当前世界环境

介绍

最近，社会上对空气污染及其影响的关注有所增加。¹因此，已经报道了许多关于大气气溶胶特征的研究，特别是在城市地区。^{2 - 4}就微粒污染而言，德里在世界污染最严重的特大城市中排名第二。⁵主要是由于发育活动和大型德里人口贡献的高水平污染物的因素。

在所有主要的空气污染来源中，一个显著的来源是燃放烟花庆祝节日和世界各地的特定活动。⁶通常，烟花由纸管组成，里面装满金属、非金属和有机化合物(镁、铝、钛、硼、硅、硫、木炭)、还原剂(木炭、硫)、氧化剂(氯酸盐、硝酸盐)、着色剂(铁、锶、钡、锂、钠、铜等)和粘合剂(糊精)。^6、7

这些庆祝活动可能导致短期内严重的空气质量下降⁷以及对人类健康的长期负面影响。^8、9烟花的燃烧会向大气中排放有机化合物、金属和气体污染物，如二氧化硫、氮氧化物和臭氧。^{3、7、10 - 15}据张报道，由于燃放烟花爆竹，空气污染突然急剧增加et al .,¹⁶Khaparde报道了烟花对气溶胶大小分布和相关钡(Ba)的影响，钡直接影响人类健康(肌肉痉挛、心跳、哮喘等)，粒子辐射和毒理学影响et al .,¹⁷氧化剂，通常是高氯酸盐或硝酸盐，被添加到烟花中，因为大气中的氧气不能支持快速燃烧。¹⁸金属离子在燃烧过程中表现出不同的颜色，其中Sr(红色)、Ba(绿色)、Cu(蓝色)和Na(黄色-橙色)最为常见。^19,20

明胶、酪蛋白、硝化纤维素、聚酯和淀粉等粘合剂以及一些用于噪音效应(金属水杨酸盐)、增色(氯盐或氯化有机物)和产生烟雾(有机染料)的额外化合物也出现在烟花中。¹⁸

在这项研究中，我们测量了2016年10月27日至2016年11月2日期间德里可呼吸气溶胶中的金属水平。对样品中的颗粒汞(HgP)含量、元素碳(EC)和有机碳(OC)浓度进行了估算。本研究还报道了颗粒的形态特征。

方法

抽样网站

德里是印度的首都，位于北纬28°36 ' 36″，东经77°13 ' 48″，海拔约240米。德里的人口密度约为每公里11,297人²人口第二，国土面积1484公里²．德里在一年的大部分时间里都是干燥的天气，有时甚至在季风季节，这也是因为它属于亚热带气候。德里有很多地区，人口和交通密度不同，土地使用模式和一些工业基地等。这些样本是在位于德里南部的贾瓦哈拉尔·尼赫鲁大学(JNU)校园收集的。图1显示了站点位置。网站描述如下。

贾瓦哈拉尔·尼赫鲁大学

尼赫鲁大学(28°32 ' N和77°10 ' E)位于德里南部和阿拉瓦利山的北部。校园占地4.12公里²有很高的树木覆盖。气溶胶样本是从环境科学学院大楼三楼的屋顶采集的。印度每年的10月或11月都会庆祝迪帕瓦里节。在这个节日里，印度各地都会燃放大量的鞭炮，尤其是在印度北部。因此，源头均匀分布在德里和印度北部。

气溶胶样品的收集和制备

在本研究中，采样在Deepawali之前(2016年10月27日至2016年10月29日)、Deepawali当天(2016年10月30日)和Deepawali之后(2016年10月31日至2016年11月02日)期间进行。石英过滤器用于PM的收集₁₀气溶胶。采样前，过滤器在干燥器中保存24小时，称重取过滤器的初始重量。采用Ecotech公司生产的呼吸性粉尘采样器(RDS)在尼科鲁大学环境科学学院大楼(约19米高)的露台上采集样品。采样的平均流速为1m^3./分钟。收集的样品再次在干燥器中保存24小时，称重取过滤器的最终重量，然后用铝箔包好，装入拉链袋，4ºC冰箱保存，直到分析。利用初始重量和最终重量的差异来计算PM的质量₁₀在过滤器上收集。只需将石英滤纸放在RDS上，然后将其取出，即可获得3个空白样品。为了分析，在50毫升5%的HNO中提取四分之一的过滤器_3.放入超声波水浴1小时¹²．超声处理后，萃取液通过孔径为0.2 μm的尼龙注射器过滤器，装入聚丙烯瓶中，置于4^{a -¦}直到分析C。所有样品容器和玻璃器皿在使用前都经过严格的酸洗。

