2012年“雾霾”一词的出现引起社会对大气污染的普遍认识。大气是与人类生产、生活各类活动接触最为频繁、紧密的环境介质。随着工业化、城市化进程的加快，大气污染问题日益严重，雾霾、酸雨和光化学烟雾等复合型区域大气污染问题日益突显，重金属是指密度大于5g/cm
3的金属元素，常见的大气重金属污染元素包括汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、铬（Cr）等。而其中大部分（75%-90%）的重金属离子包含在可吸入颗粒物（PM10）中，且颗粒越小，重金属含量越高。大气中的重金属污染离子一般以气溶胶、粉尘或蒸气的形式通过呼吸作用、吞食系统以及皮肤接触等途径进入人体内。重金属离子一旦进入大气或生物体，其迁移转化过程一般只涉及不同价态之间的变化，而不能被分解消除；并且通过食物链易在人体内富集，这将会对人体或环境产生明显的毒害性。其中尤其是附着在PM2.5上的重金属，其极易沉积在肺泡区，这不仅危害着人体的呼吸系统，甚至还会随着血液循环，在体内长期积蓄，与体内的有机物质结合并转化为毒性更强的金属有机化合物。
2015年12月，我国大面积城市笼罩在“雾霾”之下，刺鼻的空气刺激着我们的神经和身体。雾霾持续之久，我们不禁要问我国的大气重金属污染状况如何。通过陕西耕禾节能环保Gengho近年来的调研监测结果，部分城市的数据经过加工和整理。这些数据来自城市有代表性的采样点，采样点一般位于人口密集的生活区和商业区，能够代表城市整体的污染水平。收集近3年中国25个主要城市和背景点位重金属在大气颗粒物中的质量浓度数据（表1），浓度值是采样期间日均值的算术平均值，能够代表较长时间的污染状况．从表1中可以看出，中国大气颗粒物中重金属浓度除V 以外，在对比环境空气质量新标准( GB3095—2012) 和WHO 限值均有超标现象。对比国内城市与国外城市重金属污染水平（表2），浓度值为该采样点多日平均值。可以看出中国总体重金属污染高于美欧等发达国家城市水平，也高于韩国首尔的污染水平，与印度和巴基斯坦城市相近或略低。这表明在全球范围内，中国大气的重金属污染形势不容乐观。
表1.中国主要城市大气颗粒物中重金属元素质量浓度特征
| 城市 |
Pb |
V |
As |
Mn |
Ni |
Cr |
Cd |
| 北京 |
231.9 |
20.5 |
18.2 |
79.4 |
12.7 |
108.6 |
4.5 |
| 合肥 |
199.0 |
|
|
555 |
38.7 |
74.3 |
|
| 重庆 |
327.1 |
|
39.8 |
140.0 |
|
|
70.0 |
| 广州 |
417.3 |
19.7 |
39.2 |
134.6 |
|
53.6 |
10.4 |
| 南宁 |
184.3 |
|
22.7 |
|
|
60.3 |
4.7 |
| 石家庄 |
462.0 |
78.8 |
|
577.0 |
73.0 |
321.0 |
|
| 哈尔滨 |
200.0 |
10.0 |
120.0 |
100.0 |
80.0 |
90.0 |
|
| 郑州 |
1572.0 |
|
185.2 |
781.4 |
40.6 |
128.4 |
47.4 |
| 武汉 |
415.6 |
11.5 |
46.9 |
155.6 |
6.5 |
14.0 |
9.0 |
| 长沙 |
92.5 |
|
|
33.3 |
38.9 |
|
|
| 南京 |
190.0 |
|
85 |
225.0 |
|
|
|
| 沈阳 |
346.0 |
|
30.2 |
40.1 |
26.9 |
35.5 |
1.9 |
| 呼和浩特 |
248.0 |
13.0 |
|
186.0 |
20.0 |
|
|
| 银川 |
