铵伊利石的矿物学特征及热稳定性

伊利石是地壳中常见的层状硅酸盐矿物。当NH_(4)^(+)赋存在伊利石层间时,可形成铵伊利石。探明铵伊利石的矿物学特征和层间NH_(4)^(+)的热稳定性可为理解氮(N)的地球化学循环提供重要依据。通过多种谱学、电子显微学和热分析手段,并以伊利石(层间阳离子为K^(+))为参照,对山西省阳泉市新景矿煤层夹矸中铵伊利石的矿物学特征和热稳定性进行研究。结果表明:铵伊利石中NH_(4)^(+)占层间阳离子总数的比例约为0.86,铵伊利石的基面间距(10.344)明显大于伊利石(9.973);同时,铵伊利石的(002)∶(003)衍射峰强度比值约为1∶1,而伊利石的相应衍射峰强度比值约为1∶3;铵伊利石四面体中广泛存在Al^(3+)对Si^(4+)的类质同象置换(Al^(3+)→Si^(4+)),其层电荷密度约为0.85;层间NH_(4)^(+)的存在未对伊利石的层状硅酸盐结构骨架造成明显影响,但可引起结构羟基蓝移;铵伊利石层间的NH_(4)^(+)表现出良好的热稳定性;在400℃~700℃温度范围内,NH+4随结构羟基的脱失而逐渐分解,这暗示在受热过程中层间NH_(4)^(+)与结构羟基发生反应,产物为NH_(3)和H_(2)O。

晋南地区煤系黏土岩中锂的赋存状态及其沉积环境

关键金属锂等战略资源及其引发的国家安全问题,在当今国际政治、经济、军事舞台中愈显突出和重要。华北克拉通是我国沉积型锂矿床主要分布区域之一,富锂黏土岩资源丰富,成为重要的沉积型锂资源勘探区域。本文以华北克拉通晋南地区的煤系黏土岩为研究对象,利用X射线粉末衍射(XRD)、X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和魔角旋转固体核磁共振谱(MAS NMR)等表征技术,结合化学物相分析及黏土矿物分离提取实验对研究区本溪组黏土岩中锂的赋存状态及其沉积环境进行研究。发现黏土矿物是锂的主要载体矿物,其主要包括锂绿泥石、伊利石和高岭石;锂含量与锂绿泥石含量呈显著正相关关系,与伊利石和高岭石的含量呈微弱的正相关关系;样品中的锂主要赋存于锂绿泥石的氢氧化物八面体晶格中,部分赋存于伊利石和高岭石中。古盐度指标m值(100×(MgO/Al_(2)O_(3)))和1000×Rb/K_(2)O值显示研究区富锂黏土岩主要形成于淡水—半咸水环境;古氧化还原指标V/(V+Ni)和Th/U值显示研究区富锂黏土岩主要形成于缺氧和贫氧环境;古气候指标Sr/Cu、C值((V+Cr+Mn+Fe+Co+Ni)/(Na+Mg+K+Ca+Sr+Ba))和CIA值显示研究区富锂黏土岩主要形成于炎热潮湿的古沉积环境中。该研究有助于完善沉积型锂矿的成矿理论,也有利于攻克该类型锂资源高效分离与提取的技术瓶颈。