汞的测定

采用差分脉冲阳极溶出伏安技术，采用797 VA Computarace (version 1.3.2, Metrohm)分析仪对萃取溶液中的汞进行分析。²¹采用金旋转圆盘电极(gold RDE)作为工作电极，玻碳作为辅助电极，银/氯化银作为参比电极进行分析。该方法的灵敏度取决于电极的“沉积时间”，实际上，这是一种预富集汞的方法。工作电极在使用前经过全面的调试。取10 ml样品放入细胞，加入300 μl高氯酸(70%)、400 μl EDTA (0.1 mol)和100 μl KCl (3 mol)。在分析的沉积(预富集)步骤中，应用370 mV沉积电位260秒。对于要求检测限低于10ppb的分析，应使用专用电极和电池。每天使用之前，用铅笔橡皮擦清洁黄金RDE，然后应用调理方法。

有机碳(OC)和元素碳(EC)的测定

使用沙漠研究所2001型热/光学分析仪对气溶胶样品(在过滤器上收集的)进行碳质组分(EC和OC)分析。分析仪主要工作在纯氦(He)气氛中优先氧化OC，然后在98%的He和2%的O气氛中氧化EC₂在不同的温度下逐步增加大气温度。所有的碳化合物都挥发并通过加热的MnO₂并以一氧化碳的形式释放出来₂在不同的环境下从样品冲孔面积0.5厘米²石英的过滤器。

采用热/光学反射(TOR)法测定碳质组分。²²四种OC组分(在纯He环境中分别在120ºC、240ºC、480ºC和580ºC时的OC1、OC2、OC3和OC4)和三种EC组分(在98% He和2% O环境中分别在580ºC、740ºC和840ºC时的EC1、EC2和EC3)₂混合气体)。因此，用下列公式测定EC、OC和TC。

有机碳（OC）= OC1 + OC2 + OC3 + OC4 + OP（热解的有机碳）
元素碳（EC）= EC1 + EC2 + EC3 - OP
总碳（TC）= OC + EC

在这方面，Cao描述了质量控制/质量保证程序et al .,²³

样品的形态学和元素分析

采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散x射线(EDX)(卡尔蔡司AG- EVO®40系列型号)对石英滤膜上采集的样品进行表面形貌和元素分析。首先将双面碳带固定在丙酮洗过的金属存根上，然后在0.5 cm左右进行元素和形态分析²通过使用铁冲头切割石英过滤器（样品），并固定在碳胶带的上侧。首先，通过EDX分析用于元素成分的样品。EDX后，通过使用SEM进行形态分析。对于形态学分析，通过溅射涂布机-GigON（SC7640）材料涂有薄的金层，将材料转化为导电。

统计分析

所有图表均用MS- Excel 2015绘制。使用社会科学统计软件包(SPSS)计算了不同化学物种的皮尔逊相关系数。

结果与讨论

PM的估计₁₀浓度

表1给出了PM的浓度₁₀在节日庆祝的一周内的不同日子。点₁₀浓度从260到1279μg/ m不同^3.．这些水平大大高于国家环境空气质量标准(NAAQS)的值(100µg/m)^3.)，由中央污染管制局订明。此外，这些颗粒物水平也非常高，超过了世界卫生组织(世卫组织)和欧洲联盟规定的限制(50 μg/m)^3.）.PM含量高的主要原因₁₀是迪瓦里节烟花的排放。然而，PM的水平₁₀已被报告超过NAAQS的限制，由于灰尘大气。^24日,25除了自己的空气污染之外，德里还必须争夺从旁遮普和哈里亚纳等各国吹过的污染，农民一直燃烧作物残余物，以便为下一个播种季节制备田野。²⁶

