1、 本科 毕业设计 （ 20 届） ICP-MS 对嘉兴市 PM2.5 中铅及其它重金属的含量分析及研究 所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 : 嘉兴市是中国受大气污染城市之一。本研究从实验观测入手，分析了 嘉兴 地区 PM10和 PM2.5中重 金属成分的时空变化特征和来源，为提出合理的防治措施提供科学依据。利用 PM2.5， PM10采样器采集了嘉兴市大气 PM10和 PM2.5样品。结果表明，整个采样期间嘉兴市大气 PM10和 PM2。 5有明显的年变化，季节差异极显著，总体趋势是：冬季 秋季 春季。采用 电 感耦合等离子质谱仪检
2、测了 PM10和 PM2.5样品中 Cd、 Cu、 Ni、 Pb、 Cr等元素含量。结果表明：嘉兴市大气颗粒物中重金属更易分布在粒径较小的 PM2.5中。大气 PM10和 PM2.5中重金属含量均值在不同季节有较大的差异性。 关键词 : 电 感耦合等离子质谱 ；重金属； PM2.5 II Abstract: Jiaxing City is one of the cities affected by air pollution. From the experimental observation of this study analyzes the PM10 and PM2.5 in the J
3、iaxing region of the temporal variation of heavy metals and sources in order to provide a reasonable scientific basis for control measures. Use of PM2.5, PM10 sampler collected atmospheric PM10 and PM2.5 Jiaxing samples. The results showed that during the entire sample atmospheric PM10 and PM2.5 Jia
4、xing significant annual variation, seasonal difference was very significant, the overall trend is: winter autumn spring. Inductively coupled plasma mass spectrometry detection of the PM10 and PM2.5 samples of Cd, Cu, Ni, Pb, Mn and other elements of content. The results showed that: Jiaxing more hea
5、vy metals in atmospheric particles in the size distribution of PM2.5 in the smaller. PM10 and PM2.5 in the atmosphere mean heavy metal content in different seasons have a greater difference. Keywords: Inductively coupled plasma mass spectrometry;heavy metal;PM2.5 目 录 1 绪论 . 1 1 1 大气颗粒物中的重金属及其危害 . 1
6、1.1.1 大气颗粒物 . 1 1.1.2 大气颗 粒物种重金属及其危害 . 2 1.2 课题背景 . 4 1.3 相关研究成果 . 5 2 实验部分 . 6 2.1 实验时间 . 7 2.2 实验仪器及试剂 . 7 2.2.1 实验仪器 . 7 2.2.2 实验试剂 . 8 2.3 采样方法 . 8 2.4 分析方法 . 8 3 结果与分析 . 8 3.1 PM2.5 和 PM10 中重金属浓度的分析 摘要 .I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 大气颗粒物中的重金属及其危害 . 1 1.2 课题背景 . 4 1.3 相关研究成果 . 5 2 实验部分 . 6 2.3 采
