基于离线AMS的扬州地区大气气溶胶理化特性和来源分析外文翻译资料
2022-12-23 14:51:10
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基于离线AMS的扬州地区大气气溶胶理化特性和来源分析
Xinlei Ge a, *, Ling Li a, Yanfang Chen a, Hui Chen a, Dan Wu a, Junfeng Wang a, d,Xinchun Xie a, Shun Ge e, Zhaolian Ye b, Jianzhong Xu c, Mindong Chen a
a Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control, Jiangsu Engineering Technology Research Center of Environmental
Cleaning Materials, Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, School of Environmental Science and
Engineering, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing 210044, China
b College of Chemistry and Environmental Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China
c State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000,
China
d Yangzhou Environmental Monitoring Center, Yangzhou 225007, China
e Nanjing Tianbo Environmental Technology Co., Ltd, Nanjing 210047, China
摘要:
了解细粒子气溶胶(PM2.5)的详细化学特征对于减轻人口密集地区（如中国长江三角洲地区）的空气污染非常重要。本研究采用一系列分析技术系统地分析了2015年11月至2016年4月在扬州市区采集的PM2.5膜样品，特别是采用Aerodyne黑炭颗粒气溶胶质谱仪(SP-AMS)。这里所使用的仪器重现了PM2.5平均91.2％的质量。无机组分的来源分析表明，其主要成分是二次生成的硝酸盐，硫酸盐和氯化物，其他来源还包括生物质燃烧，煤炭燃烧，交通运输，工业和由于拆除活动引起的再悬浮粉尘等，这些都可能促成对其他物质的影响。EC示踪法估算得到有机物(OM)是由65.4％的二次有机物(SOM)和34.6％的一次有机物(POM)组成，而SP-AMS分析结果表明有机物中含有60.3％的水溶性有机物(WSOM)和39.7％的非水溶性有机物(WIOM)。相关性分析表明WSOM可能富含二次有机物质，而WIOM可能主要由一次有机物质组成。进一步，利用正定矩阵因子分解法(PMF)解析WSOM的来源，确定了三个一次来源，包括交通，烹饪和生物质燃烧，以及两个二次来源。我们发现二次来源占WSOM的主导地位(68.1%)，其质量贡献随着WSOM浓度的增加而增加。一次源对WSOM的贡献相对较小，这可能是由于这些一次源有机物的水溶性较低造成的，未来需要进一步研究。总体而言，我们的发现对该地区气溶胶复杂的来源和化学过程的进一步研究有一定的科学意义。
关键词：PM2.5；黑炭颗粒气溶胶质谱仪；源解析；气溶胶化学；有机气溶胶；二次气溶胶
1.绪论
长三角地区是中国经济发达和人口密集的地区之一。扬州地处长三角北部，拥有人口460万，面积6634平方公里。由于能源消耗和排放物的急剧增加，扬州市的空气污染问题日益严重。为了采取适当和有效的措施改善空气质量，关于PM2.5的物理、化学特性和长期时间变化的知识是至关重要的。传统分析方法是用滤膜采集颗粒物样品，然后用各种分析技术进行表征，如总有机碳分析仪(TOC)，离子色谱(IC)，气/液相色谱等。气溶胶的有机部分，即有机气溶胶(OM)，是细粒子气溶胶的重要组成部分(Zhang et al., 2007)。尽管如此，由于OM功能和特性的复杂性，虽然一些先进的质谱技术可以在分子水平上鉴定或定量分析一部分有机组分，但目前的方法在确定OM的整体性质方面是有局限的，例如总质量，元素比和氧化程度等不能测定(Zhang et al., 2007)。
自2000年以来， Aerodyne AMS已广泛用于表征细粒子气溶胶(Canagaratna et al., 2007; Jayne et al., 2000)。通过使用热蒸发器，70eV电子碰撞电离和质谱仪，可以量化气溶胶种类。特别是，AMS技术在测定总OM质量方面非常有用。Aerodyne的高分辨率气溶胶质谱仪（HR-ToF-AMS）(DeCarlo et al., 2006)或黑炭颗粒气溶胶质谱仪（SP-AMS）(Onasch et al., 2012; Wang et al., 2016c)可以进一步获得OM的详细化学信息，这是由于其增强的化学分辨率（高达4300）(DeCarlo et al., 2006)和增宽的质核比(m/z)检测范围（高达几千amu）。应该指出的是，Aerodyne AMS专门为在线和短期的外场观测设计，具有较高的时间分辨率（通常为几分钟）。除了AMS简化版本的应用外，气溶胶化学形态监测器(ACSM)(Ng et al., 2011)和Time-of -fight ACSM(ToF-ACSM) (Freuro;ohlich et al., 2013),使用AMS长期（如超过半年）连续观测往往是不现实的(Daellenbach et al., 2016)，因为其运行成本高，维护复杂，需要经过培训的专业人员进行复杂的数据分析等。但是，通过液相提取物的再雾化，可以通过AMS分析滤膜采集的PM样品。通过此类AMS离线技术获得的数据有较低的时间分辨率，因为通常每隔数小时或数天才采集滤膜。尽管如此，在这种情况下，AMS就可用于在相对较长时期内获取气溶胶的特性。AMS离线技术还扩大了测量颗粒的尺寸范围，因为在线AMS通常只测量亚微米气溶胶(Canagaratna et al., 2007)。而且，滤膜采集非常简单，易于操作，大大节省了人力和仪器维护的成本。 在这些方面，开发和应用AMS离线技术是必要和有价值的。
