空气冷凝水与降雨的化学成份和大气环境质量的关系

  摘要  探讨了家用除湿机作为空气水溶性物质采集器的可行性。通过离子色谱仪等对冷凝水与降雨中化学成份进行分析，探索了空气冷凝水与大气环境质量之间的关系，并考察了降雨前后空气冷凝水中可溶性化学成份的变化。结果发现，空气冷凝水与降雨的化学成份显著相关，冷凝水中大部分阴阳离子的含量只比雨水低1个数量级。空气冷凝水的化学成份在不同的环境功能区其浓度存在显著差异。 
    关键词：空气冷凝水  降水  空气污染  家用除湿机
 
1 前言
近年来对于雾水的研究，G内外已有不少研究报导^[1,2]。结果表明，雾水化学组成与局地空气中的物质即与局地空气环境质量密切相关。雾由水汽生，水汽是雾水的前体物，是雾水聚合物的单体。雾的形成需要特定的环境条件，而水汽则不需要特定条件，因此研究水汽的采样、空气冷凝水中可溶性化学成份与大气环境质量的关系很重要。降雨中的化学组成可以反映大气环境质量，而水汽冷凝水与降水之间具有相似的物理化学性状，因此选择低空水汽化学组成与降水化学组成进行相关比较，可以探讨它们之间的联系，进一步则可以探讨与环境质量的关系。
在酸雨成因的研究中，有报导用冰冷法采集空气冷凝水^〔3〕。但该方法采样量小，需要长时间采样才能满足分析方法的灵敏度要求，同时也无法计量采气体积。本文提出了利用家用除湿机作为空气可溶性物质的采样器这样一个既简便又适用的采集空气冷凝水的方法。
 
2 研究分析方法
2.1 采样
在广东省中山市中心城区采集冷凝水和降水。1组样品由同一地点的雨前、雨中和雨水3种样品组成。
降水的采样与样品处理：刚刚下雨时，将一个清洁过的聚乙烯塑料盆放在约1m高的木架上，盛集一次降水全过程的雨样。
与降雨比较的低空水汽的采样与样品处理：于降雨采样点处，将除湿机置于1m高的木凳上，使进气口也在1m的高度内，在除湿机正上方撑开一扇直径3m的大阳伞，以遮挡阳光直射、降尘和降雨。
在降雨前3h内收集1个水汽样品，在降雨全过程中收集1个水汽样品。
将收集的水汽冷凝水与雨水分别倒入洁净的、垫有0.45um 的混合纤维素微孔滤膜的3G沙芯玻璃漏斗中过滤，装入300mL市售纯净水新鲜塑料空瓶中，贴好标签，于0～8℃冷柜中保存待测定。
2.2 分析项目与设备
    F^－、Cl^－、NO₂^－、NO₃^－、SO₄^2－、Na^＋、NH₄^＋、K^＋、Ca^2＋、Mg^2＋ 10种阴阳离子，761 compact型离子色谱仪(瑞士万通公司)。
pH，pHS-3D型酸度计(成都仪器厂)。
电导率，DDS-11A型电导率仪(上海雷磁仪器厂)。
 
3 检测结果
对8组雨前水汽、雨中水汽和雨水样品进行分析，结果见表1。
 
表1雨前水汽、雨中水汽、雨水样品中常见离子的平均值及其相关系数

项目类别	项目名称	雨前水汽		雨中水汽	雨水
导电量	电导 率 (µs/cm )	34.2		28.5	123.0
阴离子 （mg/L）	F－	0.0278		0.0648	1.00
	Cl－	0.0731		0.0545	4.03
	NO2－	0.398		0.473	0.0374
	NO3－	0.377		0.184	10.6
	SO42－	3.13		2.77	23.6
阳离子 （mg/L）	Na＋	0.0419		0.033	1.33
	NH4＋	1.74		1.60	4.76
	K＋#p#分页标题#e#	0.00914		0.00850	1.05
	Ca2＋	0.208		0.106	4.60
	Mg2＋	0.0179		0.011	0.263
含酸量	H＋	0.0197		0.0132	0.0713
相关系数 γ12	γS-J  = 0.993；  A = 2.66 ；   B = 3.54 ;
	γJ-Y  = 0.992；  A = 2.56；    B = 4.25
	γS-Y  = 0.9999； A = 0.0240；  B = 0.833
相关系数γ显著性临界值			γ0.05,12－2 = 0.576