邻近邦的活动也影响了德里的空气质量，他们指出，由于风向的原因，这座城市的位置使其容易受到来自境外的颗粒物的影响。²⁷此外，在研究期间，德里温度低温，低相对湿度和低风速等天气条件进一步帮助了大气中气溶胶的积累。正当在深度之后，雾和烟雾逐渐增加。11月2日在德里举行了非常浓密的雾，朦胧的条件^nd2016年，由于天气平静。这些有利的条件可能是PM非常高的原因₁₀11月2日集中^nd, 2016年。

表1:点₁₀浓度(µg / m^3.) Deepawali节日周。

我们的观测得到了空气质量和天气预报研究系统(SAFAR)获得的数据的支持，该系统是一个用于分配该地区健康状况的网络。根据2016年10月3日SAFAR的数据，PM的水平_2．5和点₁₀491µg / m^3.和785µg / m^3.分别。基于PM的高值₁₀在2016年10月31日和11月1日，SAFAR发布了“严重”警告，要求避免任何户外体育活动。

基本特征

表2给出了通过SEM-EDX表征的不同化学成分的元素贡献百分比。图2显示了研究期间样品中不同化学成分的变化情况。图3显示的饼状图描述了在Deepawali事件之前、期间和之后的空白石英过滤器和气溶胶样品的元素组成。空白滤镜只显示硅、氧和极少量的C，而气溶胶样品有各种化学物质的沉积，如K、Mg、Cl、S、Fe、Ca、Al等。所有元素的百分比分数在节日周逐渐增加，2016年10月30日的百分比组成达到最大值。燃放烟花时这些金属的浓度较高是由于在制造火花和鞭炮时使用了这些金属。在节日燃放烟花爆竹时，这些金属的浓度最高。Ba、Mg和Ti的存在仅在2016年10月30日夜间气溶胶样品中见过，这次观测的重新季节可以通过观察烟花的具体特征来解释。铜(蓝色)、阿尔(白色、银色),英航(白色作为碳酸盐岩和硝酸盐,绿色氯酸盐),Na(黄色),Sr(红色),Ti(银)色彩和闪光发射器,锌用于产生烟雾效果,作为推进剂,硫酸盐、硝酸盐、氯化物金属盐组件使用它帮助的显示颜色。烟花中使用的黑色粉末、可燃材料包括硫磺、氯酸钾或高氯酸钾和硝酸钾。 The elements such as barium, copper, magnesium, potassium, and strontium used as fireworks tracers have been reported by Steinhauseret al .,²⁸铁、钙在节日当天均低于检测限。在德里，铁是由工业和地壳成分贡献到大气中的，而钙主要是由地壳成分通过土壤粉尘的再悬浮贡献到大气中的。⁴由于是假日，在迪帕瓦里，许多公司和工厂仍然关闭。因此，工业活动的减少以及道路上行驶的车辆数量的减少减少了其他人为源的排放和道路粉尘的再悬浮。因此，在节日当天，铁和钙的检出低于检出限。但是，Hg分析过程中地壳元素的干扰还需要进一步深入研究。

表2:Deepawali节周期间收集的气溶胶样品的元素组成百分比

＊-bd-未检测到

计水平

表3给出了迪瓦里节周的HgP浓度。如图4所示，在Deepawali日之前发现HgP浓度增加，但在Deepawali夜之后发现HgP值无法检测到，这可能是因为巨大的烟花排放增加了PM的浓度₁₀所以₂．然而，大量的硫也可以悬浮在空气中从未燃烧的烟花材料。基本上，硫是用在黑色粉末作为一种可燃材料用于饼干。通过对加热后的黄铁矿和HgS溶解度产物的初步吸附研究表明，汞离子对硫化物具有很强的亲和力。²⁹就HgP而言，气溶胶组成和大小分布是涉及簇、粒子和涉及大气超细粒子(UFPs)的非均匀化学过程的主要驱动因素。^30.如表2所示，在节日期间，随着烟花活动的增加，氯离子浓度也随之增加，这可能是由于随着氯浓度的增加，汞的吸附速率增加。^31,32据报道，团簇为化学反应提供了巨大的表面积³³UFPs的聚集物与类似大小的气溶胶粒子相比具有不同的性质。然而，在这个方向上还需要更多的调查，因为作者还没有掌握关于汞的详细具体研究。

