乌鲁木齐市大气总悬浮颗粒物（TSP）中铅含量的测定

乌鲁木齐市大气总悬浮颗粒物（TSP）中铅含量的测定

加尼白克·阿不都瓦依提

新疆紫金黄金有限公司

摘要：本实验中测定乌鲁木齐市大气颗粒物TSP中铅的含量。采样点分别为新疆 师范大学本部（文教区），河滩高速公路（交通区），红山转盘（商业-交通混合 区）和卡子湾（工业区） 等。结果表明：各采样点大气颗粒物TSP质量浓度平均 值分别为，师范大学为401.2ug/m3,红山转盘为329ug/m3,河滩路为187.7ug/m3, 卡子湾为241.9ug/m3,可以看出除了河滩路，卡子湾在国家二级标准以内，其它 采样点TSP的质量浓度平均值超过了国家二级标准，说明在冬天采暖期乌鲁木齐 大气颗粒物TSP污染物是较严重的。通过微波消解法对样品进行消解处理后，原 子荧光光度法测定了样品中的铅浓度。实验结果表明：4个采样点大气颗粒物TSP 中铅的平均浓度分别依次为：师范大学为0.0687ug/m3，红山转盘为0.0213ug/m3， 河滩路为0.6871ug/m3，卡子湾为0.5875ug/m3。可以看出在测定期间4个采样点 中商业-交通混合区（红山）大气颗粒物TSP中铅的平均浓度较低，而交通区（河 滩路）大气颗粒物TSP中铅的平均浓度相对高。交通区（河滩路）大气颗粒物质 量浓度最低的河滩路样品中的铅含量最高，而颗粒物质量浓度最高的师范大学样 品中的铅含量较低，这证明大气颗粒物质量浓度高不一定其所含的重金属含量也高。回收率为92%-99%，说明测定误差在实验允许范围之内。

关键词：乌鲁木齐大气环境；总悬浮颗粒（TSP）；铅含量测定；微波消解；原

子荧法

4

1引言

1.1空气颗粒物的重金属污染

乌鲁木齐市也是我国城市之中冬季采暖期总悬浮颗粒物天气的城市之一，有 时候出现雾霾的天气。总悬浮颗粒物（TSP）是目前被污染城市空气质量的基本指标之一。并且TSP中的重金属污染是人们普遍关注的问题， 其中TSP中的重金 属铅，镉，砷，汞等元素对生态环境的污染非常严重。大气颗粒中颗粒物所含化

学化合物成分十分复杂。

1.2 铅的来源及危害

1.2.1 铅的来源

铅环境污染中主要污染来源是人为活动造成的次要是自然污染来源。

铅来源

工业铅污染：随着科技与工业化不断的发展，社会也迅速发展，形成城市化

从而导致日益严重的环境污染问题。工业产生过程中铅主要的污染金属冶炼， 化 工厂， 金属矿工业，采矿等， 这些污染通过废渣，废水， 废气等途径排入我们的

生活环境。

交通铅污染：汽车的汽油中含有铅是为了防爆剂。含铅汽油燃烧后汽车排放 尾气中含有一部分小量的铅。同时少部分含铅尾气自然降落到交通道路两旁或附近区域的地面上， 另一部分含铅小颗粒漂浮在空中。从而给人类的生活和健康带

来极大威胁。

生活铅污染： 日常生活中铅无处不在， 常用的是一些生活垃圾中铅含量比较高。例如： 废旧电池，学习工具，化妆品， 油漆， 照明灯， 装修品等垃圾，逐渐

堆放导致土壤，大气，水等都有存在铅污染。

农药，化肥的使用： 加入铅含量过高的重金属农药或者不适当的使用化肥都 会导致农作物和土壤中的重金属污染。有些灌溉地方，还应用工厂通过未处理的

废水进行浇灌，从而环境铅含量累积到一定程度会危害人类的身体健康。

1.2.2 铅元素的危害

生态环境中重金属铅在地表普遍存在，环境中的铅超出一定的范围对动植物  的生长发育带来危害。大气总悬浮颗粒中也存在组成复杂的化合物和重金属元素。铅是一种有毒的重金属元素， 它在人体内的含量超出对人体健康带来危害。在人  的神经系统有毒性作用。会导致人体系统缺血，头痛、疲倦等生理失衡的症状，

