牙买加金斯顿工业区PM2.5的质量分布、黑炭气溶胶以及化学成分组成外文翻译资料

 2022-12-07 04:12

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牙买加金斯顿工业区PM2.5的质量分布、黑炭气溶胶以及化学成分组成

Johan Boman uArr;, Samuel M. Gaita

Department of Chemistry amp; Molecular Biology, University of Gothenburg, SE-412 96 Gothenburg, Sweden

摘要：据估计每年有三百万人因大气颗粒物污染而过早死亡，其中大部分人口在低收入和中等收入国家。加勒比地区的国家经历了车辆在城市的快速增长促进了城市空气质量恶化。在这项关于气溶胶粒子空气动力学直径小于或等于2.5mu;m(PM2.5)的研究中,研究对象通过24小时采样，收集于在一个西班牙小镇路上，它是牙买加金斯顿的一个主要通勤道路。该研究旨在测定金斯顿PM2.5的质量分布,黑碳气溶胶成分以及化学组成成分。尽管在2000年含铅的汽油已经被淘汰,含硫量在5000 ppm以内的柴油仍然被允许使用,这导致了大量二次颗粒物的形成。2013年12月12日至2014年3月21日，PM2.5样品收集使用了Mini-vol取样器而分析痕量元素使用了位于瑞典隆德大学的质子激发X荧光光谱分析PIXE设施。硅、硫、氯、钾、钙、钛、钒、铬、铁、镍、铜、锌、溴和铅的浓度被测定。元素浓度显示出快速时间变化并且平均PM2.5浓度(44mu;g/msup3;)高于适用于欧盟(25mu;g/msup3;)和美国(12mu;g/msup3;)的空气质量标准。从这一点来看,我们可以得出结论,该地区的空气质量严重受到PM2.5污染因此有必要制定计划改善金斯敦城市的空气质量。

关键词：质子激发X荧光光谱分析法PIXE；大气气溶胶粒子；学元素分析法；牙买加

  1. 前言

据世界卫生组织表明，世界范围内的大气颗粒物污染需要为所有的过早死亡负八分之一的责任。许多死亡是由于室内颗粒物污染,但三百万人过早死亡每年可以归因于环境大气颗粒物污染。在不同地区大气颗粒物污染水平差异巨大。在美国的城镇地区中低收入地区，据估计95%的人口正在经历大气颗粒物(PM)污染浓度超过世界卫生组织年度空气质量标准。标准为PM2.5质量浓度10mu;g/msup3;，PM10质量浓度20mu;g/msup3;。PM2.5在大气中的停留时间长、从而不仅在本地范围内而且在更广阔区域范围内影响市民的健康。为有效地减轻污染水平,良好掌握受影响地区的大气颗粒物黑炭成分及其对健康的影响是必要的。

正如世界上的许多其他地方,加勒比国家经历了城市地区车辆迅速增加的时期。在许多情况下,工业活动也增加。虽然在许多情况下空气质量情况由于缺乏测量而未知，但这可能导致了空气质量的恶化。牙买加国家环境和规划机构(NEPA)强制性监测牙买加不同的空气流的空气质量,但是由于合法的监管环境PM2.5标准缺乏，PM2.5浓度的测量一直是不定期的。

美国国家工程处（MWA）估计，西班牙语镇路平均每星期有215000用车。90％的车辆为汽油燃料的私家车，9％是轻型以柴油作为燃料，而其余的货车和私家车为1％的重型柴油车辆。

此项研究的目的在于确定在牙买加金斯顿工业区PM2.5的水准以及PM2.5浓度和空气污染情况的关系。

2.实验

2.1采样地点

采样地点是位于沿西班牙小镇路的一个工业区（北纬18.0106°，西经76.8398°），大约在金斯顿市中心西北6公里处。

西班牙小镇路总长度为8公里,主干路上每个方向有三个车道构成了其总长度。它从金斯敦城市中心延伸到西北。取样器建立在西班牙小镇以东65米的道路上。该地区位于西班牙西南部城市道路并且周围的区域采样站点的特点是作为一个工业区。金斯敦码头、Petrojam炼油厂和狩猎湾发电厂都位于这里还有一些轻微和中等大小的行业。狩猎湾电厂使用燃油来生产电力，是金斯顿市区四大电厂之一。2009年,在牙买加超过95%的电力来源于石油产品,主要是重燃油。西班牙小镇大道的东部和东北部地区主要是居民区。居民区在一定程度上受来自工业和交通造成的污染的影响，因为主导风从北方、西北和东南方向吹来。测量位置是楼下的西部城市开放的废物垃圾场,不受监管的固体废物燃烧每年发生几次使其成为恶化的空气在金斯敦的一部分潜在来源。

