磁学和元素分析鉴定环形路和路边排水沟中车辆产生的金属污染

摘要

为了研究车辆排放对城市环境污染的贡献，对塔拉巴州Jalingo大都会环形路和路边排水沟收集的土壤样本进行了磁化率测量和元素分析。共61个样品使用barttingms2b磁化率仪进行磁化率测定，部分样品使用原子吸收分光光度计(BUCK 210)进行元素分析模型)．结果表明，环形路和水槽样品磁化率分别为106.3 ~ 475.1 × 10-8 m3kg-1和42.8 ~ 289 × 10-8 m3kg-1，表明样品中铁磁性矿物含量增加。磁化率的频率依赖性表明，非超顺磁组分是由人为因素造成的。所选样品中Fe、Pb、Cu、Zn、Mn的浓度在沟槽和环岛样品中具有可比性。沟槽和回旋处样品的mg/kg平均值分别为21。Fe为80和21.94;Pb分别为0.01和0.02;Cu为1.74和0.98;Zn为1.75和1.86,Mn为4.22和4.71。磁化率与重金属的相关性分析表明，在沟渠样品中，磁化率可作为评价铅、铜、锌污染的指标，而在环岛样品中，两者之间没有相关性。 Organic matter content did not show any effect on magnetic susceptibility in all samples but might affect the concentration of some heavy metals.

关键字

磁化率，重金属，污染，排水沟，环岛

简介

工业化和城市化对城市环境各有利弊。其中一个主要的缺点是土地，空气和水的污染。污染程度的评估和监测通常采用化学和地球化学方法[1，2］．这种方法需要专业知识，浪费大量时间和资金，因此不能满足对污染数据日益增长的需求。磁法无损、成本低、省时，可作为快速评估土壤/沉积物污染热点的方法[3.，4］．

磁性能的测量，特别是磁化率的测量被用来指示金属污染的浓度。许多作者描述了由于工业和车辆磁颗粒的输入而导致表层土壤和沉积物磁化率的增加及其与某些重金属的关系[5-7］．利用磁化率进行重金属污染评价是基于重金属与人为磁性颗粒共存且来源相似。通常情况下，重金属被纳入晶格结构或被吸收在铁氧化物的表面[2，8］．人为磁颗粒的主要贡献来自车辆来源，包括车辆尾气排放、汽车部件磨损、车辆部件腐蚀、制动衬片等。对车辆排放的人为磁粒子及其与重金属的相关性研究表明，磁参数可作为潜在的重金属污染指标[9-12］．

本研究报告了从Jalingo主要街道的环形路和路边排水沟收集的土壤样本中磁化率与某些重金属之间的统计相关性结果。本研究的目的是

(1)通过磁化率测量发现磁性矿物的存在与环形路和路边排水沟土壤中某些重金属的浓度之间的关系

(2)比较两个研究地点(环岛和路边排水沟)的结果，从而确定哪个是车辆源磁信号的更好载体。

材料与方法

研究区域

Jalingo，研究区域是塔拉巴州首府，位于北纬6030′和8030′之间，东经9000′和12000′之间(图1)。根据尼日利亚国家人口委员会发布的2006年人口普查数据，Jalingo的总人口为11.8万。贾林戈是一个没有主要工业的城市。主要污染源是机动车、交流电发电机和乱扔垃圾。研究区域的详细地质情况可在我们早期的论文中找到[13) (图1)．

抽样与分析

从三个主要的环形交叉口，即路障环形交叉口(RBRA)、帕坦亚环形交叉口(PRA)和森林环形交叉口(FRA)和三条乡镇路边排水沟，即Hammaruwa路排水沟(HWG)、宫殿路排水沟(PWG)和Umaru sale街排水沟(USSG)，随机收集了61份表土/灰尘样本。这些样本被包装在一个塑料袋里，然后运往实验室。在实验室中，样品被风干了几天，以减少水的质量贡献，并避免任何化学反应。然后用玛瑙臼和杵轻轻将它们分开，用1毫米的筛网进行筛分[14]并储存在塑料容器中。在实验室温度下对包装在10ml塑料容器中的筛选样品进行质量比磁化率测量。在低频率(0.465 kHz)和高频率(4.65 kHz)下，使用MS2B双频磁化率计与使用Multisus2软件操作的计算机相连进行磁化率测量。所有测量均在1.0灵敏度设置下进行。每个样品测量三次，在每个系列之前和之后用空气读数进行漂移校正。

频率相关的磁化率百分比然后根据Dearing(1999)计算为:

(1）

在哪里而且分别为低频和高频磁化率。

根据磁化率值，选取了11个环岛和8个天沟样品进行重金属分析。2 g样品与20 ml conc混合。HNO3，静置一小时。HClO₄并在约200-220°C进行热板消化。将消化物溶解在0.1M HCl中，过滤后加入蒸馏水，使其达到50 ml。重金属浓度(Fe、Pb、Cu、Zn、Mn)采用原子吸收分光光度计(BUCK 210型)测定。有机质含量采用失燃法测定，方法如下[12］．

