燃煤排放纳米颗粒物的表征及生物效应研究进展--以宣威煤燃烧排放大气颗粒物为例.pdf
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1、 1 燃煤排放纳米颗粒物的表征及生物效应研究进展1 以宣威煤燃烧排放大气颗粒物为例 刘品威 1, 彧刘丁 1,吕森林1*,郝晓洁1,张文超1, 张荣驰 1, 躍王青 2,王效举3,米持 真一3 (1.上海大学环境与化学工程学院,上海 201800;2.琦玉大学理工学研究科,日本琦玉樱区下大久 保 225;3.琦玉环境科学国际研究中心,日本琦玉骑西丁) 摘要:中国煤炭燃烧带来的环境污染问题依然异常严重。煤中的碳、氢、氧、氮、硫等元素在燃烧过程中能够生 成 SO2、NOx、CO2等气态污染物和二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙和未经燃烧的炭微粒等大量固态颗粒物。燃 煤排放的颗粒物不仅组分复杂,粒度分
2、布也呈多模态分布,最新的研究还发现燃煤排放颗粒物中有纳米粒径的颗 粒, 这些纳米物质包括碳纳米管、 硅铁纳米颗粒物及纳米有机颗粒物。 纳米颗粒物比细颗粒物有更大的比表面积, 能够吸附较多的有毒有害物质,对人体健康能够造成更大的危害,本文综述燃煤排放纳米颗粒的研究现状,并结 合本课题组的初步结果,对今后的相关研究给予展望。 关键词:燃煤排放污染物;纳米颗粒;有害化学元素 Physicochemical Characterization and Perspectives on the Studies of Nanoparticles Emitted from Coal Combustion Tak
3、e the Ambient Particles from Xuanwei Coal Ccombustion as an Example LIU Pinwei1, LIU Dingyu1, LV Senlin1*, HAO Xiaojie1, ZHANG Wenchao1, ZHANG Rongchi1, WANG Qingyue2, WANG Xiaoju3, YONMOCHI Shinich3 (1. School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 201800 ,China;2.
4、 Graduate School of Science and Technology, Saitama University, Saitama Sakura Okubo 225, Japan;3. Center for Environmental Science in Saitama, Saitama, Japan) Abstract: Air pollution caused by coal combustion in China is still serious. Carbon, Hydrogen, Oxygen, Nitrogen and Sulfur in coal can be fo
5、rmed into SO2、 NOx、 CO, and the other matters can be transfer into SiO2, Al2O3, CaO, etc. through coal combustion procedure. Composition of ambient particles emitted 基金项目基金项目:国家自然科学基金项目(41273127) ;上海市重点学科(S30109) 作者简介作者简介:刘品威,男,湖南武冈人,硕士研究生,主要研究方向为大气毒理学,E- mail:;吕森林(通 信作者),男,研究员,博士,主要研究方向为环境毒理学,E- ma
6、il: 2 from coal combustion is complex, and size distribution of these particles also has multi- model. The mostly recent nano particles from coal combustion were reported. These nano particles included carbon tubes, Fe- Si nano particles and organic nano particles. Considering nano particles having
7、higher surface areas compared with that of coarse particles, more toxics could be absorbed on the nano particles and therefore do great harm to human health. The newest reports on nano particles from coal combustion published in journal were summarized and prospectives on the related studies were pr