2.2气溶胶采样

取样器,从美国斯普林菲尔德AirMetrics公司购入的Mini-Vol取样器模型4.2,它的入口设立在与地面相距2米高度的地面,距离西班牙城镇道路有65米远以避免繁忙的交通道路产生的直接影响。抽样为24小时连续观测，以及16个PM2.5样品通过聚四氟乙烯(PTFE)过滤器(47毫米直径、孔隙大小2mu;m,英国惠特曼,梅德斯通)在2013年12月12日,到2014年3月21日。金斯敦位于热带地区正值旱季。自2000年以来只有无铅汽油在牙买加出售,但柴油可能还包含5000ppm硫磺。含硫量15ppm的柴油,超低硫柴油从2013年中期开始销售,但只有一小部分构成了柴油销售总额。

2.3.元素分析

聚四氟乙烯过滤器前后重采样来确定大气颗粒物的质量。无效数据被剔除。利用化学（BC）法通过一个反射计(化学法微元采集于ESM Emberline模型FH62 1-N取样器)以及位于瑞典隆德大学核物理实验室利用PIXE测定出硅、硫、氯、钾、钙、钛、钒、铬、铁、镍、铜、锌、溴和铅。磷、锰、砷、铷和锶被包含在频谱评估中但浓度低于样本的检验下限。PIXE分析在真空中进行，当电子束电流减少,由高F贡献产生的质子能量从过滤器穿过。电子束能量为2.3兆电子伏,光束直径为10毫米(圆形),光束电流在5—11nA之间，样本上的电荷是保持在3mu;C。55mu;m铍,23mu;m聚酯薄膜作为x射线吸收器以防止反散射质子进入检测器。

2.4后向轨迹

后向轨迹是一种计算空气质点在一定时间内后向运动的模型，这种模型决定了在特定时间内，流体质点到达一个所选测点其可能的来源地。后向轨迹法因此可以被用来为污染物长距离输送可能的影响提供信息。HYSPLIT(混合单粒子拉格朗日集成轨迹)模型是国家海洋和大气管理局(NOAA)是用于本研究模型，用以计算在测量期间空气质点到达测量站点的轨迹。在研究中每次轨迹计算3天。这是考虑到PM2.5粒子在大气的停留时间为好几天所决定的。

表1

平均浓度,标准差(方差)和检测到的元素范围ng/msup3;、黑碳(BC)mu;g/m sup3;和PM2.5的总质量。N=数量的确定过滤器的元素、QL=牙买加空气质量限制。

24小时时限

平均时限

图1集群后向轨迹显示空气质量从原地抵达金斯敦测量的运动轨迹。

图2.根据NASA公司网络映射器的统计火灾数据。开放地区代表的是不到10起火灾。红光地区,看到主要是牙买加南部和西部代表10–100起火灾。

3.结果和讨论

待测元素的平均浓度、黑炭气溶胶成分和PM2.5的质量浓度在表1中给出，并给定了标准差和范围。平均而言，检测元素达到了10plusmn;3%PM2.5的总质量，而黑炭气溶胶占了PM2.5质量的18plusmn;6%。元素含量比例类似于在其他城市地区的研究，在LMIC研究中BC/PM2.5比率高于这些研究报道。其与其他研究的最大的区别在于指出了钒浓度。65ng/msup3;的平均值高于其他的研究除了在墨西哥萨拉曼卡的一项研究,表明钒的浓度是150ng/msup3;。然而钒是燃烧重油所产生的典型的示踪元素，这种形式燃烧的影响也可以认为适用于该研究。BC/PM2.5比率高的原因也可以归结于金斯敦工业燃油的使用以及车辆的管理不合规的现象。它也可能是周围地区的生物质和垃圾不完全燃烧排放的结果。在墨西哥研究的PM2.5浓度类似于这项研究(分别为45mu;g/msup3;和44mu;g/msup3;)，但BC/PM2.5比率在萨拉曼卡较低(分别为10%和18%)。