邯郸市冬季大气PM_(2.5)中金属元素空间污染特征及生态风险评价

为研究邯郸市大气细颗粒物(PM2.5)中金属元素的污染特征,选取城区4个功能区(工业区、工业生活区、教学区和交通区)分别布设采样点位,采集2017年冬季PM2.5样品。采用电感耦合等离子体质谱仪分析样品中11种金属元素(V、Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Cu、As、Cd、Ba和Bi)的含量,对其空间污染特征进行比较,并运用主成分分析、聚类分析和绝对主成分得分-多元线性回归模型对金属元素的来源及其贡献率进行模拟计算,对Cr、Ni、Cu、As和Cd的潜在生态风险进行评估。研究结果表明,邯郸市冬季PM2.5污染较为严重,4个功能区的PM2.5日均值远超《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准限值。对金属元素含量的分析表明,教学区大气PM2.5中金属元素质量浓度的总和相对较低,尤其是Fe、Cr、Cd、Mn和Cu的含量均低于其他3个功能区,但是As的含量较高。富集因子计算结果显示,V、Co和Ba在邯郸市的富集系数小、污染程度低,其余金属元素尤其是As、Fe、Cd和Bi的富集系数大、污染程度高。对研究区大气PM2.5金属元素的来源进行解析发现,金属元素的主要来源包括工业生产、自然源、化石燃料的燃烧及交通运输活动。其中,Cr、Mn、Fe、Cu、Cd和Ba主要来自工业活动,V、Co和Bi的主要来源是自然源,Ni和As主要来自化石燃料的燃烧及交通运输活动。潜在生态风险评估发现,邯郸市4个功能区金属元素的总生态风险指数均较高,尤其是As和Cd在各个功能区的潜在生态风险程度为极强,但Cr和Ni的潜在生态风险程度较低。

民用燃煤排放颗粒物中金属元素组成及单颗粒分析

借助稀释通道采样系统,采集了5种民用煤(3种块煤、1种蜂窝煤和1种煤球)燃烧排放的PM_(2.5)和单颗粒样品。利用ICP-MS分析了PM_(2.5)中16种金属元素(Mg、Al和K 3种轻金属;V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、As、Rb、Sr、Cd、Ba和Bi共13种重金属)的含量,并运用TEM和SEM-EDX研究了燃煤排放粒子的单颗粒特征。结果显示,蜂窝煤和煤球燃烧排放的颗粒物中金属元素质量分数分别为29.7%和33.0%,高于块煤燃烧排放颗粒物中金属元素的质量分数8.9%~23.7%;Al是民用煤燃烧排放主要的轻金属元素,占3种轻金属总量的45.0%~57.8%;Fe、Ba和As是主要的重金属元素,其质量浓度总和占13种重金属总量的69.5%~78.4%。单颗粒分析结果表明,块煤燃烧生成大量的烟尘集合体、球形粒子和不规则颗粒物,蜂窝煤和煤球燃烧排放颗粒物以球形粒子为主。蜂窝煤燃烧不同阶段(前期、中期和后期)排放颗粒物的粒径均值分别为0.26μm、0.17μm和0.28μm,煤球燃烧排放颗粒物的粒径均值分别为0.11μm、0.47μm和0.06μm。与蜂窝煤和煤球相比,块煤小火燃烧阶段排放颗粒物的粒径均值较高,其3个燃烧阶段的粒径均值分别为0.38μm、0.45μm和0.36μm。块煤燃烧排放颗粒物的针状比值更高,球形度值更低,其燃烧排放90%以上的颗粒物针状比数值介于1.0~2.0,而蜂窝煤和煤球燃烧排放95%的颗粒物针状比值主要介于1.0~1.5;块煤燃烧不同阶段排放颗粒物的球形度均值分别为0.60、0.65和0.75,蜂窝煤3个阶段排放颗粒物的球形度值均在0.90附近,煤球的球形度值在0.80附近。单颗粒能谱结果显示,组成烟尘集合体的主要元素为C、O和Si;而其它形貌的粒子除C和O元素外,部分颗粒物中Al的峰值也较为明显,与全样分析Al元素含量较高的结果具有一致性。

