西宁—静宁一带大气降尘矿物与人体常见有机酸作用研究

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随着经济和社会的飞速发展,大气污染也作为发展的代价日益严重,并严重影响着人类的生活和工作环境,对人体健康造成巨大危害。雾霾天气的频发更是让人们意识到了大气颗粒物污染的严重性,然而,已有的大气颗粒物相关研究仅局限在物化特征及对人体危害的剂量效应,具体对危害机理的研究还较少。大气颗粒物通过呼吸系统和消化系统进入人体,进而对人体造成伤害。众所周知,人体内环境中含有种类繁多的有机酸,研究有机酸和降尘的相互作用过程对探讨大气颗粒物的危害机理具有重要的意义。  本论文以降尘与有机酸溶解过程为主线,探讨了不同有机酸种类、有机酸浓度、固液比、温度及反应时间对降尘及其主矿物溶解过程的影响,利用pH/电导率仪对反应过程中体系的pH及电导率进行测定;利用XRD、SEM及ICP手段对反应后固体的物相、形貌和滤液中的溶出元素进行分析。此外,本文还以钠长石为基底矿物,分别探讨了石英、方解石、绢云母及其混合矿物与钠长石混合后溶液中Al、Si溶出情况,并利用微量热仪对酸溶过程的热变化情况进行测定,以更好地理解酸溶过程。结果如下:  不同有机酸对降尘及矿物造成了不同程度的溶蚀,溶出大量Ca2+、Mg2+、Si、Al3+、Fe3+、K+,使溶液pH及电导率迅速升高,对接触溶液的理化性质造成明显影响。降尘中方解石和白云石分别在10min和16h后完全溶解,降尘中各矿物的溶出顺序为方解石>白云石>钠长石>云母,石英。矿物中溶出的Ca2+与草酸、酒石酸和柠檬酸根离子会结合形成沉淀,因此,方解石、白云石及降尘与有机酸溶液反应过程中电导率迅速降低至近0。降尘及矿物的元素溶出情况与酸浓度、固液比、温度及反应时间呈明显的正相关(Ca除外)。  矿物在酸性有机酸溶液中的溶解性为方解石>钠长石>云母>石英,石英在碱性条件下容易溶解。Al硅酸盐矿物在酸性较强的溶液中,Al的溶出量高于Si,而在较高pH范围内恰好相反,Si的溶出在碱性范围内比较容易。铝硅酸盐矿物中Al、Si溶出量随温度呈线性增长,Si对温度的依赖性高于Al,不同矿物中Si的溶出对温度的依赖性由强到弱为钠长石>绢云母>石英。矿物及降尘溶解过程的元素溶出结果能很好地拟合准二级动力学方程,拟合系数R^2均达0.95。  方解石与钠长石混合酸溶后由于方解石迅速溶解使溶液pH迅速升高,进而抑制钠长石中Al的溶出,促进Si的溶出;绢云母或石英与钠长石混合酸溶对矿物中Al、Si的溶出都没有明显影响。多种矿物混合后的溶出结果与单矿类似,当方解石存在时,Si的溶出过程受到促进,石英与绢云母同时与钠长石混合后对Al、Si的溶出量也没有明显影响。  从微量热实验结果可知,钠长石在除谷氨酸外的其他实验有机酸中都表现为放热反应,且在短期内即可达到热平衡。方解石在精氨酸溶液中表现为微弱的吸热反应,在4种酸性有机酸溶液中溶解均为明显的放热反应,且在柠檬酸溶液中快速达到热平衡,放热量由大到小分别为酒石酸>草酸>柠檬酸>谷氨酸;反应放热量与固液比呈明显正相关。纳米碳酸钙与石英或纳米二氧化硅混合后放热量远远高于方解石与石英或纳米二氧化硅混合后的放热量,且方解石的加入使得反应体系的放热量低于方解石纯矿放热量的1/2,推断纳米碳酸钙对石英的溶解具有促进作用。  在降尘的酸溶过程中,方解石和白云石很快与酸反应并溶解,而石英、长石、云母的溶解非常缓慢,甚至在4个月后物相没有明显变化。大气颗粒物与人体接触后,随着颗粒物组分的溶解,接触溶液pH迅速升高,而这恰好促进矿物中Si的溶出。因此,当降尘与人体酸环境接触不仅会对接触部位液体环境造成影响,而且还将促进有毒有害的Si的溶出,进一步加重了大气颗粒物对人体的危害。
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