结果与讨论

贾林戈镇环形路和路边排水沟表土磁化率研究

质量比低频磁化率(χlf)在环岛和沟槽样品中均有增强，其中环岛样品增强程度最高。χlf增强表明次生铁磁性矿物在样品中占主导地位。环形交叉口的高χlf值可能是由于车辆在接近或通过环形交叉口时减速(应用刹车)，在制动和加速过程中释放的污染物积累的结果。根据Mathissen等人[15]在布约科[16]时，加速和制动都能提高颗粒浓度，但制动比加速排放更高。Marie等人也做了类似的观察[10]在阿根廷的一个收费站附近。在环形样本中，平均值为250.15±48.73 x 10⁸米^3.公斤^－1， 230.44±140.03 × 10⁸米^3.公斤^－1和321.34±108.29 × 10⁸米^3.公斤^－1(表1)。这些平均值表明，与RBRA和PRA相比，FRA中的磁性颗粒更丰富。沟样的χlf均值为130.69±61.43 × 10⁸米^3.公斤^－1， 132.07±74.04 × 10⁸米^3.公斤^－1和126.40±74.04 × 10⁸米^3.公斤^－1分别为PWG、HWG和USSG(表2)。沟槽样品显示出相似的磁化率值。

磁化率的频率依赖性

频率相关磁化率的测量(χfd%)用于检测超细铁磁[也称为超顺磁(SP)分数小于0.03μm]磁颗粒的存在[17-19］．当土壤样品中存在SP矿物时，高频磁化率值略低于低频磁化率值。如果没有SP矿物，两次测量结果是相同的[20.]和粗糙的多畴(MD)磁晶粒。环岛和沟渠样本的χfd%结果分别如表1和表2所示。RBRA、PRA和FRA的χfd%均值分别为1.09±0.99%、0.77±0.67%和0.55±0.36% (表1)．结果表明，污染源的粗粒度非SP多畴和稳定单畴(SSD)磁粒度是环形路样品的主要组成部分。与通常源于土壤的细SP颗粒相比，较粗的颗粒如MD和SSD与频率无关[7，17］．根据迪林[20.]， χfd%≤2%表示超细致壤铁磁性矿物的比例可以忽略不计，χfd%在2 ~ 10%之间表示SP和MD/SSD颗粒的混合。χfd%的平均值也显示出MD和SSD咧嘴咧嘴的优势，PWG为1.81±0.72%，HWG为2.09±1.97%，USSG为2.48±1.06% (表2)．一般而言，MD和SSD颗粒来自人为来源[21］．在这种情况下，它可能主要来自车辆来源。

表1:测量路障(RBRA)，帕坦亚(PRA)和森林的磁参数。

表2:皇宫道排水沟(PWG)、Hammaruwa道排水沟(HWG)和Umaru Sale街排水沟(USSG)的磁参数测量

中所示的χfd%与χlf的比值为负图2环形路和沟槽数据。这种负趋势表明磁化率信号来源于工业/人为来源[21］．

重金属浓度

环岛和沟渠样本中所选样品中Fe、Pb、Cu、Zn和Mn的浓度为表3而且4分别。在这两种情况下，铁的浓度最高，分别为21.94±1.50 mg/kg和21.82±0.84 mg/kg。所有样品中铅的浓度最低。一般来说，这些重金属的浓度没有超过美国环境保护署(USEPA, 1999年)和世界卫生组织(世卫组织，2004年)规定的限制。

表3:环岛样本重金属浓度及有机质含量。

表4:阴沟样品重金属浓度和有机质含量(OM)。

磁化率与重金属的相关性研究

为了研究磁化率与重金属含量之间的关系，利用Microsoft Excel 2007建立了相关表(表5而且6)．在环岛样品中，χlf与Fe、Pb、Mn浓度呈较差的负相关。Cu、Zn与χ (表5)．这一结果表明，磁化率可能不能很好地测量回旋区样品中的重金属污染。Carraz等也得到了类似的结果[6]来自英国大曼彻斯特的道路沉积物。根据Carraz等人[6]， χlf与重金属之间的不相关性是由于金属和矿物磁性成分来源于不同的来源或污染源不止一个。不相关的另一个可能原因是样品磁性颗粒的粗粒性。较细的颗粒对重金属的吸附更大[1］．

表5:χlf与环岛样品重金属含量的相关矩阵。

表6:阴沟样品中χlf与重金属的相关矩阵。

重金属之间缺乏相关性表明污染来源不同。只有Mn和Zn呈较好的正相关关系，表明污染源相似

在沟槽样品中，χlf与Cu和Zn的浓度呈强正相关，表明磁化率可以作为这些金属浓度的代表。Pb与χlf呈中度相关，Fe、Mn与χlf呈负相关(表6)．阴沟样品中重金属的相关分析表明，Fe与Mn、Pb与Cu、Pb与Zn、Cu与Zn呈较强的正相关(表6)．这意味着类似的污染来源。锌被认为来自轮胎磨损，铜则被认为来自腐蚀的车身的车辆活动[6］．铁和锰被认为来自许多来源，包括地质背景来源[22］．

