PDF《生物质燃烧排放 PM2.5 中无机离子及有机组分的分布 特征》

第37 卷第

12 期2017 年12 月环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae Vol.

37,No.12 Dec.,

2017 基金项目: 国家自然科学基金( No.41471390,41171365);

国家重点研发计划( No.2016YFC0502901);

福建省自然科学基金计划项目( No. 2017J01079) Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.41471390,41171365), the National Key Research and Development Program (No. 2016YFC0502901) and the Natural Science Foundation of Fujian Province of China (No.2017J01079) 作者简介: 朱恒(1992―),男,E?mail:807720756@ qq.com;

?通讯作者(责任作者),E?mail:wsp@ xmu.edu.cn Biography: ZHU Heng (1992―), male, E?mail: 807720756@ qq.com;

?Corresponding author,E?mail:wsp@ xmu.edu.cn DOI:10.13671 / j.hjkxxb.2017.0248 朱恒,戴璐泓,魏雅,等.2017.生物质燃烧排放 PM2.5 中无机离子及有机组分的分布特征[J].环境科学学报,37(12):4483?4491 Zhu H, Dai L H, Wei Y, et al. 2017. Characteristics of inorganic ions and organic components in PM2.5 from biomass burning [ J]. Acta Scientiae Circumstantiae,37(12):4483?4491 生物质燃烧排放 PM2.5 中无机离子及有机组分的分布 特征 朱恒1 ,戴璐泓1 ,魏雅1 ,张银菊1 ,胡清华2 ,吴水平1,? 1. 厦门大学环境与生态学院, 厦门

361102 2. 福建省环境监测中心站, 福州

350003 收稿日期:2017?04?22 修回日期:2017?05?27 录用日期:2017?06?23 摘要:为探讨生物质在明火和阴燃两种不同条件下 PM2.5 及主要成分的排放差异,选取了

7 种具有代表性的生物质样品(小麦、水稻、马尾松叶、 马尾松枝、杂草、玉米、棉花)进行了燃烧实验,并对 PM2.5 样品中的

7 种主要水溶性离子(Na+ 、NH+

4 、K+ 、Ca2+ 、Cl- 、NO-

3 、SO2-

4 )及有机碳(OC)、 元素碳(EC)、水溶性有机碳(WSOC)、有机酸和左旋葡聚糖(LG)等有机成分进行了分析.结果表明,明火和阴燃条件下 PM2.5 的排放因子分别 为2.82~7.74 mg ・ g-1 和3.24~22.56 mg ・ g-1 ,阴燃时的排放因子偏高,不同燃料类型也存在一定差异.燃烧排放 PM2.5 中水溶性离子以 Cl- 为最 高,占总离子的比例为 72% ~94%,且与 NH+

4 存在显著正相关关系,水溶性离子整体表现为明火条件下的浓度显著高于阴燃条件下的浓度.受 阴燃条件下氧气不足的影响,PM2.5 中有机组分的浓度表现为阴燃高于明火,进而导致阴燃时 PM2.5 的排放因子增加.水稻秸秆燃烧烟尘中

3 种 来源特征比值(LG/ PM2.5 、LG/ OC 和LG/ WSOC)仅为小麦和玉米秸秆燃烧排放相应比值均值的 0.

34、0.24 和0.27 倍,表明在不同农作物的收 获季节采用上述特征比值进行生物质燃烧来源估算时,应区别对待. 关键词:生物质类型;

燃烧条件;

PM2.5 ;

排放因子;

特征比值 文章编号:0253?2468(2017)12?4483?09 中图分类号:X513 文献标识码:A Characteristics of inorganic ions and organic components in PM2.5 from biomass burning ZHU Heng1 ,DAI Luhong1 ,WEI Ya1 ,ZHANG Yinju1 ,HU Qinghua2 , WU Shuiping1,? 1. College of Environments &

Ecology,Xiamen University,Xiamen

361102 2. Environmental Monitoring Central Station of Fujian Province, Fuzhou

350003 Received

22 April 2017;

received in revised form

27 May 2017;

accepted

23 June

2017 Abstract: Seven kinds of biomass samples including masson pine needles and branches, wheat, rice, grass, maize and cotton straw were burned under flaming and smoldering conditions to investigate the emission factors of PM2.5 and its associated major components including organic carbon ( OC), elemental carbon, water soluble ions, water soluble organ carbon (WSOC), organic acids and levoglucosan (LG). The results showed that the emission factors were in the range of 2.

