典型有色冶炼区大气颗粒物中重金属粒径分布与形态特征研究

The exhaust pollutant emission coming from the non-ferrous metal smelting is the major source of heavy metals in atmosphere, which is one of the most important factors to input and accumulate the heavy metals to the ecosystem, and its has the potential intimidate to human health and ecosystem. This project intends to study the concentrations, particle sizes distribution, speciation, as well as spatial and temporal distribution of heavy metals (including cadmium, mercury, lead, chromium, copper, nickel, zinc, thallium, manganese, molybdenum and arsenic, etc.) in different atmospheric particulates sizes in the typical non-ferrous metal smelting area. Contamination factor (Cf), individual pollution index method and Nemerow integrated pollution index method will be used to evaluate the atmospheric heavy metals pollution levels and characteristics. Speciation characteristics will be analyzed by sequential extraction. Speciation distribution, transportations characteristics and the dissolving laws in simulated different acidity precipitation of heavy metals of different diameters in different seasons will be studied. Bioavailability of heavy metals will be explored according to the speciation analysis. It has important scientific significance and application value to study the transport, transformation characteristic and environmental effect of heavy metals in the surroundings atmosphere of non-ferrous metal smelting.

有色金属冶炼废气排放是大气颗粒物中重金属的重要来源，大气颗粒物中重金属是向生态系统中输入与富集最重要的外源因子之一，对人体健康和生态系统构成潜在威胁。本项目拟对典型有色金属冶炼区不同粒径中重金属（主要包括镉、汞、铅、铬、铜、镍、锌、铊、锰、钼和类金属砷等）的浓度、粒径分布、赋存形态及时空分布特征进行研究。利用污染因子法（Cf）、单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法，评价重金属的污染程度及特征。利用分级提取法分析大气颗粒物中重金属的形态特征，研究不同季节不同粒径中重金属的形态分布、空间迁移特征及在模拟不同酸度降水条件下的溶出规律；根据形态分析探讨重金属的生物有效性。本研究对有色金属冶炼周边大气颗粒物中重金属的迁移、转化规律与环境效应的认识具有重要的科学意义与应用价值。

本项目以株洲市清水塘工业区为研究区域，研究了大气颗粒物浓度的季节分布特征、大气颗粒物中重金属（Zn、Pb、Cd、Cu）的季节分布特征和形态分布特征，探索了大气颗粒物中重金属在模拟酸雨中的溶出、形态转化规律，主要取得以下研究结果：.（1）PM10、PM2.5中重金属浓度的日变化特征具有一致性，重金属呈现相同的分布规律，浓度由大到小依次为ρ(Zn) >ρ(Pb)>ρ(Cu)>ρ(Cd)。不同重金属元素呈现不同的时空分布特征。.（2）对重金属的富集因子和相关性分析表明，重金属元素更容易在PM2.5中富集。其中，Cd的富集程度最高，其次为Zn，Cu的富集程度最低，4种重金属元素的富集因子表明4种元素全部来源于人为源。.（3）对大气颗粒物中重金属形态的研究发现，Zn、Pb、Cd主要以弱酸提取态的形式存在，弱酸提取态>可还原态>可氧化态>残渣态。Cu以可氧化态和弱酸提取态为主，可氧化态≈弱酸提取态>可还原态>残渣态。弱酸提取态中，各重金属元素百分含量为Zn > Cd > Pb > Cu，冬季浓度均高于夏季；4种重金属元素的生物有效性由强到弱依次为Zn > Cd > Pb > Cu。重金属在PM10、PM2.5中的生物有效性规律具有一致性，PM10中重金属的生物有效性略高于PM2.5。从季节来看，冬季重金属的生物有效性高于夏季。.（4）模拟酸雨溶出实验表明，Zn、Pb、Cd、Cu均有不同程度的溶出。在相同pH的模拟酸雨溶液中，溶出率由大到小为Zn > Cd > Pb > Cu，冬季Zn、Pb、Cd的溶出率高于夏季，溶出率在很大程度上与重金属的形态分布有关。在模拟酸雨条件下，不同重金属元素各形态间的相互转化各不相同。模拟酸雨溶液对Zn、Pb、Cd的影响大于Cu。经模拟酸雨处理后，Zn、Cd的形态分布为弱酸提取态>可氧化态>可还原态>残渣态；Pb为弱酸提取态>可还原态>可氧化态>残渣态；Cu以可氧化态为主。与未经模拟酸雨处理的样品相比，弱酸提取态Zn、Pb、Cd的百分含量明显降低，在模拟酸雨中的溶出主要来源于弱酸提取态，各形态均存在一定程度的溶出和由稳定态向不稳定态的转化。经模拟酸雨处理后，冬季弱酸提取态Zn、Cd的下降幅度大于夏季。可氧化态和弱酸提取态Cu的百分含量也有不同程度的下降，冬季弱酸提取态的下降幅度大于夏季，对环境的潜在危害性更大。