邯郸市PM_(2.5)和PM_(10)中有机碳与元素碳的污染特征

为了研究邯郸市PM_(2.5)和PM_(10)中有机碳(OC)与元素碳(EC)的污染特征,于2016年1月—10月对邯郸市大气PM_(2.5)和PM_(10)样品进行采集,运用热光反射法(TOR)分析了样品中的OC、EC的质量浓度,同时对OC和EC浓度水平与季节变化、OC/EC的比值特征及其相关性、二次有机碳(SOC)的估算、碳组分与气态污染物及气象因素的相关性和碳质气溶胶来源进行分析.结果表明,邯郸市PM_(2.5)和PM_(10)的质量浓度均呈现冬季>春季>秋季>夏季的规律,PM_(2.5)和PM_(10)中OC质量浓度均值为20.8μg·m^(-3)和34.9μg·m^(-3),EC质量浓度均值为6.6μg·m^(-3)和10.9μg·m^(-3);OC、EC对邯郸市PM_(2.5)质量浓度的年均贡献率分别为24.0%和7.0%,对PM_(10)质量浓度的年均贡献率分别为18.7%和5.9%;总碳气溶胶(TCA)占PM_(2.5)的比重为45.4%,TCA/PM_(10)为35.8%,碳质气溶胶是邯郸市PM_(2.5)的重要组成部分;PM_(2.5)和PM_(10)中OC/EC年均值分别为3.6和3.4,各季OC/EC比值均大于2,表明邯郸全年均存在SOC污染;PM_(2.5)和PM_(10)中SOC浓度在秋季和冬季相对较高,春季和夏季较低;SOC对PM_(2.5)和PM_(10)的贡献率分别为11.7%和7.3%.OC、EC和SOC与SO_(2)和NO_(2)呈显著正相关,表明邯郸市大气环境常年受燃煤和机动车尾气排放影响.后向轨迹分析得出,研究期间到达邯郸市的气团主要来自我国东北、西北和东南地区;颗粒物浓度雷达图分析,颗粒物、OC和EC可能与西北风向的关联性更强,表明当地西部工业区和高度城市化对当地碳质气溶胶的污染有一定的贡献.

邯郸市冬季一次霾过程中细颗粒物化学组分的污染特征及消光贡献

近年来京津冀地区大气环境污染受到广泛关注,邯郸作为京津冀南部地区燃煤为主的工业城市之一,大气污染问题较为突出。为厘清邯郸市冬季大气重污染发生时细颗粒物(PM2.5)中主要化学成分的形成过程及光学特性,本研究于2016年1月23~30日,采集了PM2.5样品,测定了水溶性离子组分和碳质组分的质量浓度,探讨了PM2.5污染特征,在此基础上进一步分析了PM2.5的光学特性。结果表明,采样期间PM2.5平均质量浓度为(122.6±66.9)μg/m^3,水溶性离子占PM2.5的36.0%,SO4^2−、NO3^−和NH4^+3种离子(SNA)占水溶性离子的74.7%,是邯郸市PM2.5中最主要的水溶性离子。有机碳(OC)与元素碳(EC)平均质量浓度分别为(35.6±24.0)μg/m^3和(10.4±8.0)μg/m^3,分别占PM2.5的29.2%和7.5%。重污染期间PM2.5平均质量浓度为216.3μg/m^3,是清洁时段(58.6μg/m^3)的3.7倍,且重污染期间EC、SNA和OC的质量浓度涨幅较明显。采样期间大气消光系数平均值为(780.9±439.1)Mm^-1,有机物(OM)、EC、(NH4)2SO4和NH4NO3的消光贡献依次为51.4%、12.3%、11.4%和11.3%。重污染期间大气消光系数为(1351.9±208.5)Mm^-1,EC和NH4NO3消光系数的增长幅度高于其他组分,说明邯郸市大气重污染发生时需要加强关注EC和NH4NO3。

邯郸市PM2.5中碳组分的污染特征及来源分析

为研究邯郸市PM2.5中碳组分的污染特征及其来源,于2017年4~12月采集PM2.5样品,用热光反射法(TOR)分析PM2.5中有机碳(OC)和元素碳(EC)的质量浓度.结果表明:邯郸市PM2.5和总碳气溶胶(TCA)质量浓度的年均值分别为(88.87±58.89)μg/m^3和(31.45±23.35)μg/m^3,PM2.5质量浓度超标率为50%,TCA/PM2.5比率的年均值为(38.23%±14.61%),表明邯郸市碳组分污染严重.冬季PM2.5中TCA质量浓度均值为(68.06±23.77)μg/m^3,TCA/PM2.5比率的均值为(46.86%±10.07%),OC(37.09±13.05)μg/m^3和EC(8.72±3.78)μg/m^3浓度明显高于其它季节,表明冬季碳组分污染较为严重.各季节OC/EC比值均大于2,表明邯郸市全年均受二次有机碳(SOC)的污染;OC、EC及SOC与SO2、NO2呈显著正相关,与O3呈显著负相关,尤其是与NO2相关关系最强,说明邯郸市碳质气溶胶可能受到机动车尾气排放的影响.对8种碳组分进行主成分分析,发现道路扬尘、燃煤排放和机动车尾气是邯郸市PM2.5中OC和EC的主要贡献源.