有机质含量对磁化率和重金属含量的影响

环形和排水沟样品中有机质含量较高。环岛和沟渠的平均值分别为80.36±2.66%和81.63±3.93% (表3而且4)．有机物具有抗磁性，可望降低磁化率[23］．在本研究中，环岛和阴沟样本的OM与χlf呈负相关且相关性较差(表5而且6)．重金属与OM的相关分析表明，环岛样品中重金属与OM均呈正相关，其中Fe、Pb、Mn相关性最高(表5)．而阴沟样品中除Pb外的所有金属均与OM呈负相关(表6)．

结论

本研究得出的一些主要结论如下:

1.环形和沟槽样品磁化率增强，表明存在次生铁磁性矿物。

2.频率相关的磁化率结果表明，粗粒多畴晶粒尺寸和稳定的单畴晶粒尺寸占主导地位，表明样品中含有人为污染颗粒。

3.所有样品中的重金属浓度均在美国环境保护局和世界卫生组织规定的允许范围内。

4.地沟样品中Cu、Zn、Pb的含量与磁化率呈较强的正相关，表明磁化率可以作为一种快速测定Cu、Zn、Pb含量的方法。磁化率和重金属之间缺乏相关性可能是由不同的污染源和颗粒尺寸造成的。

5.有机质含量与磁化率呈负相关，与重金属呈变相关。

参考文献

1. 铅、锌、镉污染冲积土的磁性。j:。地球物理学,2001;48: 127 - 136。
2. Salehi MH.伊斯法罕Lenjanat地区污染土壤磁化率与重金属浓度的关系。E3sWeb of Conferences, 2013。
3. Strzyszcz ZT型。工业排放对上西里西亚地区土壤磁化率的影响。钉。地球物理学。大地测量学。，1996; 40: 276-286.
4. 王霞。徐州城市土壤重金属的空间分布及其与比磁化率的关系。地球科学进展，2013;4: 309 - 316。
5. 罗伯逊DJ。城市沉积物颗粒的地球化学和矿物磁性特征，曼彻斯特，英国。应用地球化学，2003;18: 269 - 282。
6. Carraz F.等人。受污染的城市道路沉积物(RDS)，英国大曼彻斯特:潜在地表水影响的空间评估。西北地理，2006;6: 10 - 19。
7. Dlouha S.等人。磁化率法研究污染冲积土——以利塔夫卡河为例。水土资源学报，2013;8: 151 - 157。
8. 大气气溶胶样品中铁的形态形成。气溶胶科学学报，1996;27日:325 - 337。
9. 高塔姆P.等人。载尘树叶磁化率作为尼泊尔加德满都交通相关重金属污染的代理。体育。化学。地球,2005;23:21 201 -2211。
10. 玛丽。利用岩石磁学参数研究Autovia 2公路上的车辆排放和污染:以阿根廷为例。StuiaGeophysicaetGeodaetica, 2010;54: 135 - 152。
11. 巴格达迪等人。摩洛哥BeniMellal市城市土壤重金属污染与土壤磁化率．环绕。地球科学，2011。
12. 克罗斯比CJ。矿物磁测量作为城市道路沉积物污染指标的应用。博士论文，伍尔弗汉普顿大学。2009;353.
13. 尼日利亚东北部Jalingo土壤磁化率的测量:以Jalingo机械师村为例。世界应用科学杂志，2013;24: 178 - 187。
14. 利用环境磁学和地球化学方法评价铁冶炼厂城市河流沉积物中重金属污染。环绕。调查显示,2011;159: 3057 - 3070。
15. 带有移动拖车的轻型车辆的非排气PM排放测量。大气环境，2012;59: 232 - 242。
16. 林志伟，张志伟，张志伟。城市道路交通污染环境研究的微观形态、地球化学和磁学方法，赫尔辛基大学，2012。
17. 亲爱的JA等人。环境材料的频率相关磁化率测量。地球物理学。j . Int。，1996; 124: 228-240.
18. 使用矿物磁性参数来表征考古文物。立陶宛物理学杂志，2009;49: 479 - 485。
19. Sangode SJ。普那都市圈土壤磁化率分布:对人为负荷土壤磁力学的启示。《当代科学》，2010;98: 516 - 527。
20. 迪林高产农协。利用巴丁顿MS2系统进行环境磁化率分析。英国，Chi出版社，1999。
21. SG。磁颗粒作为城市土壤重金属污染的指标——以洛阳市为例。地球物理学。。篇研究就是这么说的国际米兰。2007;171: 603- 612。
22. Hopke PK.等。城市道路粉尘的多元素表征。Env。科学。抛光工艺。1980;14: 164 - 172。
23. Owliaie人力资源。伊朗Kohgilouye地区土壤磁化率．可以。j .土壤。科学。，20.06; 86: 97-107.