严重是人会死亡的。尤其是处于生长发育阶段的小孩被铅受到危害很严重。

1.3 总悬浮颗粒物（TSP）

总悬浮颗粒物（Total Suspended Particulates或TSP)是目前大气质量评 价中的一个通用的重要污染指标。大气总悬浮微粒即TSP指能悬浮在空气中， 空 气动力学当量直径≤100um的固态或液态颗粒物[1]，大气颗粒粒径范围0.1～100 um的污染物，见图1-1中d表示颗粒物空气动力学直径。

大气颗粒物

总悬浮颗粒物TSP(d≤100um)

图1-1空气中颗粒物的分类

空气中的TSP主要来自冬季采暖期燃煤燃烧时候产生的烟尘、工业生产的灰 尘与废气、车辆排放的尾气、建筑物灰土、刮风带来的扬尘等等。这些颗粒物中 有SO2，NOX，COX 等气溶胶中重金属都混合存在总悬浮颗粒与可吸入颗粒中。 在

大气环境中总悬浮颗粒直径的大小与化学组分直接影响人体健康。

2实验部分

2.1 实验用药品及仪器

主要实验药品如表 2-1 所示。

表 2-1 主要实验试剂及生产厂家

主要实验仪器如表 2-2 所示。

表 2-2实验仪器列表

除此之外：聚乙烯滤膜（24个，直径为8cm）；干燥器；干燥剂（变色硅胶）； 凡此林；镊子；滤膜保存纸盒；吸小球； 烧杯（100ml9个， 500ml2个）；容量 瓶（50ml15个， 100ml3个， 1000ml2个，500ml2个）；移液管0.5ml3个,1ml 3个,2ml 2个,5ml 3个,10ml 3个,；量筒（100ml2个,250ml1个,）

2 .2 空气中 TSP 的采集

2.2.1 粉尘采样工作原理

是一定体积的空气恒速通过已知质量的滤膜时，悬浮于空气中的颗粒物被阻 留在滤膜上， 根据滤膜增加的质量和通过滤膜的空气体积， 确定空气中总悬浮颗 粒物的质量浓度， 并可用于测定颗粒物中的金属、无机盐及有机污染物等组分[2]。

用重量法测定TSP，根据采样前后滤膜质量之差及采样体积，可以计算总悬

浮颗粒质量浓度。

总悬浮颗粒下式计算[3]

ρ=×1000式(2-1)

式中： ρ−总悬浮颗粒物质量浓度，mg/m3；

w2- 采样后滤膜质量，g；

w1- 采样前滤膜质量，g；

V- 一换算成标准状态（101.325kpa，273K），下的采样体积，m3。

2.2.2 样品采集地点及时间

本实验针对乌鲁木齐市设有4个具有代表性的区域为空气采样点。分别为新 疆师范大学本部（文教区），河滩高速公路（交通区），红山转盘（商业交通混合

区）和卡子湾（工业区）等区域进行空气中TSP的采样。

采样时间的确定， 采样的最佳时间为乌鲁木齐市冬季采暖期。各个区域的空气中TSP进行三次采样，每个样品采集时间设定100min最好的。

TSP空气采样器,监测高度与地面距离1.5m，样品采样时TSP空气采样器周 围要没有障碍物，处于敞开环境，对于湿度、温度，风速等监测条件的控制,尽量选择没有降雪与没有过高的风速天气条件会影响TSP的采集，如果有降水或风 速也过大的天气停止空气采样。 将已称重的滤膜放入干燥纸盒内带到采样地点，

一个是空白滤膜，另一个样品滤膜把样品滤膜夹在切割器进行采样。

图2-1 TSP综合采样器

TSP综合采样器采集环境空气粉尘采样的同时，可以测出对实时的气象参数 进行测定。包括：气体流量， 累计，实体，标体，计温，计压，时间等气象数据， TSP综合采样器自动测定到显示页面，把全部相关气象参数笔记下来。