7、样方法 . 8 2.4 分析方法 . 8 PM10 和 PM2.5 中重金属浓度的监测数据列于表 3-1 和表 3-2。 . 8 表 3-1 PM2.5 质量浓度 (ng/m3 ) . 8 4 结论 . 11 参考文献 . 13 1 1 绪论 1.1 大气颗粒物中的重金属及其危害 1.1.1 大气颗粒物 大气是人类赖以生存的基本环境要素。随着工业的发展、城市人口密集、煤炭和石油燃料的迅猛增长，大气环境质量日趋恶化，尤其是大城市和特大城市的空气污染问题日益突出。到了十九世纪中叶，随着洛杉矶光化学烟雾和伦敦烟雾事件出现后，环境空气污染问题已广泛受到人们的关注。 大气颗粒物又称大气气溶胶，是固体颗粒
8、或小液滴在气体介质中形成的悬浮体系， 是大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质的总称。由于各种颗粒状物质均匀地分散在空气中构成一个相对稳定的悬浮体系，所以也把大气颗粒物称为气溶胶。根据空气动力学当量直径的大小，可分为总悬浮物（ TSP）和可吸入颗粒物 1 。 TSP 指粒径小于 100 m的所有颗粒物；可吸入颗粒物指粒径小于 10 m的颗粒物，用 PM10 表示，其中粒径小于 2.5 m的颗粒物被称为细颗粒物，用 PM2.5表示 2 。 图 1 大气颗粒物的分类 2 可吸入颗粒物 (PM10)在环境空气中持续的时间很长，对人体健康和大气能见度影响都很大，被人体吸入后，会累积在呼吸系统中，引发多种
9、疾病。特别是细颗粒 (PM2.5)，危害更大。 PM2 5在 PM10中所占的质量百分比范围为 50 -75 3 ，可以携带重金属、硫酸盐、有机物、病毒等直接深入呼吸道和肺部 4 ，一些吸附在颗粒物上的有害物质就可以被人体吸收而进入血液中 5 ，能引发心脏病、肺病、呼吸道疾病，降低肺功能，对于老人、儿童和已忠心肺病者等敏感人群风险更大。 为此， PM10和 PM2.5成为表征城市空气污染的指标之一，目前，人们研究它的物质组成、污染现状、分布特点和规律，同时还剖析它的来源，这对治理城市空气污染，保护人体健康有着很大的意义。 1.1.2 大气颗粒物中的重金属及其危害 大 气颗粒物可吸附大气中二氧化
10、硫、氮氧化物、芳烃类及重金属等多种有毒元素及化合物，因此对人体健康产生重要影响。大气中其它污染物大多以颗粒物为依附，通过人的呼吸道进入人体而引起各种各样的疾病。近年来流行病研究表明，大气环境中颗粒物易诱发肺癌而使死亡率增高，越来越多的环境化学家、环境毒理学家和流行病学家确信：大气中颗粒物是人类生存环境中不可忽视的隐形杀手。大气颗粒物整体的致毒效应的研究正朝着越来越细致和深入的方向发展，对人类健康的影响研究从直接对肺的毒性发展到血液毒性，再到其它部位毒性及整体毒性上 6 。 大气颗粒物中，一般粒度越细，其对人体的直接危害越大。大约 75 -90的重金属分布在 PM10中，且颗粒越小，重金属含量越
11、高 7 。曾有研究表明 8 ：大于 10 m的颗粒会被人的鼻子阻挡， 5 m-10 m的颗粒会被呼吸道阻挡。对人体健康危害更大的 PM2.5在大气中颗粒物中占 有相当大的数量，其在工业重污染区浓度大大超过轻污染区，小于 2.5 m的颗粒可进入肺泡中，并可能导致与心、肺功能障碍相关的各种疾病 (如心血管病 ) 109 。许多研究表明 PM2.5对人体危害更大，这是因为细粒径的颗粒物可以在肺泡中沉积并进入血液循环，因而许多发达国家已开始对细粒子制定了大气质量标准并进行控制，美国是目前世界上唯一制定 PM2 5标准的国家 11 ， 我国己开始考虑制定 PM2.5的控制指标。 大气中的重金属对生物的生
12、命活动有显著影响，它们可以通过干沉降或湿沉降到达植物表面，继而影响其生理、生化过程，或在动物、人体呼吸过程中被摄入，从而造成直接影响。另一方面，3 降尘可将颗粒物本身及其吸附的重金属等污染物带入土壤、水体等环境介质中去，不仅影响土壤、水体的质量，还会由此间接地对各种生物体产生影响，最终会通过食物链进入人体，危害人体健康 1412 。重金属从大气中沉降进入土坡表层或地表 水体，可以看出：大气中重金属是整体陆地生态系统中重金属的有机组成部分 15 。 图 2 大气颗粒物中重金属进入生态系统途径的示意图 同时，大气颗粒物能够直接或者间接的破坏农作物。当长期曝露于颗粒物中，蔬菜作物可能遭受更多的损害，
