基本信息
- 项目名称：
- 运用定量电子探针微区扫描分析技术研究沙尘暴对黄海大气边界层气溶胶成分的影响
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 运用定量电子探针微区扫描分析技术（EPMA）研究黄海大气边界层气溶胶颗粒在正常天气及沙尘暴天气下化学组分间的差异。分析发现，来自土壤的颗粒最多，以下依次是富含碳、氮、氧的液滴颗粒、新鲜海盐、含碳颗粒、含铁颗粒、飞灰以及含C、N、O、S的液滴颗粒。沙尘暴期间，富含C、N、O的液滴颗粒和含硝酸盐的二次土壤颗粒大量增加，说明春季沙尘暴可能是各种含氮物质尤其是NOx（或HNO3）和NH3的重要携带者。
- 详细介绍：
- 运用定量电子探针微区扫描分析技术（EPMA）研究黄海大气边界层气溶胶颗粒在正常天气及沙尘暴天气下化学组分间的差异。分析发现，来自土壤的颗粒最多，以下依次是富含碳（C）、氮（N）、氧（O）的液滴颗粒、新鲜海盐、含碳颗粒、含铁颗粒、飞灰以及含C、N、O、S的液滴颗粒。沙尘暴期间，富含C、N、O的液滴颗粒和含硝酸盐的二次土壤颗粒大量增加，说明春季沙尘暴可能是各种含氮物质尤其是NOx（或HNO3）和NH3的重要携带者。 1、采样时间：非沙尘暴期间（2006年4月28日和29日） 沙尘暴期间（2006年4月30日和5月1日） 2、采样地点：渤海、黄海海面 乘坐一艘往返于韩国仁川港和中国天津港的商用轮船进行采样，共采集6个样品，其中N1、N2、N3为正常天气样品，D1、D2、D3为沙尘暴天气样品. 3、采样仪器：应用Dekati PM10分级采样器，采集空气动力学直径分别为1.0 -2.5μm(简称PM1.0-2.5)以及2.5-10μm (简称PM2.5-10)的大气气溶胶颗粒, 采样膜为银箔, 采样器流量为10L/min。 4、测量方法：应用带超薄窗口能谱仪（EDX）的扫描电镜（SEM），仪器型号为Hitachi S-3500N。加速电压为为10 kV，每个颗粒测量时间为10s，共检测1800个颗粒。 5、分析方法： 根据颗粒物的二次电子像获得每个单颗粒的形状和大小，经AXIL程序获得元素的X射线强度，由蒙特卡罗模拟程序在颗粒物X-射线谱图的基础上确定元素的浓度。根据颗粒中的元素浓度鉴别颗粒物类型，计算各种类型颗粒的相对丰度。 6、结果 (1)根据颗粒物二次电子图像和X-射线能谱将这些颗粒分成9大类，分别为初始土壤颗粒、二次土壤颗粒、海盐、含C颗粒、富含（C、N、O）液态颗粒、富含（C、N、O、S）液态颗粒、富Fe颗粒、飞灰及其它。其中初始土壤颗粒又可分为铝硅酸盐颗粒（AlSi-）、二氧化硅（SiO2）、碳酸钙或伴生镁的碳酸钙（CaCO3 或(Ca,Mg)CO3），二次土壤颗粒可分为含氮或硫的铝硅酸盐（AlSi + (N, S)）、反应的碳酸钙，海盐又分新鲜海盐、反应的海盐，含C颗粒包括元素碳和有机碳。 (2)沙尘对各组分相对丰度的影响如下： ①对土壤颗粒相对丰度的影响：沙尘暴期间，二次土壤颗粒的相对丰度比正常天气高出许多，且沿着渤海、渤海海峡、黄海其相对丰度在逐渐升高，这可能是黄海大气边界层本身的SO2、NOx含量高，利于气溶胶颗粒与沙尘反应，也可能是因为中国华北地区含有大量的SO2和NOx，使大气中酸含量增加，当沙尘经过这些地区时，就已经和其反应，随着大气运动，转移到黄海大气边界层。在这当中，我们还发现，二次土壤颗粒中，含硝酸盐的颗粒数目远大于含硫酸盐的颗粒，这意味着：随着城市化、工业化的快速发展，NOx对大气边界层的影响越来越明显。 ②对海盐相对丰度的影响：沙尘会降低大颗粒海盐的相对丰度，增加含硝酸盐海盐的数量，可能是沙尘暴期间，较低的相对湿度和大风天气减缓了SO2转化成 H2SO4 或SO42的速率，从而使含硫酸盐的海盐颗粒数目减少。 ③对富含(C, N, O)以及含(C, N, O, S) 液滴颗粒相对丰度的影响：在粒径为2.5-10μm的颗粒中，(C, N, O)液态颗粒的含量相对(C, N, O, S) 液态颗粒丰富，正常天气时(C, N, O)的液态颗粒相对丰度从渤海到黄海逐渐升高，主要是黄海周围首要污染物数量大，而大气边界层较高的相对湿度，又为硝酸盐尤其是NH4NO3的形成和气溶胶的反应提供了良好的环境；而沙尘天气时(C, N, O)液态颗粒相对丰度比正常天气时的相对丰度有明显的升高，说明沙尘天气时，含NH4NO3的颗粒在越过大气边界层时逐渐增加。 ④对含C颗粒，含Fe颗粒，飞灰及其他相对丰度的影响：沙尘时含C颗粒相对丰度较正常天气有所降低。可能是沙尘来自沙漠，携带了大量的矿物尘而不是有机物。含Fe颗粒的相对丰度在沙尘天气时比正常天气时低，而飞灰相对丰度比正常天气时高。 7、结论 利用定量电子探针微区扫描分析技术对渤海、黄海大气气溶胶颗粒定性、定量分析。发现沙尘暴期间，初始土壤颗粒数量下降，而反应的二次土壤颗粒数量上升，尤其是含硝酸盐的二次土壤颗粒。而且，粒径为2.5-10μm 和 1.0-2.5μm的 (C, N, O)液态颗粒相对丰度逐渐上升，富含C和(C, N, O, S)液态颗粒相对丰度在降低。说明，黄海大气边界层气溶胶悬浮颗粒是各种含氮气态无机物如NOx和NH3的重要携带者。 8、本论文的创新之处 （1）方法上，运用定量电子探针微区扫描分析技术（EPMA）研究海洋大气边界层气溶胶颗粒物的形貌和化学成分，目前掌握该技术的人非常少； （2）研究内容上，分析沙尘暴对海洋大气边界层气溶胶颗粒物成分的影响，为阐明沙尘暴对气候和人体健康的影响奠定基础。 （3）近年来我国沙尘暴发作频繁，每年春季许多城市黄沙漫天，本论文可以提醒人们关注沙尘暴的危害，为沙尘暴防治提供科学依据。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：掌握沙尘暴在海洋大气边界层传输过程中颗粒物成分变化，为阐明沙尘暴对气候和人体健康的影响奠定基础。 基本思路：沿渤海和黄海海面采集正常天气和沙尘暴天气下大气气溶胶颗粒，通过定量电子探针微区分析技术（EPMA）研究沙尘暴传输过程中颗粒物大小、形貌、化学成分的变化规律。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：通过比较正常天气和沙尘暴天气下海洋大气边界层气溶胶颗粒的化学组成变化，为阐明沙尘暴对气候变化和人体健康的危害提供科学依据。 先进性：定量EPMA不但可以观察到大气颗粒的大小和形貌，而且可以掌握每一个颗粒的化学组成，能获得比“全样分析”更丰富的信息。 独特之处：方法独特，目前掌握定量EPMA技术的人很少;思路独特，通过在海面上收集沙尘暴和非沙尘暴颗粒，并比较其成分的不同。
应用价值和现实意义
- 应用价值：开创了定量EPMA研究沙尘暴在海洋大气边界层传输时其颗粒物的成分变化规律的应用.运用该方法可以研究不同地区（如城市和农村、室内和室外）、不同天气（如沙尘天气、灰霾天气、阴雨天气）下大气颗粒物成分变化，在地球科学、环境化学、医学等领域均可以应用。 现实意义：有助于了解沙尘暴对海洋大气边界层气溶胶成分的影响，有助于认识沙尘暴对大气环境和全球气候变化的危害。
学术论文摘要
- 运用Dekati PM10冲击式颗粒采样器于2006年4月28日-5月1日在渤海、黄海大气边界层采集正常天气和沙尘暴天气下气溶胶颗粒样品，采样地点依次为渤海（近天津港）、渤海海峡、黄海（近韩国仁川港），沙尘暴天气时采集的样品分别为D1、D2、D3，非沙尘暴天气时的样品为N3、N2、N1。通过定量电子探针微区分析技术(quantitative electron probe microanalysis)检测了沙尘暴和非沙尘暴样品各900个颗粒（空气动力学直径分别为1.0 -2.5μm和2.5-10μm），根据颗粒物二次电子像和X-射线光谱将它们分成15类，相对丰度最多的种类为起源于土壤的铝硅酸盐、二氧化硅和碳酸钙颗粒，以下依次是富含碳（C）、氮（N）、氧（O）的液滴颗粒（可能是有机物和NH4NO3的混合物）、新鲜海盐、含C颗粒、含Fe颗粒、飞灰、以及含C、N、O、S的液滴颗粒。结果表明，沙尘暴期间，富含C、N、O的液滴颗粒和含硝酸盐的矿物尘颗粒大量增加，说明春季沙尘暴颗粒可能是各种含N气态无机物尤其是NOx（或HNO3）和NH3的重要携带者。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 该作品数据真实，方法可靠，结论明确，为申报者本人成果。
参考文献
