiaobiao et al. Mineral particles collected in China and Japan during the same Asian dust-storm event. Atmospheric Environment,1996,30:347—351 龙净股份有限公司 更多环保技术资料尽在环保-技术网 www.espfgd.com 5 日本名古屋大学水圈科学研究所编.黄沙-大气水圈的科学.东京：日本古今书院出版，1991：328 6 杨东贞等.一次沙尘天气过程的分析.气象学报，1991，49：334—342 环境技术论坛 7 张代洲，钱公望，秦 瑜.检测单个气溶胶粒子的薄膜法.环境科学研究,1995，8(6)：20—23 http://www.espfgd.com，除尘、脱硫技术集合地 龙净企业 8 Okada K et al. X-ray spectrometry of individual Asian dust-storm particles over the Japanese islands and the North Pacific Ocean. Atmospheric Environment, 1990,24A:1369—1378 9 Wang M.Source indentification and apportionment for atmospheric aerosol by factor analysis. Advances in Atmospheric Sciences, 1985,2:469—477 http://www.cnjlc.com 10 Heseung Y, Jackson M L. Mineral composition of the clay fraction of some main soil groups of China. Soil Sci Soc Amer Proc, 1952,16:97—110 11 Tanaka S,Tajima M,Hashimoto Y, X-ray fluorescence analysis for major and trace elements in soils of Takla Makan Desert and Japan(in Japanese). X-Ray Chem Anal Jpn, 1986,17:253—264 espfgd.com 福建龙净要找环保技术资料，请到环保#技术网 www.espfgd.com 12 张代洲.北京市大气中单个硝酸盐粒子的特征.大气科学，1996，20：408—413 http://www.epb2b.com 13 McArdle J V, Hoffmann M R. Kinetics and mechanism of the oxidation of aquated sulfur dioxide by hydrogen peroxide at low pH. J Phys Chem,1983,87:5425—5429 14 Calvert J G , Martin L R. SO2, NO, NO2 oxidation mechanisms:atmospheric considerations. Butterworth. Boston:Wiley Press, 1984,63—100 http://www.espfgd.com，除尘、脱硫技术集合地 龙净企业 15 Hoffmann M R. On the kinetics and mechanism of oxidation of aquated sulfur dioxide by ozone. Atmospheric Environment, 1986,20:1145—1154 16 Roberts P T, Friendlander S K . Conversion of SO2 to sulfur particulate in the Los Angeles atmosphere. Environ Health Persp, 1975,10:103—108 17 杨建亮，王明星.大气气溶胶的酸化与相对湿度的关系.第五界全国气溶胶学术会议论文集.西安：中国气溶胶学会出版，1994：8—13 除尘 电除尘 电袋除尘 静电除尘 快来www.espfgd.com 环保技术网！ 18 唐孝炎.大气环境化学.北京：高等教育出版社，1990:343 19 Zhang Daizhou et al. Tests for individual sulfate-containing particles in urban atmosphere in Beijing. Advances in Atmospheric Sciences, 1995, 12:343—350 环境技术网! 20 Zhang Y et al. Photochemical oxidant processes in the presence of dust:an evaluation of the impact of dust on particulate nitrate and ozone formation. J Appl Meteor, 1994,33:813—824 21 Seinfeld J H. Atmospheric chemistry and physics of air pollution. New York:Wiley Press, 1986 环保BLOG,http://space.cnjlc.com |
宣 捷 (北京大学环境科学中心，北京 100871) 环保BLOG,http://space.cnjlc.com 摘要 对于大气边界层中的固体粒子的风致运
摘 要: 分析 了我国近20a来城市环境空气悬浮颗粒物变化的特征和近几年对PM10、PM2.5的研究状况及存在的问题，建立了TSP与P
摘 要: 烧烤类饮食业多采用焦碳、木炭等作为燃料，燃烧产物为大量含尘含油的烟气。对含尘含油烟气产生的机理、危害进行了
本人从1985年读硕士时开始进行静电除尘的研究。又经过国外近十年的研究，开发一种最新技术--荷电湿式洗涤净化技术。它对油
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