2.2.3 样品的保存

干燥器使用前把干燥器与盖子宽边涂一层凡此林，然后装干燥剂（变色硅胶）

隔板上面放到过氯乙烯滤膜。

采集滤膜用镊子取出来立即折叠后放入滤膜保存的干燥纸盒内。此过程中避 免滤膜上的TSP丢失， 滤膜变形等，把样品带到实验室， 不要马上称重，在4℃

条件下干燥器中冷处保存24h。

2.2.4 TSP 质量浓度

已称重的滤膜前后质量和采样标体等相关数据，利用公式（2-1） 计算出乌鲁木齐市4个采样点大气颗粒物TSP质量浓度表2-3所示。

表2-3 各个采样点大气颗粒物TSP的采样参数和质量浓度

表2-3可知，个采样点大气颗粒物中TSP质量浓度平均值范围在0.4012mg/m3

到0.1877 mg/m3之间。

2.3 试剂的配制

1.0.1ug/mL 铅标准使用液：取1ml 浓度为 1000ug/ml 铅国家标准储备液 (GSBG32071-90)08051437，稀释定容到100ml的容量瓶中， 再吸取1ml此溶液继 续稀释到100ml容量瓶中， 最终用去离子水定容，就得到0.1ug/ml铅标准使用 液。

2.载流液盐酸:使用5%稀盐酸； 浓盐酸（HCI） 优级纯 配置。取50ml浓盐

酸用去离子水定容到1000ml的容量瓶中。

3.还原溶液的配置:将 2%(w/v)硼氢化钾溶解于 1%(w/v)氢氧化钾溶液后定 容。称量 4g氢氧化钾试剂溶解于 400ml 的去离子水中,称量 8g 硼氢化钾溶解

于氢氧化钾的碱性溶液中。

5.2%稀盐酸溶液：用盐酸（HCl）=36%-38% 优级纯 盐酸配置； 取 20ml浓

盐酸,定容于 1000ml的容量瓶中。

6.1%的硝酸溶液：用硝酸p（HNO3）=1.42g/L 优级纯 硝酸配置。取5ml优 级纯硝酸定容于500ml的容量瓶中。

7.1:1硝酸溶液：用 p（HNO3）=1.42g/L 优级纯 硝酸配置。取250ml优

级纯硝酸定容于500ml容量瓶中。

8.10％铁氰化钾+2％草酸溶液： 10%（w/v）铁氰化钾溶解于  2%(w/v)草 酸溶液中。称量 4g 草酸试剂溶解于 200ml的去离子水中称量 20g铁氰化钾溶

解于草酸溶液中,溶解的过程中由于时间较长,可采用微热溶解。

2.4 样品的消解

2.4.1 微波消解原理

微波是频率约在300MHz一300GHz的电磁波， 它可以穿透绝缘体介质， 直接 把能量辐射到有电介特性的物质上，在酸性条件下， 通过电介特性物质对微波的 吸收（偶极转动，电子和离子的迁移等） 增进化学反应，提高反应物浓度，激发 分子高速度转动和振动， 使之处于反映的准备状态或亚稳态， 速进一步电离或氧 化还原反应，从而保证样品完全溶解，形成可溶性盐[4]。

2.4.2 样品的预处理及方法

根据文献[5]样品预处理，用专用剪刀剪碎聚乙烯滤膜4/1部分， 取试样滤膜 放入微波消解罐中，加入硝酸（1：1)ρ=1.42g/ml 5ml , 30%过氧化氢 2ml,其中零消解罐中放入滤膜质量比其它滤膜质量要重，加入溶液比剩余消解罐溶液多加1ml硝酸（1：1)ρ=1.42g/ml。在微波消解中进行消解，消解结束后冷却一段 时间， 用 1%硝酸进行多次冲洗消解罐，用电炉子加热， 经赶酸至1-2ml左右停 止加热， 冷却后进行真空抽滤， 转至50ml容量瓶， 用2%稀盐酸定容，为试样溶

液，空白样品的消解方法跟样品消解一样。表2-4所示微波消解仪的消解条件。

表2-4 微波消解各项控制参数

消解方法分为电热板消解和微波消解， 本实验使用微波消解方法。如图 2-1 所示,选用微波消解法进行样品的前处理,微波消解是在密闭的容器内进行消解 的,减小了尾气泄露而带来的环境污染和改善了实验人员的工作环境[6]。