143.3 |
|
200.0 |
107.5 |
47.3 |
|
|
| 济南 |
76.5 |
18.8 |
19.9 |
85.6 |
10 |
57.9 |
|
| 上海 |
108.5 |
10.3 |
30.8 |
60.3 |
|
27.3 |
2.9 |
| 太原 |
106.8 |
7.4 |
38.4 |
105.3 |
39.9 |
69.9 |
|
| 成都 |
182.2 |
|
5.9 |
87.1 |
3.7 |
11.3 |
6.6 |
| 台湾 |
66.5 |
|
|
15.5 |
|
328.0 |
|
| 天津 |
291.0 |
12.0 |
|
220.0 |
25.0 |
352.0 |
|
| 乌鲁木齐 |
67.1 |
|
|
76.9 |
213.6 |
|
3.2 |
| 拉萨 |
37 |
4.8 |
1.8 |
27.0 |
7.2 |
19.0 |
0.5 |
| 杭州 |
569.0 |
|
|
245.0 |
|
25.0 |
17.0 |
| 大连 |
193.0 |
|
12.3 |
41 |
7.0 |
26.4 |
1.6 |
| 青岛 |
166 |
30.7 |
|
245.2 |
15.3 |
|
2.5 |
| 平均值 |
304.2 |
18.7 |
46.6 |
151.7 |
33.7 |
97.4 |
12.9 |
| 标准 |
289.6 |
17.2 |
52.3 |
169.9 |
43.5 |
118.2 |
19.6 |
表2.世界主要城市大气颗粒物中重金属元素质量浓度特征
| 城市 |
Pb |
V |
As |
Mn |
Ni |
Cr |
Cd |
| 日本，东京 |
125 |
0.06 |
|
40.1 |
5.63 |
6.09 |
|
| 印度，阿格拉 |
1100 |
21 |
|
900 |
200 |
300 |
|
| 巴基斯坦，拉合尔 |
4400 |
1.4 |
22 |
300 |
18 |
30 |
77 |
| 奥地利，维也纳 |
71 |
3.9 |
1.5 |
4.9 |
3.1 |
3.2 |
4 |
| 瑞士，伯尔尼 |
49 |
1.4 |
0.9 |
13 |
5.7 |
5.5 |
0.11 |
| 匈牙利，布达佩斯 |
24 |
2.9 |
0.8 |
25 |
3 |
|
0.5 |
| 韩国，首尔 |
96.4 |
|
1.4 |
30 |
3.2 |
8.9 |
0.26 |
| 美国，加州 |
39 |
33 |
|
39 |
19.6 |
13.7 |
|
| 法国，图卢兹 |
9.7 |
|
6 |
17 |
12 |
15 |
43 |
| 美国，纽约 |
7.9 |
9.2 |
|
7.5 |
35.22 |
35.97 |
0.25 |
2.重金属颗粒物来源
富集于PM2.5（大气动力学当量直径≤2.5μm）中的重金属元素来源极其广泛（Li J D，2010）。通过陕西耕禾节能环保Gengho近几年对环境检测的研究分析总结，大气颗粒物中重金属主要来自化石燃料的燃烧、高温金属加工、炼钢和冶金、有机合成工业、燃煤、汽车尾气、土壤尘等，其在运输、碾磨、筛分等机械处理过程中，产生含有重金属的粉尘、煤烟、烟雾，使大量的重金属物质源源不断地被排放到大气环境中，污染物浓度成倍增长（杨弘，2015）。同时，研究也表明含铅汽油、润滑油燃烧、汽车轮胎、刹车里衬的机械磨损等也能造成公路两侧土壤和空气中重金属含量的增加（郭广慧，2008）。
3.重金属颗粒物的形态分布
