城市雾霾期PM2.5中重金属的液相作用过程及影响机制

Aqueous transfer and conversion process of heavy metals in PM2.5 during haze-fog episodes is one of the key processes affecting the bioavailability and toxicity of aerosols. But so far, less study about the specific aqueous reaction process and its influence mechanism was conducted. Shanghai and Ji'nan, representing the non-heating and heating city respectively, are selected as the research area. The main studied heavy metals are As, Cd, Pb and Hg, which have been heavily polluted in previous haze-fog episodes. Through the integrated application of field investigation, indoor multi factor orthogonal simulation tests, continuous chemical extraction, transmission electron microscopy -X ray energy spectrum analysis (TEM-EDS) and X ray absorption spectroscopy analysis (XAS), we try to systematically study the aqueous transfer and conversion process of heavy metals in PM2.5 during urban haze-fog episodes, to compare the effect of winter heating on the aqueous reaction of heavy metals in PM2.5, to reveal the influence mechanism of key factors such as the relative humidity (RH), aerosol pH value, SO42- and NO3- contents, and last to form a heterogeneous transfer and conversion framework model of heavy metals in PM2.5 during urban haze-fog episodes. This research will enrich and develop the scope and depth of the aerosol heavy metal geochemical cycling theory.

雾霾期PM2.5中重金属的液相迁移和转化行为是决定其生物有效性和毒性的关键过程之一，然而相关研究非常薄弱。选取供暖城市（济南）与非供暖城市（上海）作为研究区域，基于野外系统调查、室内多因子耦合模拟试验、化学连续提取技术、透射电子显微镜-X光能谱分析联用技术（TEM-EDS）以及X射线吸收光谱技术（XAS）的综合运用，以雾霾期污染较重的As、Cd、Pb、Hg等重金属为主要对象，系统研究城市雾霾期PM2.5中重金属在气溶胶水作用下的液相迁移与转化过程，对比分析冬季供暖对城市雾霾期PM2.5中重金属液相反应的影响程度，揭示大气相对湿度（RH）、气溶胶pH值、硫酸盐和硝酸盐含量等关键因子的影响机制，构建城市雾霾期PM2.5中重金属非均相迁移转化循环框架模型，以期进一步丰富和发展大气气溶胶重金属地球化学循环理论。

雾霾污染是我国冬春季的主要大气环境污染问题，大气PM2.5中重金属的液相迁移和转化行为是决定其生物有效性和毒性的关键过程之一，然而相关研究非常薄弱。项目通过现场观测与样品采集、室内模拟与化学分析、大型仪器分析、以及模型运算与判源技术等的综合运用，系统研究了上海和济南雾霾期PM2.5和大气水中重金属浓度的时空分布特征、赋存形态、生物可利用性和来源贡献等，分析了大气中重金属的水-粒分配特征和液相迁移转化过程，揭示了大气相对湿度、气溶胶pH值、SO2和NO2浓度等关键因子的影响机制，构建了城市雾霾期PM2.5中重金属非均相迁移转化循环框架模型。研究发现，我国北方冬季集中燃煤供暖区域大气PM2.5中Pb和As的浓度显著高于南方非供暖区域，其浓度均值分别为非供暖地区的3.29倍和1.98倍；气溶胶水中含有大量溶解态As、Cd、Hg和Pb等重金属，上海和济南大气重金属的分配系数均为Cd>Pb>As>Hg，霾期Hg、As、Pb的水-粒分配系数明显低于非霾期，更易存在于液相中，颗粒物上结合的重金属发生了解吸释放，气溶胶pH值、相对湿度、SO2和NO2浓度均会影响重金属的液相反应过程；霾期大气Hg的气-粒分配系数也呈下降趋势，大气Hg0氧化后被PM2.5吸附，霾期PM2.5的潮解使大气水中溶解Hg浓度升高；上海雾霾期大气环境表现出较强的还原性，大气PM2.5中As(III)的占比提高，但在济南大气PM2.5中以燃煤来源的As(V)占比较高，霾期二次气溶胶反应导致PM2.5中Pb(NO3)2的大量生成；冬季霾期我国北部地区的大气污染物对上海地区源贡献较大。研究成果不仅丰富了大气气溶胶重金属地球化学循环理论，而且为城市大气重金属污染防治提供了科学依据。