微波消解仪的构造在图2-2所示：

2.4.3 标准系列的制备

标准系列的配制：用0.1ug/ml铅标准使用液按表2-5配制。

表2-5 配制标准系列

代表消解

罐

微波墙

转盘

消解罐

图2-2微波高压消解仪器

2.4.4 仪器的条件设定

空芯阴极灯主电流：80mA；

光电倍增管负高压：280V；

原子化器高度：8mm；

载气流量：300ml/min；

氩气压力：0.3Mpa；只有压力在 0.2Mpa以上的时候仪器运行才能稳定。

读数延迟时间：1s；

读数时间：10s；

注入量：0.5mL；

载流：5%的稀盐酸(浓度不易过高)；

原子化器温度：20℃;

室内温度: 实验室的温度在22℃左右。

2.4.5 实验过程中的注意事项

1.对污染的控制,氢化物发生原子荧光法仪器测定的过程中,对于二次污染

的控制是十分必要的。测量结束后,需要用去离子水进样 15min 左右清洗仪器。

2.铅的测定时,注意排出废液的 PH 值得最好在 8—9 之间,如果不在,则通过进药口的氢氧化钠(氢氧化钾)或者硼酸钾调节 PH 值,重新配置还原剂。

3.原子荧光光谱仪对仪器的条件要求较高,每次必须开机预热, 测定结束后

要清洗仪器15min。

4.每次仪器在开始之前,确定元素灯是否正确,若不是待测元素,需要在关闭电源的状态下要换。

5.仪器的运行过程中,减少对电脑软件进行操作。

6.标准系列和所用的还原剂硼氢化钾的配置应现用现配,标准储备液应定期更换。

7. 代表微波消解罐中要放入滤膜质量比其它滤膜质量要重，加入溶液比其

它消解罐溶液多加1ml硝酸（1:1)ρ=1.42g/ml。

8. 微波消解罐每次使用之前用5%硝酸溶液浸泡，此外的容量瓶，烧杯， 移 液管等仪器加入 5%硝酸溶液浸泡(放置过夜) 用蒸馏水和去离子水冲洗多次然

后使用。

2.5 样品测定

2.5.1 原子荧光原理

原子荧光是源自蒸汽受具有特长波长的光源照射后，其中一些自由被激发跃 迁到较高能态， 然后去活化回到某一较低能态（基态），而发射出特征光谱的物 理现象。各种元素都有其特定的原子荧光光谱， 根据原子荧光强度的高低可测得 试样中待测元素的含量[7]。

根据所测的荧光值， 由线性回归方程计算出试样和空白试样中铅的质量浓度，并由公式计算[8]。

环境空气中铅的质量浓度(μg/m 3 ）

P(pb)=(0  × 式(2-2)

式中：ρ(Pb)——环境空气中铅的质量浓度，μg/m 3 ；

ρ1 ——试样中铅的质量浓度，μg/L；

ρ0 ——空白试样中铅质量浓度的平均值，μg/L；

50——试样溶液体积，mL；

Sn——样品滤膜总面积，cm2 ；

St——测定时所取样品滤膜面积，cm2；

2.5.2 铅标准曲线

用双道原子荧光光度计来测定铅标准系列就得到铅标准溶液荧光值和浓度

之间的关系曲线。图 2-3 所示，测出的铅标准曲线，就得到荧光值 y 对浓度 x

之间的线性回归方程,线性回归方程为 y= 41.6236*ⅹ+22.2856，相关系数 R2= 0.9968。本实验用铅标准曲线达到要求的条件下进行样品总悬浮颗粒物中铅浓度的测定。

图2-3 标准曲线

2.5.3样品测定及质量浓度

由图2-3铅标准曲线达到样品中铅浓度测定要求， 同时此条件继续进行测出

样品荧光值和浓度。

注意：测出标准曲线后保持仪器的稳定与正常工作， 仪器不要重新关闭或启 动。

本实验用原子荧光光度计测出颗粒物中铅浓度和荧光值的有关数据，还有利

用公式（2-2）计算出总悬浮颗粒物中铅含量，相关的数据结果表2-6所示。

表2-6 大气颗粒物TSP中铅浓度结果

表2-6可知， 个采样点大气颗粒物TSP中铅平均质量浓度范围是0.6871ug/m3到0.0213ug/m3之间。河滩路和卡子大气颗粒物TSP

中铅浓度测定时铅浓度与荧光值超过标准曲线范围所以把样品稀释10倍进行测定。

2.6 加标回收实验

2.6.1 加标回收率的作用

加标回收率的测定是实验室常用的确定准确度的方法之一,也是分析人员在样 品测定时,作为质量控制的主要方法。加标回收率的大小不仅反应了分析人员

的操作技术水平,更重要的是它反应了分析方法是否适合被测水体,帮助分析人员及时地发现分析中存在的问题,确保分析数据准确、可靠。因此,分析人员在常规监测中应加强加标回收率的测定[9]。