13、叶细胞会被细小颗粒物破坏，产量和生产率都会下降，有些蔬菜甚至会死亡。农作物和植物叶子上的灰尘会抑制光合作用而影响植物的生长，而且，颗粒物还能够能过散射阳光，减少阳光照射强度，同样影响到农作物的产 量。因此颗粒物不论对人类及植被的直接或是间接影响都很突出。重金属具有高毒性和持久毒性，且重金属被动植物吸收富集，经过食物链传递最终会进入人体，进而危害人类健康。所以，重金属污染物在环境中的含量、分布、存在形态、迁移转化、生物效应及防治对策等方面都日益引起人们的关注。 在大气环境中，常见的重金属元素有 Cd， Cr， Cu， Hg， Pb， Zn， As， Fe， Mn， Ni， Co等，这些重金属对人
14、体健康有很大危害。 Cu既是重金属污染元素又是植物必要的营养元素，过量的 Cu不仅影响农作物的生长与产量，更为严重的是将通过食物链对 人畜的健康产生危害。进入体内的 Cu主要蓄积在血液、肝、肾和脑中，如果体内的 Cu太多，就会损伤细胞膜、引起血红蛋白变性，并且抑制一些酶的活性，造成溶4 血性贫血、肝和。肾坏死、神经失常、红细胞破裂，甚至死亡。 Pb的主要污染源是蓄电池、冶炼、五金、机械、涂料和电镀工业等部门排放的废水以及汽车尾气。 Pb是可在人体和动植物组织中蓄积的有毒重金属元素之一，迄今为止未发现它对人体有任何有益的生物功能。它的毒性长期而持久，主要通过消化道、呼吸道进入人体，然后以可溶性酸
15、盐、蛋白复合物或离子等化学形态进入血液循环，其中 95的 不溶性磷酸铅在骨骼内沉积。 Pb有很强的亲组织性，影响和损害人体许多器官和系统，如生殖系统、神经系统、泌尿系统、免疫系统以及细胞的基本生理过程和基因表达。 Cd污染主要来自于电镀、染料、采矿、冶炼、化学制品、塑料工业、合金及一些光敏元件制备等行业排放的 “三废 (废水、废气、固体废物 )”。原油中均含有微量的 Cd，在燃烧过程中可以释放到大气，最终沉入土壤。 Cd同时也是一种生物积累性剧毒元素，对肾、肺、肝、睾丸、脑以及血液系统等均可产生毒性，并具有一定的致癌和致突变性。另外， Cd在体内的半衰期长达 10-35年 ，易在体内蓄积。 N
16、i污染主要来源于工业污染和矿山开采， Ni是肿瘤的促进因子，它的致癌作用己引起全球的关注。与 Ni粉接触的工人呼吸道肿瘤明显增加，且环境中 Ni含量与鼻咽癌呈正相关。另外， Ni还可以诱发直肠癌、咽癌、口腔癌和肺癌等。经皮肤接触而致镍皮炎人数自 20世纪以来急剧增加，并且发现镍过敏与手湿疹相关。 1.2 课题背景 嘉兴市位于浙江省东北部、长江三角洲杭嘉湖平原腹心地带，是长江三角洲重要城市之一。随着经济建设的迅速发展，城市人口快速增长导致了嘉兴市以燃用原煤为主的城市能源消 费量呈现出上升趋势，从而加重了城市大气污染程度。 嘉兴市空气中可吸入颗粒物的浓度从 2006年开始一直是超过或接近国家二级标
17、准。空气中可吸入颗粒物的增加，主要来自市区建筑施工和道路清洁中的扬尘污染。另外每年 11月份，农作物收获季节农民焚烧秸柑造成的空气污染也不容忽视。 但到目前为止，关于嘉兴市大气中颗粒物的污染特征、化学成分和源解析的系统研究还比较少，而对于与人体健康和大气能见度密切相关的细颗粒 (PM2.5)的研究则更少，大气 PMl0和 PM2.5中的重金属污染研究几乎空白，籍此对 PM2.5的 污染特征进行全面的分析，对 PM2.5的来源、所造成的环境和健康影响及控制技术的开发更是远远不够。 5 本文通过对嘉兴市区大气中的可吸入细颗粒物 (PM2.5)进行连续的采样和质量浓度、主要重金属元素 (Cd、 Cu
18、、 Ni、 Pb、 Cr)含量分析，了解其污染水平的特征及可能来源，为制定行之有效的控制对策提供科学依据；同时，为深入研究嘉兴大气颗粒物的污染水平和污染特征提供必要的数据资料。 1.3 相关研究成果 世界各地学者对细颗粒物 PM2.5进行了广泛的研究，其中美国对 PM2.5的研究开展得最早，也最深入 。研究揭示：由呼吸道疾病、心血管病、肺癌造成的死亡与细颗粒物污染有关。 2006年美国环境保护局 (Environmental Protection Agency， EPA)运用关键设计值模型 (CDV)对全国所有拥有 5年以上 (1999-2003)监测数据的 PM2.5监测点未来超出国家环境空