表3:迪瓦里节周的HgP浓度

* nd =未检测到

碳质含量

表4报告了热/光学分析仪获得的EC和OC结果。图5显示了Deepawali节日周EC、OC和TC的变化情况。图6显示，尽管在节日期间，OC和EC的浓度有所上升，但它们的比例保持不变，这证实了它们的来源是共同的。相关研究如表5所示，OC与EC之间存在很强的相关性，相关系数高(r=0.99)。OC和EC之间的高相关系数表明它们是由鞭炮燃烧和火花燃烧共同产生的。OC和EC比值在Deepawali日之前一直下降到最低的0.96，在Deepawali日之后逐渐上升(图6)。

表4:迪帕瓦里节日周OC、EC和TC浓度

相关性

表5显示了气溶胶样品中各种化学物质之间的皮尔逊相关系数。PM₁₀与OC (r=0.77)、EC (r=0.85)和S (r=0.85)有很强的相关性，这充分证明了在Deepawali庆祝活动中烟花的排放是合理的，因为木炭和硫在鞭炮中被用作燃料和还原剂。在迪帕瓦里节周，K与Al (r=0.92)和S (r=0.83)以及Fe与Ca (r=0.94)的相关性非常强。在Deepawali上和Deepawali后烟花表演中观察到的典型烟花元素S、Al和K的浓度增强以及它们之间的相关性也证明了它们是由烟花表演发射的。

表5:相关矩阵不同化学物种之间

*。相关性在0.05水平显著(2尾)。
**。相关性在0.01级（2羽尾）显着。

形态特征

对所选样品的形貌分析表明，在0.2 μm至11.48 μm的颗粒中，与尘埃颗粒相似的不规则颗粒占主导地位。大多数粒子被观察到是各种化合物的聚集物，这可能是由于i)气体对气溶胶粒子的转换ii)气溶胶是由蒸汽吸附到现有气溶胶上而形成的。气溶胶粒子的凝聚主要是由气溶胶中的碳质和水溶性成分促成的。³⁴图7显示了Deepawali期间气溶胶粒子相对于空白的形态。图7中光滑的球形颗粒显示了烟火活动产生的粉煤灰和气溶胶的存在。³⁵有些粒子是由蒸汽凝结而成的。气体到粒子的转换也会产生这样的粒子。³⁶此外，气体吸附到现有的气溶胶上导致了这种形状^．37

结论

这项研究强调:

1. 在迪帕瓦里，巨大的鞭炮燃烧和闪光导致了PM的积累₁₀在大气中以最大PM的短时间内₁₀在Deepawali的夜晚。

2. 点₁₀主要由K，Al，S，CL以降序为主，这具有高潜力，可以改变空气质量和人类健康。在Deepawali的烟花展示期间观察到Al，Ba，K，Mg，S和Ti等典型烟花元素的增强浓度，以及它们的相关性表明这些相关性在烟花显示期间贡献。

3. 在迪帕瓦里节之前，HgP的浓度往往会增加，尽管在迪帕瓦里节之后由于其化学成分而无法检测到，但它在大气中的存在会影响空气质量和人类健康。

4. 形态学研究显示不规则形状颗粒占优势。气溶胶的复合基质含有各种化合物的聚集体。

5. 结果显示，春节期间，由于燃放烟花爆竹，空气质量显著恶化，空气污染突然急剧增加。因此，暴露在由烟花造成的短期空气污染中，应关注对人体健康的不利影响。因此，我们在采取措施改善空气质素时，应认真考虑节日期间的特别活动。

致谢

作者谨对UGC-UPEII, DST-PURSE的资助表示感谢。作者还想感谢中央仪器设备研究所(CIF)、SES、尼赫鲁大学和新德里尼赫鲁大学先进仪器研究中心(AIRF)提供的分析援助。作者Anita Kumari也感谢CSIR颁发的Shyama Prasad Mukherjee奖学金。

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