大气颗粒物中的重金属元素常以不同化学形态的形式存在于大气环境生态系统中。常被分为四种化学形态：a可溶态与可交换态、b可氧化态与可还原态、碳酸盐态、c有机质、氧化物与硫化物结合态和d残渣态（Fern ndez A J，2000）。有研究显示，广州大气中Cd、Mn主要是以a和b的形式存在，Cu 以b和c的形式存在，大部分Pb以b的形式存在Cr 主要以c和d的形式存在，Co 以这四种形式平均分布（冯茜丹，2011）。研究南昌市大气中的Ca、Mg、Fe、Mn、Pb、Zn、Cu 等重金属元素，发现它们是以可还原态、水溶态、醋酸提取态、可氧化态、残渣消解态五种形式不同程度的存在于大气中（袁胜林，2011）。了解重金属的形态特征对于废气治理、生物有效性、环境化学行为、地球化学循环迁移特性，以及人类健康的影响都有非常重要的作用（Hu X，Zhang Y，2012）。
4.大气颗粒物分布特征
通过污染因子分析研究发现，不同的重金属物质表现出不同程度的可迁移性，例如Cu、Cd比Mn、Pb的迁移性高，使得其相应的生物有效性、环境活性和生物毒性等有了较大的差异
［4］。大气颗粒物中重金属的含量分布在时间和空间的变化呈现不同程度的富集现象。在我国的空间分布上，大气颗粒物的聚集浓度呈北方燃煤城市大于南方城市的规律。有研究表明，在城市内部不同功能区域内，颗粒物中重金属含量有较大差异，大致呈工业区﹥交通区﹥居民区﹥郊区的顺序依次递减（李万伟，2011）。北京城区与远郊区大气污染研究数据显示，城区中的Al、Ca、Fe、Mg、Zn、Cu、Pb、As 等元素含量均高于郊区（张小玲，2010）。大气中重金属元素的分布在时间上的分布也存在着较大的差异，总体呈现冬季﹥秋季﹥春季﹥夏季的特点（袁春欢，2009）。重金属污染的季节性变化主要体现在TSP、PM2.5、和PM10中。夏季TSP 占颗粒物总浓度比例较PM2.5、PM10略高一些，分别为39.12%、33.38%和27.5%；冬季PM2.5含量所占大气颗粒物比例最高，TSP 与PM10比例相差不大，分别为47.23%、27.19%、25.58%（孔祥宇，2010）。
5.大气重金属污染的特征及环境效应
重金属具有高毒性和持久毒性，能导致机能障碍和不可逆性损伤，其对生态环境平衡的负面影响也十分巨大，PM2.5中重金属的研究已成为科学界不可忽视的重大难题之一（Donaldson K，1997）大气中的重金属物质主要吸附在漂浮的大气颗粒物上，相比于其他大气颗粒物污染，其污染特征主要有以下四个方面：
( 1) 污染面积最广、通过迁移和扩散污染大气、土壤、水体及生态系统，遍布全球。
( 2) 金属物质可在生物体内不可降解，富集到一定含量直接导致机理病变。
( 3) 大气重金属污染物具有催化协同作用，其催化氧化许多化学物质，与有机污染物能产生很强的协同毒理作用，使之对生物的危害程度加倍。
( 4) 大范围进行废气治理的难度大，经济成本高。
大气重金属通过扩散、迁移转化和干湿沉降等多种途径进入生态环境，对环境和人体健康造成负面影响。通过对我国大气中重金属元素污染源的解析，发现含有重金属元素颗粒物的长距离传输及沉降过程会影响城市环境空气质量及我国东海海域生态环境。重金属的价态不同（例如Cr
3+与Cr
5+），其活性与毒性不同。当大气环境条件发生变化时，颗粒物表面上的重金属元素将会以不同的存在形态而溶出，具有潜在生态危害性。冯素萍等和周琳等分别研究了济南和成都降尘中重金属元素的形态及其在模拟酸雨下的溶出规律，发现随模拟溶液值降低，重金属元素的释放强度显著提高。重金属元素在环境和生物体内的溶解、吸收很大程度上取决于其环境活性和生物有效性，而生物有效性主要决定于其可溶性尤其是水可溶性。形态不同，重金属元素的环境活性和生物有效性也就各不相同。
6.大气颗粒物Pb的最新控制措施：
大气中的铅常以氯化铅、氧化铅和硫酸铅等形式的铅烟、铅尘存在，主要来源于燃煤燃油、固体废弃物焚烧、铅冶炼等人为活动过程。铅污染的治理已成为全社会所共同关注的热点难题。现主要的废气治理措施见表3（楼蔓藤，2012）
