大氣微粒中金屬元素來源與分析方法

大氣微粒中之金屬元素是由環境自然產生或人為因素排放，不論來自人為因 素或自然排放，大多數是以粒狀物型態排至大氣中，經大氣傳輸與重力沉降作用

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而廣泛分佈於環境中(James et al., 1995)。

1. 自然環境產生

自然環境產生之金屬元素其來源包括：火山爆發、森林火災及海洋產生之飛 沫，這些不同來源主要產生的金屬如下：

(1) 沙塵暴：全球每年溢散至大氣中的量 2500Tg (Mahowald et al., 2010)，最新估計 為沙塵顆粒富及許多鹼金屬、鹼土金屬、過度金屬以及稀土元素。

(2) 火山爆發: 產生 Hg、Fe、Mn、V、Zn 及 Co 等金屬。

(3) 森林火災: 可能是自然環境中 Mo 之主要來源之一(Nriagu, 1989)。

(4) 海洋: 海水飛沫中含有 Na 與 Mg 等金屬(Nriagu, 1989)。

2. 人為因素排放

Nriagu and Pacyna (1988)考慮的人為源包含了燃煤、燃油、金屬冶煉、採礦、

鋼鐵製造、廢棄物燃燒、施肥、水泥生產、木頭燃燒，他們進而以金屬元素之排 放係數推估其在大氣環境中自然環境產生與人為因素排放之比例，發現大多數金 屬元素皆以人為因素之排放居多。估算藉由人為因素經排放至大氣環境之As、Cd、

Cu、Hg、Mo、Ni、Pb、Sb、Se、V 及 Zn 等金屬之排放量依序分別為 120、30、

2150、11、110、470、1160、72、79、71 及 2340 kton/yr，而排放至自然環境之金 屬元素其總毒性超過放射性物質及有機物。一般人為因素排放金屬之污染源如 下：

(1) 固定污染源：包括來自焚化爐、燃煤鍋爐、鋼鐵工業及各種工業製程之排氣 (Eldered et al., 1997) ，以及農廢燃燒。

(2) 移動污染源：由於汽機車的排放(Singh et al., 1997)。

(3) 逸散污染源：街道及工程揚塵(含有金屬 Fe、Mn、Zn、Pb、Al、Si、Ca、K 與 Mg 等元素)。

Pacyna et al. (2007) 估算 2000 年時歐洲地區排放至大氣中的幾個重金屬污染 源排放量：As 為 763 噸：Cd 為 590 噸：Cr 為 2711 噸：Ni 為 4797 噸：Pb 為 13156 噸。前四者的來源主要是用作電力及熱能源燃料之燃燒、有色金屬屬冶煉、鐵及 不銹鋼生產、及水泥生產及其他。Pb 除這些來源外，最重要的還包含汽油燃燒，

以及少量來自廢棄物燃燒。

Singh et al. (2002)在洛杉磯之研究結果顯示：街道揚塵中的 Al、Si、K、Ca、

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Fe 及 Ti 等為地殼主要元素，其主要分佈在超微米(supermicron)之微粒上，而具潛 在毒性之金屬(如 Pb、Sn、Ni、Cr、V 及 Ba)有 70~85%分佈於次微米(submicron) 微粒上，Pb、Sn 及 Ba 則為道路交通工具排放之指標元素。Al、Si、Ca 及 K 主要 分佈在粗微粒(coarse mode)上，其中 60~80%之質量濃度分佈在此粒徑範圍上，而 15~30%則分佈於中間粒徑(intermediate mode)上。粗微粒上 Si 和 Ca、Ti、Mn、Fe、

K 及 V 等元素之相關係數之範圍在 0.75~0.98 之間，顯示粗微粒上之 Si 和 Ca、Ti、

Mn、Fe、K 及 V 等元素與揚塵有關。Pb、Ni、Cr 及 V 大部分存於 PM0.18-2.5及PM0.18

上，其中70~85%分佈在次微米上，超過 40% 存於粒徑小於 0.35 µm 上，這些金 屬元素主要來自人為排放(anthropogenic sources)，包括來自交通工具排放之廢氣、

工業製程排放及燃燒污染源等產生之細微粒。

柴油車排放微粒上金屬成分主要來自潤滑油或油料觸媒之添加及引擎摩擦所 產生。Wang et al. (2003)之研究結果顯示，台灣地區柴油車排放之地殼元素(Al、Ca、

Fe、Mg 及 Si)及人為污染元素(Ag、Ba、Cd、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Sr、Ti、

V、Zn、As 及 Hg)分別為 269,000 及 58,700 kg/yr，其年排放量較燃煤電廠(90,100 及1,660 kg/yr)、電弧爐廠(2,060 及 173 kg/yr)及焦炭爐廠(60,500 及 3,740 kg/yr)為 高。楊(1998)研究發現柴油引擎排放廢氣之粒狀物中含的主要金屬(major metal)有 Al、Ca、Fe、Na、Cr、Ba、Ni、Mg、K 等；微量金屬(trace metal) 有 Mn、Zn、

