1、北京特大沙尘暴颗粒的矿物质组成分析,北京大钢环境治理技术研究院内部学习资料,北京大钢环境治理技术研究院,主要内容,1,2,3,4,5,6,北京大钢环境治理技术研究院,沙尘暴研究的意义,由于春季西风及西北风的影响，来自亚洲地区干旱和半干旱区域的沙尘颗粒被不断地输送到亚洲大陆以外，到达太平洋中北部，有时甚至能到达北美大陆。据估计对流层中气溶胶颗粒接近50%是矿物颗粒，主要源自沙漠及其周边地区。尤其是被特大沙尘暴直接搬运的矿物气溶胶能够在全球对流层大气中存在，并对全球的环境和气候有非常重要的影响。另外，对气溶胶矿物组分的鉴别可以确定它们的来源。春季3月和4月的中国北方会发生沙尘天气，这些沙尘暴天气给
2、当地和广大地区工农业生产、交通运输、空气治理和人民日常生活都带来了极大危害。沙尘暴不仅含有人为源直接排放的大量一次污染物，而且还有一定量的二次形成的硫酸盐和有机物气溶胶。目前对大气气溶胶中矿物颗粒的矿物学认识水平还非常低，提高气溶胶认知是大气科学家非常重要一项工作。通过研究沙尘暴分析沙尘暴中沙尘颗粒的矿物学特性,北京大钢环境治理技术研究院,气流轨迹图及PM10治理浓度变化,2002年03月20日的沙尘暴为多年罕见的特大沙尘暴天气, 当时中国北方绝大部分地区都受到了沙尘暴的袭击, 北京也遭受到严重的危害, 这次特大沙尘暴对日本和韩国也造成了影响. 根据卫星云图动态资料和场流分析, 可以看出此次沙
3、尘过程是由多次极强冷空气陆续侵袭形成。“2002-03-20”特大沙尘暴主要发生在3 月20 日10:0014:30 左右, 期间采样点风速保持在8 m/s 左右,风向为西风, 平均温度为 10, 平均湿度为 32%, 能见度不及200 m(表1). 在3 月20 日10:003 月23 日10:00 期间, PM10 质量浓度最高可达3339.44 g/m3,最低浓度也在741.07 g/m3, 平均为1675.88 g/m3,是国家空气质量二级标准的10 倍多(表1). 北京市环境监测中心的数据也表明3 月20 日21:003 月21 日2:00, PM10 的浓度超过1000 g/m3.
4、 可见沙尘暴对北京市的空气质量造成了十分不利的影响.,北京大钢环境治理技术研究院,气流轨迹图及PM10治理浓度变化,地面监测的风速和利用风玫瑰图显示的资料相近, 风向主要集中在西北方向(图1(a),最大风速在710 m/s 之间. 从沙尘移动的反向轨迹图(图1(b)可以看出, 此次沙尘主要是受西伯利亚冷空气的影响,反向轨迹图还显示出在接受源50 m 高度的沙尘粒子,来自于内蒙古的1500 m 高空, 这说明可能是冷空气前峰经过内蒙古时把经长距离传送的沙尘再一次输送至北京.,北京大钢环境治理技术研究院,气流轨迹图及PM10治理浓度变化,北京大钢环境治理技术研究院,矿物颗粒的粒度分布,从样品的FE
5、SEM 图像看, 沙尘暴期间(3 月20日14:2015:50)采集的PM10 样品中的颗粒物几乎全由矿物颗粒组成(图2(a), 而沙尘暴过后(3 月21 8:1010:10)采集的样品中除了矿物颗粒外, 还可见到一定量的烟尘和飞灰(图3(a). 这两个样品的粒度分析结果分别见图2(b)和3(b).,北京大钢环境治理技术研究院,矿物颗粒的粒度分布,北京大钢环境治理技术研究院,XRD半定量分析,XRD 是物相分析的最主要手段之一, 它依据样品晶体结构数据(一般是晶面间距数据)不仅能对样品矿物组成进行定性鉴定, 还能进行定量分析. 对在本次沙尘暴期间用大流量TSP-PM10 采样器采集(2002年
6、3 月20 日10:0022:00)的PM10 样品中的矿物组分进行了XRD 半定量分析(图4 和5). 结果显示, 沙尘暴样品中黏土矿物和石英含量最高, 分别达40.3%和19.5%, 其次是方解石(7.5%)、斜长石(8.4%)和钾长石(1.5%), 另外还含有痕量的赤铁矿、黄铁矿、角闪石和石膏等矿物类型, 其总含量估计在2.4%. 此外, 样品中还有相当量的非晶质(可能为有机质、极少量的玻璃纤维和地壳中一些非晶质矿物等), 含量达20.1%. 同时对用离心分离出的黏土组分, 通过自然定向片、乙二醇饱和片以及(55010)加热片等三种处理片分别进行XRD 分析, 可以得出此次沙尘暴样品中的
7、不同种类的黏土矿物的相对百分含量分别为:伊利石/蒙脱石混层矿物78%、伊利石9%、高岭石6%、绿泥石7%。,北京大钢环境治理技术研究院,XRD半定量分析,北京大钢环境治理技术研究院,XRD半定量分析,表2 中列出了“2002-03-20”特大沙尘暴样品采集过程中的样品信息和单颗粒分析的结果. 本研究共分析了301 个单矿物颗粒. 从单颗粒矿物分析结果看,这次特大沙尘暴期间的矿物颗粒样品中以黏土矿物为主, 占统计矿物总数的59.14%(数量百分比, 下同),在黏土矿物中又以伊/蒙混层矿物为主; 石英的比例为19.27%, 长石为6.98%, 方解石为5.32%, 不易鉴定的混合颗粒为2.33%,