 
分别在广东省中山市的市区、交通道路、工业区、农村、自然风景区等不同大气环境功能区中，用家用除湿机采集空气冷凝水样品，每个地点平行取2个样品，分析结果见表2。
 
表2  不同大气环境功能区水汽样品中常见离子的平均值（mg/L）

项目类别	项目名称	城区	交通道路	工业区	农村	风景区
阴离子	F－	0.109	0.0345	0.0425	0.032	0.0253
	Cl－	0.224	0.304	0.248	0.595	0.168
	NO2－	0.316	0.573	0.327	0.103	0.170
	NO3－	0.788	0.392	0.404	0.815	0.319
	SO42－	6.98	2.94	5.77	3.66	1.57
阳离子	Na＋	0.0498	0.0915	0.060	0.113	0.048
	NH4＋	1.35	0.677	0.746	0.711	0.371
	K＋	0.0227	0.032	0.053	0.018	0.0427
	Ca2＋	0.266	0.396	0.506	0.143	0.157
	Mg2＋	0.017	0.024	0.023	0.023	0.013

 
于20：00**第2天早晨8：00，在广东省中山市的城区采样点采集夜间水汽样品，并于第2天早晨8：30**第2天20：30采集白天水汽样品，采样时间12h，分析结果见表3。#p#分页标题#e#
 
表3 夜间与白天城区水汽样品中常见离子的平均值（mg/L）¹⁾

项目类别	项目名称	夜间	白天
阴离子	F－	0.255	0.117
	Cl－	0.088	0.235
	NO2－	0.074	0.214
	NO3－	0.962	0.763
	SO42－	12.7	6.86
阳离子	Na＋	0.030	0.036
	NH4＋	1.51	1.19
	K＋	0.032	0.024
	Ca2＋	0.331	0.239
	Mg2＋	0.017	0.011

1)   气象条件：多云有阴，气温6～21℃，相对湿度60%～95%，东北风2级。
 
4 分析与讨论
    由表1可知，在同一地点、同一时间的雨前水汽、雨中水汽和雨水中，可溶性物质具有相似性，其化学组成及其含量具有同步变化的性质。雨前水汽、雨中水汽中的化学组成及其含量极其相似。
    10种阴阳离子质量浓度在水汽和降水样品的含量明显不同。雨前水汽中的阴离子排序是：SO₄^2－＞NO₂^－＞NO₃^－＞Cl^－＞F^－；雨水中的阴离子排序是：  SO₄^2－＞NO₃^－＞Cl^－＞F^－＞NO₂^－；雨前水汽中的阳离子排序是：NH₄^＋＞Ca^2＋＞Na^＋＞Mg^2＋＞K^＋；雨水中的阳离子排序是：  Ca^2＋＞NH₄^＋＞K^＋＞Na^＋＞Mg^2＋。
    降雨前后空气冷凝水中可溶性化学成份的对比发现，水汽中大部分阴阳离子的含量比雨水低1个数量级。
    降雨过程中的水汽冷凝水与降雨前相比，有些化学成分下降了，而有些化学成分则增加。这说明降雨过程对空气中污染物浓度的影响并非完全是雨水脱除过程，当高空雨水中含有污染物比较多时，也有可能有雨增作用。
    由表2可知，城区样品中检测出的总体离子浓度**高，而风景区的总体离子浓度**低，这与城区总体污染较大有关。例如，亚硝酸根浓度，城区与工业区的含量高于风景区，农村的含值**低，交通道路的含量**高。这可能与机动车排出的废气中含有氮氧化物，且亚硝酸根在大气中的停留时间短、容易被水吸收或转化有关。
    由表3可知，白天与夜间的样品中，各阴阳离子浓度的大小排序都有变化。氟离子与硫酸根，夜里样品的浓度比白天样品大1倍；亚硝酸根，白天样品的浓度比夜间样品大得多；硝酸根，则是夜间样品浓度高，这也说明亚硝酸根在大气中的停留时间短、容易被水吸收或转化。
 
5 结论
    空气冷凝水与降雨的化学成份显著相关，冷凝水中大部分阴阳离子的含量只比雨水低1个数量级。空气冷凝水的化学成份在不同的环境功能区其浓度存在显著差异。
 
6 结语
    分析检测的结果表明，空气冷凝水与雨水的化学成份二者具有极好的相关性，利用除湿机对空气冷凝水取样将不受气象条件等的影响。故将监测低空水汽物质的方法应用于大气环境监测，具有主动、及时、方便、快速、准确的特点，对促进大气气溶胶水溶性物质的研究、预测和预报空气环境质量、了解空气酸碱性、了解空气腐蚀、了解室内空气环境质量、空气污染的雨除效率、酸雨和环境酸化现象等都有着积极的意义。但空气冷凝水中的化学物质的浓度比较低，必须用精密的现代分析方法才能测定，同时也有可能因空白背景值或操作污染带来较大的分析误差，作为标准采样方法，还有许多待进一步完善之处。
 
7 参考文献#p#分页标题#e#
1 朱彬，黄玉生. 西双版纳城郊雾水化学组成分析.环境科学学报，2000，20(3)：316～321.
2李德,邵德民.上海雾天大气污染及雾水组分研究.上海环境科学，1999,18(3):117～120.
3 简新立.空气冷凝水的测定及意义.环境科学与技术，1995,(2)：25～29