2.6.2 加标回收率的含义

加标回收率就是在测定样品的同时,于一样品的子样中加入一定量的标准物

质进行测定,将其测定结果扣除样品的测定值,而得到加入标准物质的回收率。

其计算公式为:（2-3）

加标试样测定值− 试样测定值

加标量

R -回收率,%；

2.6.3 回收实验标准系列配置及工作曲线

AFS-830 双道原子荧光光度计很不稳定所以每次测定样品之前要做标准曲线，仪器到达稳定的工作状态测出标准曲线条件下继续测样品。回收实验标准系 列的配制按表2-5配制。用双道原子荧光光度计测出铅标准曲线图2-4所示，跟

样品标准曲线测定步骤一样，此标准曲线可以达到继续测定样品和加标样品的要

求。

图2-4 标准曲线

2.6．4 样品与加标样品的测定

此条件下， 继续测出总悬浮颗粒物和加标样， 得到相应的荧光值和浓度数据

表2-7所示。

表2-7回收实验测定数据

3 结果与讨论

4个采样点大气中总悬浮颗粒物（TSP）质量平均浓度在表3-1所示。 表3-1 各个采样地点TSP平均质量浓度

4个采样点总悬浮颗粒物的比较在图3-1所示。

图3-1各个采样地点大气TSP平均浓度的比较

图3-1可知,新疆师范大学（文教区）比其它采样点大气中总悬浮颗粒物质

量浓度最高。

主要的原因是：乌鲁木齐冬季比较长，采暖期从10月15 日到4月15 日， 空气污染物主要来自采暖期燃料的燃烧。由于冬季采暖时间长，天气寒冷， 燃煤 量高，城市化与工业化严重，最主要的特殊的地理位置和气象因素，上面的表 2-3可以看出尤其是2014年 12月 18 日在从新疆师范大学采集的样品质量年度 最高， 主要原因当天乌鲁木齐空气重度污染，空气中颗粒物浓度高。根据”大气

环境质量标准”中规定大气颗粒物TSP的24小时平均值的二级标准为300ug/m3。

12

本实验采样区域属于二类区。所以按国家“大气环境质量标准”中规定二级标准 比较。表3-1可以看出师范大学和红山转盘测定之间超过了国家二级标准，测定 期间空气中的TSP污染严重。

上面的表2-6可以看出大气TSP中铅平均浓度的数据结果可以做出大气颗粒

物TSP中铅平均浓度与采样地点的的分析表3-2所示。

表3-2大气颗粒物TSP中铅平均浓度

4个采样点总悬浮颗粒物中铅含量的比较在图3-2所示。

图3-2 不同采样点大气颗粒物TSP中铅含量的比较

图3-2看出， 4个采样地点中河滩路大气颗粒物TSP 中铅的平均浓度最高， 红山转盘最低。说明乌鲁木齐大气总悬浮颗粒物TSP中的铅污染不是很严重。河 滩路和卡子湾的数据相对较高的事实说明乌鲁木齐大气 TSP中的铅的主要来源

是汽车尾气和工业污染。

本研究中大气总悬浮颗粒物中铅浓度污染，并不代表乌鲁木齐市这区域全部 冬季采暖期的铅污染级别程度，因为本实验采样冬季采暖期的任何好几天的大气

总悬浮颗粒物，这些区域某个时间内可能存在铅污染的危害。

本实验要准确的检验本方法测定乌鲁木齐市4个采样点TSP中的铅含量的精 密度和准确度。用3个区域的样品滤膜做加标回收的实验， 表2-7所示数据和公

式（2-3）计算出表3-3所示的结果。

表3-3加标测定结果             

地点

试 样测定值 （ug/ml)