19、气质量标 (NAAQs)的可能性进行了评估。 2000年 6月 -2001年 11月，欧洲共同体呼吸健康研究计划 (ECRHS II)首次研究了欧洲空气污染和呼吸健康的长期相关关系。观测结果表明欧洲 PM2.5年均和冬季平均浓度空间 分布变化很大。 Lonati 16 等对意大利米兰的研究表明微量元素平均浓度在工业和交通区明显升高，Mn、 Cu、 Pb的浓度相对于郊区背景点高 1个数量级。 Dockery 17 等人对美国六个城市 8000名 25-74岁的成年人进行了为期 14-16年的流行病学研究，发现 PM2.5的浓度每增加 10 g/m3，相对危险 (RR)为 1.14，即死亡率增加
20、14。美国健康影响 研究所 18 (HEI)于 2000年对上述研究进行重新分析，确认了原始数据的质量并证实了其研究结果。为此，美国在 1997年制定了细颗粒 (PM2.5)的大气环境质量标准，规定年均值为 0 015 g/m3，日均值为 0 065 g/m3 19 。从 20世纪 80年代起，美国环保局在 1997年率先颁布了 PM2.5的空气质量标准，年均值 15.0 g/m3，日均值 65.0 g/m3。其它欧美及亚洲国家、澳大利亚等也都已经出台相应的有关 PM10甚至 PM2.5的空气质量标准，并在颗粒物的源解析，组成结构、毒物学、病理学、大气输运过程及空气质量模型等方面做了很多的工作
21、。尽管国内外在可吸入颗粒物产生机理研究方面都取得一定进展，但由于实验室条件等的限制，今后对可吸入颗粒物 PM2.5的研究还应引起足够重视，为保持生态和生活健康提供借鉴和基础。 近年来我国 PM2.5的研究也具有一定规模，如王玮 20 等人 曾于 1988-1996年间对广州、柳州、山西云岗和厦门等地的细颗粒物 (PM2.0、 PM2.5)进行过短期的研究；王丽京 21 等人取北京大学、东四和中国气象局探测基地 3个观测站每个代表月的所有观测日的平均值作为北京市该季度 PM2.5的质量浓度，对其季变化进行了研究，发现夏季 PM2.5的质量浓度最高，秋季最低，春冬两季差别6 不大；而朱易 22 等
22、人研究发现，南宁 市 PM2.5的污染春、冬季明显大于夏、秋季；陈明华 23 等对上海市 PM2.5的研究也得到了相同的结果，冬季的质量浓度 80.2 g/m3，明显高于夏季 35.9 g/m3；黄鹂鸣 24 对南京市不同功能区的 PM2.5质量浓度的季变化进行了研究，发现秋季各功能区污染水平明显低于冬春两季，交通干道、居民生活区、商贸饮食区的粒子浓度在冬春两季差别不大，而对化工区、风 景旅游区来说，冬季明显高于春季；梁明剔 25 等收集了广州市 2005年 12月至 2006年 2月的 PM2.5浓度观测数据及同步气象数据，分析了冬季 PM2.5质量浓度日变化趋势以及霾日期间PM2.5质量浓
23、度日变化和小时变化趋势；孟昭阳 26 等对太原地区冬春季 PM2.5污染特征及影响因素进行了研究； Wang 27 等对上海城区和工业区的 PM2.5进行了研究； Hagler 28 等在珠三角 7个观测站的研究结果表明，珠三角颗粒物的排放能够对香港和广东省的细颗粒物的浓度有相当大的贡献。 有毒重金属元素对人体神经系统、造血系统、循环系统和消化系统等造成的危害备受关注。PM2.5中含有铅及多种重金属元素，对人们的身心健康有严重影响。 本文 利用原子吸收光谱法对PM2.5中重金属含量 检测 并进行分析。 研究 嘉兴市区大气中的可吸入细颗粒物 (PM2.5)的质量浓度、主要重金属元素 (Cd、 Cu、 Ni、 Pb、 Mn)含量分析，了解其污染水平的特征及可能来源 ,意义重大 。 2 实验部分 2.1 实验时间 20102011年 ,选择嘉兴市嘉兴学院点位做为研究对象 ,并于 11、 12、 1、 2、 3五 个月每月连续监测 , PM2.5和 PM2.5-10在同一监测点位同步进行连续 24小时监测 ,见表 1。 表 1 采样时间、采样点周围情况 采样点位 采样时间 采样点周围污染源类型 采样点周围情况简单介绍 嘉兴学院采样点 11月 12月 1月 2月 3月 城市车辆流动源 监测点周围半径 1里 内主要为居民区、商业中心区