表1 铅冶炼烟气治理技术
| 炉窑 |
含尘量（g/m3） |
烟气治理技术工艺流程 |
外排烟粉尘浓度（g/m3） |
| 原料制备废气 |
5~10（铅尘2~5） |
集气罩→袋式收尘器→风机→烟囱 |
<50（铅尘<8） |
| 熔炼炉废气 |
100~200（铅30~80） |
废气→余热锅炉→电除尘器→风机→制酸 |
|
| 还原炉废气 |
8~30（铅2~10） |
废气→余热锅炉→袋式收尘器→脱硫→烟囱 |
<50（铅尘<8） |
| 烟化炉废气 |
50~100（铅4~10） |
废气→余热锅炉→表面冷却器→袋式收尘器→脱硫→烟囱 |
<50（铅尘<8） |
| 熔铅炉/电铅炉 |
1~2（铅1~2） |
吹吸式通风收尘装置→袋式收尘器→风机→烟囱 |
<8（铅尘<8） |
| 浮渣处理炉窑 |
5~10（铅1~2） |
废气→表面冷却器/冷却烟道→袋式收尘器→脱硫→烟囱 |
<20（铅尘<8） |
工业上废气治理主要是选择不同的收尘工艺进行尘粒捕集，如袋式除尘、电除尘工艺等。袋式除尘器净化效率高，运行稳定，且比静电除尘器设备简单，技术要求低。对于含大量铅烟尘的尾气，采用脉冲袋式除尘器，优选滤料
后除尘效率能达到99.9%。而电除尘器利用电磁力实现粒子捕集，除尘效率高。通常控制铅烟尘的温度在50℃，水分体积分数不小于10%，比电阻小于101Ω·ｃｍ时，除尘效率最佳，能达到99.99%（王广庭，2013）。
其他应用较广的废气治理方法大致可以分为生物法和化学法。废气治理化学法则是用各种酸碱、矿物或有机螯合剂作为吸附材料对污染大气进行处理，使重金属离子从难降解或毒性大的形态转变为较稳定或无毒性（毒性小）的形态，然后可以对重金属离子进行回收再利用。目前对于铅控制研究的吸附材料主要有钙基吸附剂、硅铝基吸附剂和活性炭材料等，常见的钙基吸附剂是CaCO
3、CaO等，硅铝基吸附剂包括高岭土、膨润土、石英、沸石、磷石灰等。
利用自制的载硫活性炭纤维（ACF/S）材料处理模拟烟气中的铅时发现，较未负载硫的ACF而言，ACF/S材料对烟气铅有较好的捕集效果（闵玉涛，2012）。
整个实验装置包括3个部分: 供气装置、反应装置和颗粒铅捕集及气态铅吸收装置。其中，供气装置根据不同的实验需求，各气瓶采用不同的气体流速，保持总气体流量为1 L/min。反应装置为圆柱体, 高30cm, 内径10cm, 整体放置在数显恒温油浴锅中，电子温控仪根据热电偶来调节和控制工况所需的温度条件。颗粒铅捕集材料采用超细玻璃微孔滤膜, 气体吸收部分为两个连续的吸收瓶,分别装有2% 稀硝酸和2 mol/L 稀盐酸各200 mL。
在不同浓度的硫溶液中, 通过化学浸渍方法将单质硫负载到活性炭纤维(ACF)表面, 得到活性炭纤维负载硫(ACF/S)材料。设置在不同气氛下(HCl, SO2, HCl+SO2)的垃圾焚烧模拟烟气中，以ACF/S 对烟气铅进行吸收实验，采用扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析研究其对铅的去除机理。结果表明，ACF/S 中的单质硫大多富集在ACF 表面，对ACF 比表面积影响不大，但明显提高了ACF 对铅的去除效果。此外，在不同的烟气氛围(HCl，SO2，HCl+SO2)中，ACF/S 均对烟气铅均有较好的捕集效果，对颗粒铅捕集率均达到65%以上，对气态铅均达到80%以上。因此, 利用硫改性活性炭纤维提高焚烧烟气中的铅的捕集率是可行的且效率较高。