加标试样测定值（ug/ml)

实际标准浓度值（ug/ml)

回收率

（%）

本研究的回收实验可以确定该方法回收率为 92%-99%,回收效果良好,满足 大气总悬浮颗粒物中铅含量测定的要求。

4.结论

本研究中测定乌鲁木齐市大气颗粒物TSP中铅含量的测定。针对乌鲁木齐采  暖期期间2014年12月-2015年3月，在乌鲁木齐市选取4个具有代表性的区域  设定采样点，分别为新疆师范大学本部（文教区），河滩高速公路（交通区），红  山转盘（商业-交通混合区） 和卡子湾（工业区） 等。每个采样点采集3个样品，  总共收集12个大气总悬浮颗粒物样品，并对4个采样点的TSP质量进行计算分  析。结果表明： 各采样点大气颗粒物 TSP 质量浓度平均值分别为， 师范大学为401.2ug/m3,红山转盘为329ug/m3,河滩路为187.7ug/m3,卡子湾为241.9ug/m3,4  个采样点的总平均值为 289.95ug/m3。根据“大气环境质量标准”中规定大气颗  粒物TSP的24小时平均值的二级标准为300ug/m3。本实验采样区域属于二类区  所以按国家“大气环境质量标准”中规定二级标准比较。可以看出除了河滩路， 卡子湾和4个采样点总平均值在国家二级标准以内，其它采样点TSP的质量浓度  平均值超过了国家二级标准，说明在冬天采暖期乌鲁木齐大气颗粒物TSP污染物  是严重的。通过微波消解法对样品进行消解处理后，原子荧光光度法测定了样品  中的铅浓度。实验结果表明：各采样点大气颗粒物TSP 中铅的平均浓度分别是： 师范大学为0.0687ug/m3，红山转盘为0.0213ug/m3，河滩路为0.6871ug/m3，卡  子湾为0.5875ug/m3。可以看出在测定期间4个采样点中商业-交通混合区（红山） 大气颗粒物TSP中铅的平均浓度最低，交通区（河滩路） 大气颗粒物TSP中铅的  平均浓度较高。说明乌鲁木齐大气颗粒物中铅污染的主要来源是汽车尾气和工业废气。从实验结果还可以看出， 颗粒物质量浓度最低的河滩路样品中的铅含量最  高，而颗粒物质量浓度最高的师范大学样品中的铅含量较低，这证明大气颗粒物  质量浓度高不一定其所含的重金属含量也高，也就是说大气颗粒物质量浓度和其  所含的重金属含量不是正比关系。为证明测定方法的准确度对铅含量较高的河滩路和卡子湾样品做了加标回收实验，回收率为92%-99%，说明测定误差在实验允  许范围之内，达到大气总悬浮颗粒物中铅含量测定的要求。

参考文献：

[1] 奚旦立，孙裕生，刘秀英，大气中总悬浮颗粒物的测定[M]，环境监测，1994： 407—409。

[2] 岛崂山应技术研究所。崂山应2050型空气/智能TSP综合采样器使用说明书[P]。青岛 市：鲁制02000015号，2012.5。

[3] 境保护部，环境空气测定PM10和PM2.5测定重量法。[HJ618]，北京： 中国科学出版 社，2011。

[4] 桂云,冯丹，白昕。微波消解在样品前处理中的应用[J].哈尔滨市环境监测中心站，

2012.1 。

[5] 杰.微波消解-石墨炉原子吸收法在烟草重金属含量检测中的应用研究[D].西北农林科技大学,2008。

[6] 沈迪新,陈宏德,田群.我国汽车尾气污染,污染控制与对策[J]. 环境科学进，2009.3。

[7] 长棒， 唐小搁，周忻，黄昆仑。 AFS-830双道原子荧光光度计的使用经验及故障排除 [J]。北京：中国农业大学，2009，6。

[8] 保护部，环境空气铅的测定吸墨炉原子吸收分光光度法[HJ358]，北京：中国环境出版 社，2009。

[9] 成忠,毛丽芬，加标回收实验的实施及回收率计算的研究[J]，福建省三钢环境监测站， 2006.32。

[10]Stern O.Zur theorie der electrolytischen doppelschicht.Z Electrochem,

1924,132:508 516。