82 ~ 7.

74 mg・g-1 and 3.

24 ~ 22.

56 mg・g-1 for PM2.5 from biomass burning in flaming and smoldering conditions, respectively. The difference between the two burning conditions varied in different kinds of biomass fuel. The profiles of water soluble ions in PM2.5 were all dominated by Cl- , accounting for 72% ~94% of the total water soluble ions. Significant positive correlations were only observed between Cl- and NH+

4 . The concentrations of water soluble ions were generally higher in flaming PM2.5 than those in smoldering PM2.5 . The organic components showed much higher levels in smoldering PM2.5 with respect to those in flaming PM2.5 because of incomplete burning. The higher emission factors of PM2.5 under smoldering conditions were mainly due to the higher emission factors of organic species. Three source characteristic ratios including LG/ PM2.5 , LG/ OC and LG/ WSOC in rice straw burning PM2.5 were only 0.34, 0.24 and 0.27 times of the mean ratios in wheat and maize straw burning PM2.5 , respectively. 环境科学学报37 卷Thus, different characteristic ratios are required to estimate biomass burning contribution in different biomass burning seasons. Keywords: biomass type;

combustion condition;

PM2.5 ;

emission factor;

characteristic ratio

1 引言(Introduction) 生物质燃烧是大气污染物的一个重要排放源, 春耕及收获季节的集中燃烧,可导致灰霾天气的发 生.燃烧排放的污染物能影响云凝结核的生成、辐射 平衡及臭氧的生成,对全球大气环境、气候变化及 生态系 统都有重要影响(杭维琦等, 2000;

Duan et al.,2004;

Andreae,1991;

Fearnside,2000;

Penner et al.,1992).田贺忠等(2011) 估算得出,2007 年我 国生物质燃烧排放的颗粒物占烟尘排放总量的 36.7%.Cheng 等(2013)计算得到 1996―2010 年间, 生物质燃烧对我国大气颗粒物中有机碳(OC) 和元 素碳( EC) 的贡献率分别为 34% ~ 45% 和63% ~ 74%,在2000 年之后呈现增加的趋势,主要燃烧源 为小麦、水稻、玉米、甘蔗等农作物秸秆( Li et al., 2008;

Tang et al., 2014).Zhang 等(2008) 估算北京 地区 PM2.5 和PM10 中碳质成分来自生物质燃烧的贡 献率分别为 18% ~38%和14% ~ 32%.生物质燃烧排 放产物对东南亚地区大气 PM2.5 也有很大的贡献率, 如曼谷地区生物质燃烧排放的颗粒物对 PM2.5 的贡 献高达 99%,苏门答腊岛地区生物质燃烧排放的颗 粒物对吉隆坡和新加坡大气 PM2.5 的贡献分别为 50%和41%(Lee et al., 2016).因此,量化生物质燃 烧烟尘对大气颗粒物的贡献具有重要意义. Simoneit 等(1984)首次将特征示踪物引入到大 气气溶胶的研究中,主要特征示踪物包括左旋葡聚 糖(LG) 及其同分异构体、 K+ 、 水溶性有机碳(WSOC) 等( Simoneit,2002;

Simoneit et al.,1999). 但K+ 并不具有唯一指示性,还存在非生物质燃烧 源,如烹调、垃圾焚烧、燃煤、地壳扬尘、海盐及冶金 尘等(Andreae,1983;

Jung et al.,2014).LG 是含纤维 素生物质高温热解的产物,可有效用于生物质燃烧 的来源示踪(张烃等,2006).虽然研究显示 LG 暴露 在自由基氛围中会被氧化(Hoffmann et al.,2010), 但在酸性大气中可维持

10 d 不发生变化 ( Fraser et al.,2000);

而且生物质燃烧过程中 LG 具有较大 的排放因子,被认为是大气颗粒物中生物质燃烧合 适的示踪物(Engling et al.,2009).但由于生物质种 类及燃烧方式(明火与阴燃) 的不同,LG 和K+ 的排 放因子也有所不同,进而导致在采用其它地区报道 的生物质燃烧排放因子进行本地生物质燃烧贡献 估算时,存在较大的不确定度.已有研究显示,LG 与K+ 的比值(LG/ K+ ) 可用于判断生物质燃烧的种类 及燃烧方式( Goncalves et al.,2010;