- 定量电子探针微区分析法（quantitative EPMA），也称低原子序数颗粒物电子探针微区分析法（low-Z EPMA），技术文献目录如下 1.Geng, H., Jung, H.-J., Park, Y. M., Hwang, H. J., Kim, H. K., Kim, Y. J., Sunwoo, Y., and Ro, C.-U.: Morphological and chemical composition characteristics of summertime atmospheric particles collected at Tokchok Island, Korea, Atmos. Environ., 43, 3364-3373, 2009. 2.Geng, H., Ryu, J., Maskey, S., Jung, H.-J., and Ro, C.-U.: Characterisation of individual aerosol particles collected during a haze episode in Incheon, Korea using the quantitative ED-EPMA technique, Atmos. Chem. Phys., 11, 1327–1337, 2011. 3.Ro, C.-U., Hwang, H., Kim, H., Chun, Y., and van Grieken, R.: Single-particle characterization of four “Asian Dust” samples collected in Korea, using low-Z particle electron probe X-ray microanalysis, Environ. Sci. Technol., 39, 1409–1419, 2005.
同类课题研究水平概述
- 沙尘暴指强风将地面大量尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于1km的天气现象；强沙尘暴指大风将地面尘沙吹起，使空气非常混浊，水平能见度小于0.5km的天气现象。沙尘暴天气过程所产生的沙尘气溶胶微粒在输送过程中不断地沉降、扩散和稀释, 但粒径在0.5～4.0μm的沙尘气溶胶粒子具有远距离输送的能力，可随大气环流输送到较远的地方去,对那里的天气和气候产生影响。例如，中国西北地区的沙尘暴天气过程可将当地的黄沙粒子输送到日本、韩国、台湾，甚至北太平洋地区。沙尘暴携带大量沙尘，严重影响大气环境质量，大量的文献表明，沙尘暴期间大气总悬浮颗粒物 (TSP，空气动力学当量直径≤100μm的颗粒物)、可吸入颗粒物 (PM10，空气动力学当量直径≤10μm的悬浮颗粒物)、细颗粒物 (PM2.5，空气动力学当量直径≤2.5μm的悬浮颗粒物)等含量大幅增加。研究表明，在中国内陆沙尘暴期间主要地壳源元素 Ca、Al、Fe、Mg、Na、Ti 等高达平日的 30～58 倍，污染元素 Zn、Cu,、Pb、As、Cd、S比平时高出数倍,大气二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)浓度下降，而硫酸盐(SO42-)浓度略有上升。近年来对于沙尘暴传输过程中沙尘颗粒物成分研究较多，但尚未发现应用电子探针扫描微区分析技术研究沙土暴在海洋大气边界层传输时颗粒物成分变化的报道。 低原子序数颗粒物电子探针微区分析技术的分析流程和新颖性简述如下： A.首先在扫描电镜（SEM）下观察采集的大气颗粒物大小和形貌：由于颗粒物直接采集在导电的铝箔或银箔上，不仅采样时间短，而且测量时不需前处理（如喷金或镀碳），观察到的颗粒物是采集时的原貌。 B. 运用与扫描电镜配套的带薄窗口或无窗的能谱仪测量每个颗粒物的X-射线光谱，探测C、O、N、S、P等元素含量，研究大气中重要化学反应如无机碳颗粒（EC）、有机碳颗粒（OC）、硫酸盐（SO42-）、硝酸盐（NO3-）、氯化物（Cl-）的变化。 C．根据X-射线谱图，通过蒙特卡罗模拟程序计算每个颗粒物中各元素的原子浓度，根据单个颗粒的大小、形状、分子组成等判断颗粒物的种类， D．根据单颗粒测定结果计算样品中不同类型颗粒物的丰度，据此判断大气气溶胶颗粒物成分特征。