由于缺乏监管部门对牙买加地区PM2.5浓度的限制，该研究中PM2.5浓度被拿来与欧盟委员会(European Commission)的环境空气质量标准（AQS,25mu;g/msup3;）以及美国环境空气质量标准（年平均12mu;g/msup3;）进行比较。平均PM2.5浓度为44mu;g/msup3;,高于欧盟和美国的环境空气质量标准，这揭露了在金斯敦潜在的健康问题与大气颗粒物质量有很高的相关性。这项数据表明每增加5mu;g/msup3;PM2.5就会增加18%患肺癌的风险。一项美国的研究表明整体增加10mu;g/msup3;的PM2.5，提升死亡率约为3-4%。在金斯敦意味着由于高浓度的PM2.5，这将大幅提高肺癌的风险和更高的死亡率。沙阿等人估计在美国PM2.5的浓度减少3.9mu;g/msup3;将防止接近8000人因心力衰竭而住院，并且每年将节省大约3亿美元。使用在美国和牙买加之间的人口比例来估计和假设相同的条件下，减少在牙买加相似的PM2.5浓度时，65个心力衰竭患者就能免除住院治疗的过程。根据欧盟空气质量标准(25mu;g/msup3;),本研究中PM2.5所测平均质量浓度(44mu;g/msup3;)减少5倍。据沙等人分析如果浓度减少符合欧盟标准，那么数百因PM2.5诱发疾病而住院的患例是可以避免的。由于它位于加勒比海金斯顿地区，它也受海洋喷沫产生的大气气溶胶的影响。尽管大气颗粒物中的大多数氯元素被发觉多于2.5mu;g/msup3;,在此项研究中氯的浓度可以被看做海洋喷雾颗粒物的象征。在大气颗粒物中硫可以假定存在于硫酸和硫酸盐中占大气颗粒物的10%。

铅浓度类似于在开罗和内罗毕探索出的铅浓度，是萨拉曼卡铅浓度的一半（123ng/msup3;）,略高于墨西哥城市（47ng/msup3;）,但大大低于牙买加的空气质量标准。作为在2000年正式被淘汰的铅汽油在这项研究中观察到可能来自分散悬浮道路灰尘。钒和镍可以作为重油燃烧的示踪元素，也是地壳粒子的标签。被用来区分V/Si和Ni/Si两个来源比率。在大陆地壳V/Si和Ni/Si的比率分别是0.00055和0.00019。这些比率几乎是三个指标量级低于在大气颗粒物的测量中的(V/Si0.088,Ni/Si0.036),使燃烧的燃油最可能的是钒和镍的来源。因为大多数的石油在牙买加是从委内瑞拉进口的，一个已知的高含量不含燃烧物的材料,我们预计高灰尘成分来自于高浓度的标记元素的粒子排放燃烧过程。

使用后向轨迹模型计算气溶胶运动，因为考虑PM2.5与这些微粒在大气长达好几天的停留时间相关性良好。吸入颗粒物和气态污染物也可以考虑轨迹建模,但是被排除在本研究之外。图1显示了集群粒子在整个研究期间的轨迹。只有8%的轨迹从以外地区到海地,多米尼加共和国和大西洋。然而黑炭气溶胶的相对含量在PM2.5中很高，一个可能的来源可能是遥远地区的生物质燃烧产生点经由风传输到在金斯敦的测站。结果从美国宇航局公司web fire mapper,图2显示没有大火灾的地区在轨迹测量期间,此时预期遥远的生物质燃烧源可以产生最小的影响。黑炭气溶胶的最有可能的来源是当地,或从更多的附近区域。

由于少数量的样品和大量的参数,统计方法和主成分分析(PCA)和正矩阵分解((PMF)不能被应用在这项研究的源解析中。

4.结论

从这项研究中我们可以得出结论: 通过环境气溶胶粒子浓度比2.5mu;m(PM2.5)小来确定研究区域空气质量是不好的。测量浓度影响该地区居民的健康。该研究为开发计划沿着西班牙城镇道路和改善空气质量从而提高在金斯敦地区居民的健康状况提供所需的信息。接着对PM2.5的测量及其化学成分分析将为源解析过程提供依据。

鸣谢

我们要感谢西印度群岛大学化学系,莫娜,牙买加金斯顿,Linnaues-Palme基金会;瑞典哥德堡大学，瑞典运输计划和牙买加国家环境和规划机构,的大力支持。

参考文献

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