废气治理生物法主要是利用某些绿色植物的叶片或藓类植物来吸收大气中的铅离子，从而去除铅的毒害作用，相比于物理法和化学法，植物富集重金属Pb更清洁，更有效，经济成本较低。分析南京市14种不同绿化树种对大气重金属污染物的累积能力，结果表明不同树种对Pb的吸收累积量有较大差别，其中Pb累积量较高的树种有杨树、广玉兰、女贞和紫叶李（王爱霞，2009）。由于大叶黄杨叶片属于革质叶，表面有一层蜡质层阻碍其对Pb的吸收，故月季叶片中Pb含量大于大叶黄杨叶片，且Pb被植物叶片吸收后积累明显、移动性小，其含量还与季节、污染源相对距离以及大气中Pb浓度密切相关（邹金华，2012）。但目前缺少植物对重金属富集的一个系统研究，未能给出富集重金属能力的植物目录。
如今，“雾霾”一词的出现引起诸多学者对大气污染的研究，尽管过去几十年来，国内外学者针对大气重金属污染做了大量研究并取得了一定的成果，但研究方向大多集中在大气重金属污染的来源、化学性质、迁移转化以及其生物有效性方面，故结合当今污染程度、实际需要和研究进展，以期实现人与自然生态系统的可持续发展，未来应重点研究以下几个方向：
- PM10、PM2.5中重金属组成成分和来源进行追踪分析。
- 综合分析PM10、PM2.5中重金属在大气、地表水、土壤、植物、动物、微生物等要素的迁移转化研究。
- 对重金属影响环境生态的机制以及其生理毒性开展进一步研究。
- 大气颗粒物中重金属污染离子的表征研究，尤其应以PM2.5以及更小的细颗粒物为主，注重研究重金属的存在状态及在不同大气条件下其性质的变化与消除过程，以便更好地进行脱除工艺。
- 在大气重金属污染研究方面，目前对大气重金属脱除技术的研究尚未成熟，且主要集中在单一污染物的控制脱除工艺，因此重金属污染的综合净化修复技术亟待进一步研究，以便得到完善和提高。
- 环境空气质量标准中有关于大气PM2.5、PM10重金属的标准限值规定的研究。注重建立完善的、科学的、合理的大气重金属污染水平评价体系和环境危害性综合评价体系。
参考文献：
[1]Donaldson K,Brown D M,Mitchell C，et al.Free radical activity of PM10: iron –mediatedgeneration of hydroxyl radicals［J］.Environmental Health Perspectives,1997，105(Suppl 5):1285．
[2]杨弘，张君秋，王维，等。太原市大气颗粒物中重金属的污染特征及来源解析[J]中国环境监测，2015，31(2):24－28．
[3]郭广慧，雷梅，陈同斌，等。交通活动对公路两侧土壤和灰尘中重金属含量的影响[J]环境科学学报，2008，28(10):1937－1945．
[4]Espinosa A J F，Rodríguez M T，De La Rosa F J B，et al．A chemical speciation of trace metals for fine urban particles[J].Atmospheric Environment,2002,36( 5) :773 -780．
[5]Fern ndez A J，Ternero M，Barrag N F J，et al． An approach to characterization of sources of urban airborne particles through heavy metal speciation[J].Chemosphere － Global Change Science，2000，2( 2) : 123－ 136．
[6]冯茜丹，党志，吕玄文，等大气PM2.5中重金属的化学形态分布[J]．生态环境学报，2011，20( 6) : 1048 －1052．
[7]袁胜林．南昌市大气颗粒物污染特征和重金属形态分析[D]．南昌: 南昌大学，2011．75-79.