最近，许多研究将外场采集颗粒物特征描述和源解析应用于离线AMS技术。例如，Sun et al. (2011b) 分析了在美国四个地点收集的24小时PM2.5样本; Mihara and Mochida (2011) 分析了日本的城市OM; Huang et al. (2014) 表征了2013年1月收集的来自北京，上海，广州和西安的PM2.5样品；Xu et al. (2013, 2015) 利用HR-AMS分别调查了青藏高原雪样和PM2.5样品的化学特征; Ye et al. (2017) 采用SP-AMS调查常州市PM2.5; Daellenbach et al. (2016) 分析了欧洲16个城乡地区在夏季和冬季的256个样本（包括PM1，PM2.5，PM10），结果显示离线AMS与由HR-AMS或ACSM提供的在线测量结果相关性很好。
本研究采用SP-AMS结合其他分析仪器对2015年至2016年期间扬州市区采集的PM2.5滤膜样品的特征和来源进行了探讨。由于扬州的气溶胶化学研究非常稀少，我们的研究成果对于决策者提供减少该城市及其周边地区空气污染的科学依据具有重要意义。
2. 实验方法
2.1. 样品采集
PM2.5样品是在扬州城区的一个采样点(119.40oN,32.38oE)现场采集的，采样点周围被住宅建筑围绕（如图S1）。该采样点位于长江公路（约300米）和瘦西湖（约1公里）以东的主干道以南。样品采集从2015年11月13日进行至2016年4月5日，装配大流量（流量1.05m3/min-1）采样器（金士达股份有限公司，青岛，型号KB-1000）采集PM2.5 ，从上午9点到第二天的上午7点，每个样品的持续时间为22小时。所有颗粒物沉降在一个8 times;10英寸的石英纤维滤膜（Pallflex, USA）上，其在使用前在450℃的马弗炉内预先烘烤4小时。采样器被放置在一座办公大楼的屋顶上（距地面约10米），共获得103个样本。
在过滤收集后立即在45％RH（相对湿度）和室温下使用数字天平（OHAUS DV215CD,精确度0.01mg）测定PM2.5质量，然后用锡纸包好并储存在-18oC的冰箱中。用100mL超纯水提取滤纸，在0oC冰水浴中超声30分钟，通过0.45mm针头式过滤器（PES，ANPEL）过滤，然后储存在保持在18℃的密封瓶中直到分析。滤板以与样品相同的方式处理。
2.2. 化学分析
通过SP-AMS，离子色谱(IC)，总水溶性有机碳分析仪(TOC)和电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析水提取物。另外，每个滤膜的一部分被直接切割并通过有机碳/元素碳分析仪(OC / EC)测量OC和EC含量。抽样期间气象污染物的气象参数和浓度均来自扬州市环保局网站。
2.2.1. SP-AMS离线分析
操作程序与之前文献中提及的相似(Ge et al., 2014; Sun et al., 2011b)。使用恒定输出雾化器(TSI Model 3076)将气溶胶提取液的等分试样雾化，用硅胶扩散干燥器除湿，并将干燥的颗粒送入SP-AMS。在每两个样品之间，将纯水雾化来清洁系统，并且空白膜的萃取液使用相同的方式处理并作为系统空白。SP-AMS仅在开启热蒸发器(600oC)下运行，因此它与HR-AMS一样是测量非难熔物质。仪器每隔5分钟在V模式（质量定量敏感）和W模式（约4000的高质量分辨率）之间切换。V模式的m / z范围高达约1000，W模式的m / z范围高达约450。由于我们关注的是气溶胶的化学成分，所以在这项工作中仅使用W模式数据。注意类似于Daellenbach et al. (2016), 我们只分析了PM2.5的水溶性部分。虽然用其他溶剂如甲醇和乙酸乙酯萃取PM2.5也是可以的(Mihara and Mochida, 2011), 但需要额外的材料，如活性炭和特定的设置，以有效去除和排除有机溶剂的影响。此外，还应研究再雾化气溶胶的粒径分布及其对测量结果的影响。这些研究是我们未来工作的课题。
SP-AMS数据使用基于Igor的ToF-AMS 分析数据包处理（SQUIRREL版本1.56D和PIKA版本1.15D，可在以下网址获得：http://cires1.colorado.edu/jimenezgroup/ToFAMSResources/ToFSoftware/index.html）。由于硝酸盐和氯化物的蒸发损失，且AMS不能定量测定金属，所以在本研究中通过IC和ICP-MS测定无机组分的浓度，且SP-AMS仅用于测量水溶性有机物(WSOM)。即便如此，SP-AMS测得的WSOM浓度(mu;g / m3)取决于萃取液的浓度和载气的流速，因此不能代表其原始的环境质量负荷。因此，通过使用TOC分析仪（2.2.2部分）测得的水溶性有机碳(WSOC)浓度来计算WSOM浓度和根据Canagaratna et al. (2015)提及的WSOM MS (OM/OCWSOM) 计算的OM / OC比值，如公式(1)所示：
WSOM=WSOCtimes;OM/OCWSOM （1）
非水溶性有机物质(WIOM)的浓度可以用公式(2)计算:
WIOM=(OC –WSOC)times;1.3 （2）
在这里，OC由OC / EC分析仪决定（2.2.2部分），1.3是将不溶于水的有机碳转化为有机物估算的转换因子(Sun et al., 2011b)。需注意的是，由于我们使用纯氩作为载气进行雾化，因此与外场测量不同，在m / z = 28处的CO , CH2N , C2H4 离子可以很好地从N2 离子分离并进行定量。原始的CO2 信号平均是CO 的约2.4倍，这比在氩气-AMS离线分析PM1样品中发现的比值高得多(Bozzetti et al., 2017b)。此外，由于
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