8、esented. Keywords: pollutants from coal combustion; nano particles; toxic elements 大气中的纳米颗粒(nanoparticles,NPs) 是指其空气动力学直径小于 100 nm 的颗粒物,也称为超细颗 粒物(ultrafine particles,UFPs)。纳米颗粒物是 PM10 和 PM2.5 (空气动力学直径分别小于 10 和 2.5 m 的颗 粒物)的重要组成部分,虽然仅占较小的质量份额,但在数量上占有绝对优势。研究表明,纳米颗粒物由于 微尺度效应、高比表面积和复杂的化学构成而与人体呼吸系统、心血管系统
9、疾病甚至死亡率之间存在十分 密切的相关性, 近年来引起学术界的关注, 并催生了纳米毒理学这一全新的交叉学科。 然而, 相对于 PM10 和 PM2.5 的物化特征和毒理学机制而已,人们对纳米颗粒物的认识还十分缺乏,尤其对特定污染源纳米颗 粒物的形成、排放特性及其潜在健康危害还知之甚少。煤炭燃烧是大气纳米颗粒物的重要来源之一,但是 迄今为止,相关研究仍不够充分,而中国当前关注的重点是 PM2.5,针对燃煤纳米颗粒物的认识就更加贫 乏。因此,结合本课题组对中国肺癌高发区宣威煤燃烧排放纳米颗粒物的初步研究结果,对燃煤排放纳米 颗粒物的研究现状进行综述。 1 宣威肺癌的高发率与燃煤排放颗粒物之间的关系
10、宣威肺癌的高发率与燃煤排放颗粒物之间的关系 为全球肺癌高发地区之一的中国云南宣威地区被认为是燃煤污染导致肺癌的典型代表(Mumford 等, 1987;He 等,1991;何兴舟等,1994;Lan 等,2001,2004,2008;Vermeulen 等,2011) 。研究数据显 示, 宣威人群肺癌的死亡率从 19731975 年的 23.14/10 万, 发展到 19901992 年的 34.88/10 万, 再到 2004 2005 年的 91.11/10 万(郝建华等,2009) ,并且发病人群年龄呈年轻化趋势(黄梅芳等,2007) ,这一人 群肺癌的死亡率是中国大中城市人群肺癌死亡率
11、的 0.85 倍(中国疾病预防控制中心,2010) 。就疾病特 征而言,宣威肺癌与其他地区肺癌并无特别之处,不同是宣威地区所处的特殊地质背景(当地居民所用的 晚二叠世煤的成因背景及有害组分的构成)导致了高肺癌率的发生(Large 等,2009;Pelley, 2010) 。 He 等 (1991)对宣威肺癌的研究结果显示,燃煤产生的室内空气中苯并(a)芘(BaP)平均浓度与肺癌死 亡率之间呈现出明显暴露(剂量)- 反应关系;何兴舟等(1994)对宣威肺癌的发生、发展进行了长期系统的 研究并出版了专著 室内燃煤空气污染与肺癌 ,其结果也是说明了该地区人群中的肺癌高发生率与燃煤 污染产生的有机污染
12、物有关;但 Tian(2005)的实验结果却表明,宣威肺癌的发病率与燃煤排放出颗粒物 中的 PAHs、自由基信号强度以及重金属元素之间没有相关性,而与该类颗粒物中石英的含量有较高的相 关性,并在 2 例肺癌病人肺组织切片中发现有纳米石英颗粒的存在。此外,Tian 等(2008)还发现珠江源 地区女性肺癌死亡率的空间分布与晚二叠世 C1 煤层分布范围较吻合, 肺癌死亡率在晚二叠世 C1 煤层的出 产区亦呈增加趋势,提出“烟煤中纳米石英致病”的假设。 2 燃煤排放纳米颗粒物的样品采集燃煤排放纳米颗粒物的样品采集 标准大气压下采用空气动力学方法可分级的颗粒物最小粒径为 0.3m 左右。而普通采样器无
13、法达到这 一数量级。若要分级 0.1m 以下的纳米颗粒物,必须在低压条件下提高颗粒物的流速。低压条件下可分级 捕集纳米颗粒物的装置有低压撞击器(Low Pressure Impactor, LPI) 、微孔均匀沉积撞击器(Micro- orifice Uniform Deposit Impactor,MOUDI)等。但低压条件下捕集纳米颗粒物,会导致低沸点的成分的挥发,影响 评价颗粒物的成分组成。另外一种基于惯性纤维过滤原理分级纳米颗粒的纤维过滤纳米颗粒采样器可在常 3 压下采集纳米颗粒。表 1 给出了不同采样器的特点比较。 表 1 采样器特点对比 采样器 原理 采样结构 缺点 优点 LPI
14、低压条件下提高颗粒物的 流速,降低分集粒径 常用的惯性 冲击器 结构较简单 MOUDI 低压微孔均匀沉积 孔板结构 样品均匀沉积, 利于表征分析 NMCL(NCTU Micro- orifice Cascade Impactor) 低压微孔均匀沉积 与 MOUDI 的 微孔结构不 同 低压条件下捕集纳米颗粒物, 会导致低沸点的成分的挥发, 影响评价颗粒物的成分组成 与 MOUDI 相比 级间压力下降地更 小,降低挥发 纤维过滤纳米颗粒采 样器 常压条件下利用纤维层过 滤时产生的“最大穿透颗 粒物直径”进行颗粒物的 分级捕集 惯性纤维过 滤 不能将纳米级颗粒进行更细 致的粒径分级 大流量、高密度
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