邯郸市大气细颗粒物中水溶性离子的污染特征及来源解析

为研究邯郸市大气细颗粒物中水溶性离子的季节变化特征及来源,于2017年采集了大气PM_(2.5)样品,并结合气象要素(温度、相对湿度)、气态污染物(SO_(2)、NO_(2)、O_(3))浓度对水溶性无机离子进行分析.结果显示,2017年邯郸市PM_(2.5)年均浓度为(88.08±59.08)μg·m^(-3),季节变化特征为冬季>秋季>春季>夏季;8种水溶性离子年均浓度为(53.0±38.1)μg·m^(-3),对PM_(2.5)的贡献值为58.2%,各离子的浓度高低顺序为NO_(3)^(-)>SO_(4)^(2-)>NH_(4)^(+)>Cl^(-)>K+>Ca^(2+)>Na^(+)>Mg^(2+);SNA(SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)、NH_(4)^(+))为水溶性离子的重要组成部分;通过对颗粒物的酸碱度与相关性分析,春、夏、秋季PM_(2.5)呈酸性,冬季呈碱性;春、夏、秋季NH_(4)^(+)的存在形态为NH_(4)NO_(3)和(NH_(4))_(2)SO_(4),冬季NH_(4)^(+)存在形式为NH_(4)Cl;湿度对硫氧转化率和氮氧转化率有一定的促进作用.二次转化生成、燃煤、生物质燃烧和扬尘为水溶性离子主要的来源.

燃煤工业城市大气细颗粒物中水溶性无机离子的季节变化特征及来源解析——以邯郸市为例

为探究典型燃煤工业城市邯郸市的大气细颗粒物(PM2.5)污染水平及水溶性无机离子特征,于2016年1—12月采集了当地大气PM2.5样品,然后利用离子色谱法测得水溶性无机离子的组分,分析了不同季节水溶性无机离子随PM2.5的浓度变化特征。通过对PM2.5中的阴离子、阳离子进行分析发现,SO4^2-、NO3^-和NH4^+在春夏秋冬四季均为PM2.5中的主要离子成分,SO4^2-、NO3^-和NH4^+的浓度之和在春夏秋冬四季占各季节总的水溶性无机离子浓度的百分比分别为84.6%、77.4%、89.9%、62.5%。其中,在春季和冬季含量最高的3种离子分别是NO3^-、SO4^2-和NH4^+,夏季含量最高的3种离子分别是SO4^2-、NH4^+和NO3^-,而秋季含量最高的3种离子分别是NH4^+、SO4^2-和NO3^-。相关性分析发现,2016年春季、夏季和秋季PM2.5为酸性,冬季为碱性。SO4^2-、NO3^-、NH4^+浓度分析表明,冬季PM2.5中的一次建筑扬尘排放较多。通过主成分分析法得出,PM2.5中水溶性无机离子主要来源于二次转化和生物质燃烧。

柴油机排放颗粒物特征及影响因素分析

采用二段撞击式单颗粒采样器进行采样,分析柴油机排放颗粒物的形貌、粒径、颗粒物排放的影响因素以及与国外柴油车的对比,最后发现:柴油机排放颗粒物以链状粒子为主,占粒子总数的72%,其次是矿物颗粒,矿物颗粒以单颗粒和粘附二次污染物两种形式存在,粒径大多集中在0.2～0.6μm。周围大气颗粒物以多边形粒子为主,粒径集中在0.3～0.5μm。随着柴油机负荷增大,颗粒物数量逐渐增加,但有机颗粒物数量表现出先增加后降低的趋势。