專利名稱：一種解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物中二次有機(jī)碳來源的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳來源的方法，特別是運(yùn)用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)示蹤環(huán)境空氣細(xì)顆粒物pm2.5中二次有機(jī)碳來源的方法。
背景技術(shù)：
二次有機(jī)碳是細(xì)顆粒物PM2.5的重要組成部分，是天然源和人為源排放的揮發(fā)性有機(jī)物或半揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)大氣氧化和氣粒分配等過程生成的，對大氣能見度、氣候等有重要影響。二次有機(jī)碳的主要成分包括多環(huán)芳烴、正構(gòu)烷烴、有機(jī)酸、羰基化合物等，其中有些物質(zhì)具有強(qiáng)致癌性，嚴(yán)重危害人體健康。為了較好地控制細(xì)顆粒物pm2.5的污染，最首要的是研究二次有機(jī)碳的來源。二次有機(jī)碳的研究主要集中于其對環(huán)境空氣顆粒物中有機(jī)碳的貢獻(xiàn)方面，可以通過“有機(jī)碳/元素碳”比值法、化學(xué)質(zhì)量平衡模型迭代法、放射性碳(14C)分析、氣溶膠質(zhì)譜儀等方法估算，而對二次有機(jī)碳來源的研究報(bào)道較少。目前主要是基于有機(jī)分子示蹤物的方法估算天然源和人為源前體物對細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的貢獻(xiàn)。Kleindienst (2006，2007, 2009)報(bào)道了實(shí)驗(yàn)室煙霧箱模擬甲苯、異戊二烯、α-菔烯、β _石竹烯等前體物在光照條件下氧化生成二次有機(jī)碳的物理化學(xué)過程，分別測定各前體物的有機(jī)分子示蹤物濃度，計(jì)算得到二次有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用示蹤物濃度和二次有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)估算美國東南部二次有機(jī)碳對細(xì)顆粒物PM2.5中有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，并分析了各類前體物對二次有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，獲得二次有機(jī)碳的來源信息。但前體物在大氣中的光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，分子示蹤物的識別較困難，其化學(xué)穩(wěn)定性有待進(jìn)一步調(diào)查研究。穩(wěn)定碳同位素技術(shù)是從上世紀(jì)60年代開始定型，并逐步發(fā)展起來的一門分支學(xué)科。由于此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，從而很快被用于礦床學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物工程等研究領(lǐng)域，近年來，此項(xiàng)技術(shù)正在應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)中污染物的來源解析中。O’Malley(1994)和McRae(1996)認(rèn)為多環(huán)芳烴、有機(jī)碳、元素碳等有機(jī)物在從污染源排放到環(huán)境空氣的過程中基本不發(fā)生碳同位素分餾，且不同來源的有機(jī)化合物穩(wěn)定碳同位素組成差異較大。在我國彭林(2006，2009)較早利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)示蹤環(huán)境空氣中多環(huán)芳烴、非甲烷烴的來源。穩(wěn)定碳同位素在環(huán)境領(lǐng)域的示蹤技術(shù)主要集中在對一次有機(jī)污染物的來源研究，F(xiàn)isseha(2009)已經(jīng)利用此項(xiàng)技術(shù)示蹤環(huán)境中有機(jī)酸污染物是一次來源還是二次來源，目前還未見有將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境空氣顆粒物中二次有機(jī)碳的來源解析中。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了煙霧箱中模擬太陽光輻射生成二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成，揭示了前體物生成二次有機(jī)碳過程中穩(wěn)定碳同位素組成的分餾特征。β -菔烯和甲苯等前體物的穩(wěn)定碳同位素組成差異較大，它們生成的二次有機(jī)氣溶膠的穩(wěn)定碳同位素組成也有較大差異，這表明二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成對指示其來源具有很好的潛力，因此可以利用環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成變化 判別其來源及其環(huán)境行為。穩(wěn)定碳同位素技術(shù)在各領(lǐng)域中解決的問題，主要集中在利用一次有機(jī)化合物的碳同位素組成示蹤來源，由于本發(fā)明的研究對象為環(huán)境空氣細(xì)顆粒物ρμ2.5中的二次有機(jī)碳，碳的來源有天然源和人為源排放的多種前體物。為了有針對性的研究二次有機(jī)碳的來源，本發(fā)明首先需要研究二次有機(jī)碳的碳同位素組成，目前還未見有關(guān)于環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的碳同位素組成研究的文獻(xiàn)報(bào)道，更未見有將穩(wěn)定碳同位素技術(shù)應(yīng)用于二次有機(jī)碳來源解析的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是二次有機(jī)碳較難從有機(jī)碳中分離出來，測定二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成困難的問題，從而提供一種解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物中二次有機(jī)碳來源的方法?；谏鲜鰡栴}和目的，本發(fā)明方法是首先測定環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5中有機(jī)碳和元素碳的濃度、有機(jī)碳和元素碳的穩(wěn)定碳同位素組成；然后計(jì)算得到細(xì)顆粒物pm2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成；最后利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物pm2.5中二次有機(jī)碳的來源，其具體方法按下列步驟進(jìn)行:
(1)采集環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5樣品；
(2)測定細(xì)顆粒物PM2.5中有機(jī)碳和元素碳的濃度；