8、 除此之外, 在这次沙尘暴样品中, 检测出了白云石、黄铁矿、盐类矿物芒硝、重矿物金红石、钛铁矿和磷灰石等少量的矿物质. 这些颗粒都是地质历史时期形成的地壳颗粒. 而在前期研究的北京市一年四季的PM10 样品中还检测出一些通过大气化学反应生成的颗粒, 如(NH4)SO4 和NH4Cl 等17. 这些二次颗粒的大气寿命不长, 并且随着大气中温度、湿度、释放源和阳光辐射等条件的变化而发生成分或物相的转化. 在研究这些二次颗粒物在大气中的作用及特性时, 沙尘暴期间的大气单颗粒物的化学成分和特征可以用作很好的参照对比物.,北京大钢环境治理技术研究院,XRD半定量分析,北京大钢环境治理技术研究院,特大沙尘
9、暴期间研究结果对比,Shi 等对“2000-04-06”特大沙尘暴中的矿物进行了XRD分析并分离出PM10 颗粒, 在PM10 中, 黏土矿物和石英的含量分别高达39.0%和20.7%, 其他矿物的含量分别是: 方解石9.1%、斜长石7.8%、黄铁矿1.0%、钾长石2.1%、角闪石0.3%. 从矿物组合分析, “2002-03-20”沙尘暴和“2000-04-06”沙尘暴的矿物组成十分相似, 都是以黏土矿物和石英为主, 其他常见矿物还有长石和方解石等. 但是仔细比较这两次沙尘暴的矿物组成发现, 痕量矿物的含量有一定差别, 如“2002-03-20”沙尘暴样品中存在痕量石膏,而在“2000-04
10、-06”沙尘暴样品中并没有发现石膏; 黄铁矿在“2002-03-20”沙尘暴样品中的含量仅为0.9%左右, 而在“2000-04-06”沙尘暴样品中则达到3.5%,这些细微的差别可能反映出这两次沙尘暴的源区和传输路径存在差异. 结合图1(a)的沙尘输送的反向轨迹计算结果, 本次沙尘暴沙尘粒子来自于内蒙古高空, 但是对于来自沙尘暴源区沙尘粒子的矿物特性可参考的资料很少见到. 因此, 在将来的研究中除了对主要矿物组分进行对比外, 还应注意对黏土矿物类型及痕量矿物的识别和对比.,北京大钢环境治理技术研究院,特大沙尘暴期间研究结果对比,前人对非洲撒哈拉大沙漠的沙尘颗粒矿物学进行过研究. 由红雨(red
11、 rains)传送到西班牙的非洲沙尘, 主要包含伊利石、石英、蒙脱石、坡缕石、高岭石、方解石、白云石和长石, 丰度依次减少.Caquineau 等利用沙尘中伊利石/高岭石的比值能很好地示踪撒哈拉沙漠沙尘羽三个不同的源区: 荒漠草原(西非)、撒哈拉沙漠南部和中部以及撒哈拉沙漠的北部与西部. 伊利石/高岭石的比值从南到北增加, 它在长距离传送中不会发生变化, 能够指示沙尘源区. 伊利石/高岭土比值的纬度变化与海洋沉积物中的黏土矿物的纬度变化一致. 以上研究表明亚洲沙尘暴和非洲撒哈拉大沙漠的沙尘羽中沙尘颗粒的矿物类型相似, 但是黏土矿物组成有很大的差别,前者以伊利石和蒙脱石混层为主, 后者以伊利石为
12、主. 但是由于亚洲沙尘暴从源区到大陆外要经过相当长的内陆路径, 这在某种程度上加大了沙尘矿物学研究的难度.,北京大钢环境治理技术研究院,结论,1、根据FESEM 分析及图像处理, 沙尘暴期间采集的样品在数量上主要以矿物颗粒为主(94%), 大于1m 的颗粒占颗粒总数的46.2%. 而沙尘暴过后, 矿物颗粒下降到65%, 烟尘颗粒则有大幅度上升, 大于1 m 的矿物颗粒的比例下降到15.0%.2、XRD 分析结果表明, 沙尘暴颗粒物中黏土矿物的含量最高, 达40.3%, 其次为非晶质(可能为有机质、极少量的玻璃纤维和地壳中一些非晶质矿物等),含量20.1%, 其次为石英, 含量达19.5%. 还
13、有一些其他矿物颗粒如方解石、斜长石钾长石、赤铁矿、黄铁矿、角闪石和石膏, 其含量都小于10%. 黏土矿物中以伊利石/蒙脱石混层为主, 另有少量伊利石、高岭石、绿泥石.3、从单颗粒分析结果看, 在沙尘暴颗粒中, 黏土矿物占59.14%, 黏土矿物中以伊利石和蒙脱石混层矿物为主. 石英含量为约19.27%, 方解石为5.32%, 此外, 在沙尘暴颗粒中还检测出痕量的白云石、黄铁矿、盐类矿物芒硝、重矿物、金红石、钛铁矿和磷灰石等, 以及约2.33%的其他矿物.4、比较“2002-03-20”和“2000-04-06”两次沙尘暴颗粒物的矿物组成发现, 两者的主要矿物组成十分相似但是痕量矿物含量有些差别: 如前者中存在石膏,而在后者中并没有发现石膏的存在; 前者中黄铁矿的含量仅为0.9%左右, 而在后者中则达到3.5%.5、亚洲沙尘暴和非洲撒哈拉大沙漠沙尘羽颗粒物的矿物类型相似, 但是黏土矿物组成有很大的差别,前者以伊利石/蒙脱石混层为主, 后者以伊利石为主.,北京大钢环境治理技术研究院,以上数据及结论参考李卫军，邵龙义雾霾和沙尘污染天气气溶胶单颗粒研究,北京大钢环境治理技术研究院,Thanks!,