[8]李万伟，李晓红，徐东群。大气颗粒物中重金属分布特征和来源的研究进展[J]环境与健康杂志，2011，28( 7) : 654 -657．
[9]Li J D，Deng Q H，Lu C，et al． Chemical compositions and source apportionment of atmospheric PM10 in suburban area ofChangsha，China［J］． Journal of Central South University of Technology，2010，17 ( 3) : 509-515．
[10]张小玲，赵秀娟，蒲维维，等。北京城区和远郊区大气细颗粒PM2． 5
元素特征对比分析[J].中国粉体技术，2010，16( 1) : 28 -34．
[11]袁春欢，王琨，师传兴，等。哈尔滨市空气中PM10的元素组成特征分析[J]环境保护科学，2009，35( 1) :1-3．
[12]Hao Y，Guo Z，Yang Z，et al.Seasonal variations and sources of various elements in the atmospheric aerosols in Qingdao，China ［J］． Atmospheric research，2007，85( 1) : 27 － 37．
[13]孔祥宇，成都市中心城区大气重金属污染特征分析与区域扩散预测［D］.成都: 成都理工大学，2010．
[14]姚剑，王广华，林俊，等。上海市大气颗粒物与能见度的关系［J］．气象与环境学报，2010，26 ( 4) : 17 －21
[15]Wang Q Y，Cao J J，Gan X F，et al．Characteristics of elements in PM2. 5 during normal and haze period in Chengdu［J］． Environmental Chemistry，2010，29 ( 4 ) : 644-648
[16]楼蔓藤，秦俊法，李增禧，等。中国铅污染的调查研究［J］．广东微量元素科学，2012,19(10):15
[17]王广廷，胡晓波，金伟。工业烟气中铅、锌杂质的脱除技术浅析［J］．科技风，2013（10）：102
[18]．Fang G C，Chang C N，Wu Y S，et al．Characterization of chemical species in PM2. 5 and PM10 aerosols in suburban andrural sites of central Taiwan [J]Science of Total153Environment，1999，234 ( 1-3) : 203-212．
[19]王爱霞，张敏，黄利斌，等。南京市１４种绿化树种对空气中重金属的累积能力［J］．植物研究，2009，29(3)：368
[20]邹金华，张忠贵，蒋悟生，等。城市行道树大叶黄杨和月季铅镉污染现状及评价［J］．安徽农业科学，2012,40(35):17240
[21]闵玉涛，袁丽，刘阳生。载硫活性炭纤维（ACF/S）吸附脱除模拟焚烧烟气中的铅［J］．北京大学学报：自然科学版，2012,48(6):989
[22]冯素萍，张玉玲降尘中重金属的形态及其在模拟酸雨下的溶出规律环境科学研究［J］2007，22（4）41-44
[23]Cong Z Y，Kang S C，Luo C L，et al． Trace elements and lead isotopic composition of PM10 in Lhasa， Tibet ［J］．Atmospheric Environment，2011，45 ( 34) : 6210-6215．
[24]周琳，成都经济区大气降尘中铅、镉的环境化学行为研究，成都理工大学［D］.2006，14-15
[25]Hu X，Zhang Y，Ding Z H，et al．Bioaccessibility and healthrisk of arsenic and heavy metals ( Cd，Co，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn and Mn ) in TSP and PM2. 5 in Nanjing，China［J］．Atmospheric Environment，2012，57( 1) : 146-152