(3)利用上述步驟(2)中的測定結(jié)果，運(yùn)用“有機(jī)碳/元素碳”比值法確定細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳對總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)；
(4)測定細(xì)顆粒物PM2.5中有機(jī)碳和元素碳的穩(wěn)定碳同位素組成；
(5)計(jì)算得到細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成；· (6)利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的來源。在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步的附加技術(shù)特征如下:
所述計(jì)算得到細(xì)顆粒物pm2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成是通過建立二元復(fù)合同位素質(zhì)量平衡模型計(jì)算環(huán)境空氣細(xì)顆粒物pm2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成。所述二元復(fù)合同位素質(zhì)量平衡模型是細(xì)顆粒物PM2.5中一次有機(jī)碳和二次有機(jī)碳這兩類物質(zhì)混合，混合物總有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成為:
權(quán)利要求
1.一種解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物中二次有機(jī)碳來源的方法，其所述方法是:首先測定環(huán)境空氣細(xì)顆粒物pm2.5中有機(jī)碳和元素碳的濃度、有機(jī)碳和元素碳的穩(wěn)定碳同位素組成；然后計(jì)算得到細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成；最后利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的來源。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其所述方法按下列步驟進(jìn)行: (1)采集環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5樣品； (2)測定細(xì)顆粒物PM2.5中有機(jī)碳和元素碳的濃度； (3)利用上述步驟(2)中的測定結(jié)果，運(yùn)用“有機(jī)碳/元素碳”比值法確定細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳對總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)； (4)測定細(xì)顆粒物PM2.5中有機(jī)碳和元素碳的穩(wěn)定碳同位素組成； (5)計(jì)算得到細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成； (6)利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的來源。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其所述計(jì)算得到細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成是通過建立二元復(fù)合同位素質(zhì)量平衡模型計(jì)算環(huán)境空氣細(xì)顆粒物pm2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其所述二元復(fù)合同位素質(zhì)量平衡模型是細(xì)顆粒物PM2.5中一次有機(jī)碳和二次有機(jī)碳這兩類物質(zhì)混合，混合物總有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成為:d Uroc = \l- A)a Cpoc + Λ0 Cmc 式中——環(huán)境空氣細(xì)顆粒物ρμ2.5中二次有機(jī)碳對總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)； S13Cwc~環(huán)境空氣細(xì)顆粒物ρμ2.5中總有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成，％。； S13Cpoc~環(huán)境空氣細(xì)顆粒物ρμ2.5中一次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成，％。； S13Csoc~環(huán)境空氣細(xì)顆粒物ρμ2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成，％。。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其所述穩(wěn)定碳同位素技術(shù)是利用環(huán)境空氣二次形成的有機(jī)污染物的穩(wěn)定碳同位素組成特征示蹤二次污染物的來源。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其所述利用環(huán)境空氣二次形成的有機(jī)污染物的穩(wěn)定碳同位素組成特征示蹤二次污染物的來源是比較計(jì)算得到的細(xì)顆粒物ΡΜ2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成和不同前體物模擬生成的二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成，確定細(xì)顆粒物ΡΜ2.5中二次有機(jī)碳主要來源于人為源前體物還是天然源前體物。
全文摘要
一種解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物中二次有機(jī)碳來源的方法首先是測定環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5中有機(jī)碳和元素碳的濃度、有機(jī)碳和元素碳的穩(wěn)定碳同位素組成；然后計(jì)算得到細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素組成；最后利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)解析環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5中二次有機(jī)碳的來源。本發(fā)明利用二元復(fù)合同位素質(zhì)量平衡模型計(jì)算二次有機(jī)碳的碳同位素組成，解決了二次有機(jī)碳較難從有機(jī)碳中分離出來、測定二次有機(jī)碳的碳同位素組成困難的問題，提供了一種新的解析二次有機(jī)碳來源的方法，避免了現(xiàn)有有機(jī)分子示蹤物方法中示蹤物有限且識別困難的問題。
文檔編號G01N27/62GK103226128SQ20131012382
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者劉效峰, 彭林, 白慧玲, 宋翀芳, 牟玲 申請人:太原理工大學(xué)