Harrison et al., 2012).因此,对不同种类的生物质及燃烧方式排放 PM2.5 的主要化学组成进行分析,有助于确定 PM2.5 排放因子的差异原因,也可提高生物质燃烧贡献示 踪物方法的可靠性. 本文选取

7 种代表性生物质样品(厦门本地的 马尾松叶、马尾松枝和杂草,河南信阳地区的小麦 和玉米秸秆,湖北潜江地区的水稻和棉花秸秆),在 明火和阴燃两种不同条件下进行燃烧试验,对PM2.5 及主要无机离子与有机组分的排放差异进行探讨, 以期为生物质燃烧来源示踪物法的本地化应用提 供相应的排放因子.

2 材料和方法(Materials and methods) 2.1 生物质燃烧模拟 按照前期实验室已建立的方法,将晒干后的生 物质样品裁剪成 3~5 cm 左右的小段,称取 25~50 g 样品(棉花和松枝为

50 g,其它为

25 g)以堆积的方 式置于家用香炉中进行燃烧实验(黄帅等,2015).由 于阴燃的条件比较严格,要求没有火焰的缓慢燃烧 (祝斌等,2005;

刘刚等,2016).本实验使用的家用香 炉无法满足此条件.为此,在燃烧实验时,采用喷洒 水雾让生物质处于冒浓烟的燃烧状态,与野外燃烧 的状态接近,以区别于明火燃烧状态(滴加酒精使 其充分燃烧).将香炉置于

4 m*3 m*3 m(长*宽* 高)大小的密闭房间内,采用大流量采样器 ( TH? 1000,流量 1.05 m3 ・min-1 ,武汉天虹) 配PM2.5 切割 头,将燃 烧产生的烟尘颗粒收集于石英滤膜上(Pallflex 2500QAT?UP,20.32 cm * 25.4 cm).在燃烧 开始时开启采样泵,至燃烧结束时再继续采样

40 min 以尽量收集排放的烟尘颗粒;

每次燃烧实验前, 需抽气

30 min 以降低实验室本底干扰.滤膜经恒温 箱干燥后,称重获得滤膜上颗粒物的净质量,结合 燃料消耗量计算 PM2.5 的排放因子(mg ・ g-1 ). 2.2 化学组成分析 2.2.1 水溶性离子分析 用专用打孔器,截取部分 滤膜,以纯水超声萃取,经0.22 μm 一次性滤头过滤 后,用双通道离子色谱仪进行分析(PIC?10,青岛普 仁), 测定离子包括F- 、 Cl- 、 NO-

3 、 SO2-

4 、 Na+ 、 K+ 、

4 8

4 4

12 期 朱恒等:生物质燃烧排放 PM2.5 中无机离子及有机组分的分布特征 NH+

4 、 Mg2+ 、 Ca2+ 等9种. 阳离子色谱柱型号是Universal Cation All?Guard MF Kit(7 μm,100 mm * 4.6 mm,GRACE),淋洗液为

3 mmol ・ L-1 甲基磺酸溶 液;

阴离子色谱柱是国产 NJ?SA?4A 系列(250 mm* 4.6 mm),淋洗液为 1.

92 mmol・L-1 Na2 CO3 和1.

8 mmol ・ L-1 NaHCO3 的混合溶液. 样品中,由于 F- 和Mg2+ 的浓度很低, 绝大部分未检出, 故只对Cl- 、 NO-

3 、SO2-

4 、Na+ 、K+ 、NH+

4 和Ca2+ 等7种水溶性离子 的测定结果进行分析与讨论. 2.2.2 碳成分分析 生物质燃烧排放 PM2.5 碳成分 按照课题组前期建立的方法进行分析(刘碧莲等, 2012;

Wu et al.,2015;

Wu et al.,2016).OC 和EC 采用Model 2001A 热/ 光碳分析仪(DRI,美国沙漠所) 进行测定,以蔗糖为标准进行定量.WSOC 采用基于 高温催化氧化法的有机碳分析仪( TOC?VCPH,岛津)进行测定,以邻苯二磷酸氢钾为标准,绘制标准 曲线. 截取部分滤膜样品,用二氯甲烷∶ 甲醇(2∶1,体 积比)超声萃取左旋葡聚糖,浓缩吹干后,进行硅烷 化衍生处理(BSTFA+1%TMC........