Pb、Ca、Cd、V 及 Sr 等，主要金屬含量最高之兩種元素為 Al (約 48 mg/g)及 Fe (約 77 mg/g)，而微量金屬則以 Mn (5.2 mg/g)、Zn (3.7 mg/g)、Pb (1.8 mg/g)及 Cu (2.4 mg/g)之含量較高。Kerminen (1997)以實驗室柴油引擎，探討排放廢氣粒狀物之特 性，發現引擎廢氣的微粒上含有Na、K、Mg、Ca、Zn 及 Fe 等金屬元素。Altaf (1997) 在 Saudi Arabia 兩條馬路上進行野生植物吸附重金屬元素之調查，研究發現其中 一條馬路(柴油車佔總交通量 40%)植物上 Zn 的含量較另一馬路(個人汽車佔總交通 量90%)高。

Fanelli (1997)指出在 1984~1985 年間含鉛汽油中鉛含量最高濃度曾達 840 mg/L，含鉛汽油被認為是環境中鉛曝露之主要來源。Facchetti (1989)指出一般大眾 可經由直接或間接途徑吸收含鉛汽油之鉛添加劑。Thomas et al. (1999)探討人體血 液中鉛濃度與含鉛汽油使用量之相關性，他們發現人體血液中鉛濃度與汽油中鉛 含量有良好的相關性(R² = 0.94)。在 20 世紀，排放至環境中的鉛已危害整個地球

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生態，為減少鉛對人體健康的危害，世界各國已全面使用無鉛汽油。

Fernández et al. (2001)在西班牙進行金屬粒徑分佈研究，研究結果顯示具毒性 之金屬會累積在極小的微粒上，因此通盤了解分佈於極小微粒上之重金屬成分及 其毒性顯得相當重要。有50%以上的微粒(數目濃度)是分佈在粒徑 0.61 µm 以下，

且具毒性之V、Ni、Pb 及 Cd 等佔大部分微粒的成分(Fernández et al., 2001)。有些 研究以體外試驗模擬呼吸環境或以動物進行體內試驗，研究結果顯示大氣微粒上 金屬成分對肺具有毒性效應(Pritchard et al., 1996; Gavett et al., 1997; Costa and Dreher, 1997; Kodavanti et al., 1998; Dye et al., 2001; Sun et al., 2001)。汽機車排放的 廢氣內含的Pb、 Fe、Cu、Zn、Ni 及 Cd 等各種重金屬，以及輪胎磨損產生的 Zn，

為交通源微粒上主要金屬指標元素(Pacyna, 1986)。大氣微粒中微量金屬元素分佈 於不同粒徑範圍，其粒徑分布不僅影響吸入顆粒之金屬毒性，且影響經由大氣傳 輸擴散沈降於地面之速率。除此之外，經由呼吸系統吸入之微粒大小及其組成分 嚴重影響身體健康，而吸入及呼吸沉澱之微粒數亦取決於微粒粒徑大小(Hinds, 1999)，而特定毒性物質之間接毒性則影響了微粒毒性(Spurny, 1998)。

Thomaidis et al. (2003)的研究指出雅典地區冬季期間 PM2.5微粒上Pb 之含量較 高；以主成分分析金屬來源，發現微粒上Pb、As 及 Ni 可能來自相同污染源，如 汽機車尾氣、油品燃燒和道路落塵之再懸浮作用；Cd 及部份 As 則來自工業活動 所產生。Puxbaum et al. (2004)之研究指出：維也納都會區大氣微粒上 Cd、Ni、Pb 和Zn 等金屬元素之濃度較高，PM_2.5上較高濃度之微量金屬元素包括Cd、Co、Cu、

Fe 及 V 等。Sun et al. (2004) 的研究結果發現，由於道路揚塵再懸浮及汽機車排放 廢氣，造成北京市交通測站大氣微粒上Al 之濃度升高；而在工業區，PM₁₀微粒上 Al 濃度增加則主要與工廠煤灰排放及道路揚塵再懸浮有關；冬季期間住宅區 PM₁₀ 微粒上Zn 及 Pb 之濃度最高，而在工業區大氣 PM₁₀微粒則以 Fe 及 Pb 之濃度最 高。Ｈsu et al.（2008)基於長期監測資料發現，台北 PM10中的Al 主要是來自亞洲 沙塵顆粒，呈現單峰分佈，質量平均粒徑為3.6 µm。Var et al. (2000)於 1974-1996 年期間利用網路即時監測日本16 個測站，進行大氣微粒上金屬元素探討，其結果 顯示：大氣微粒上地殼元素(Al、Ca、Fe、Mn、Sc、Ti)主要來自於土壤塵土；此 外，金屬工業製程或燃料燃燒亦是地殼元素來源之一；As 主要來自於燃料燃燒、

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V 主要來自汽油燃燒、Pb 來自含有鉛添加物之汽油燃燒、Zn 則來自於燃燒煤、木 材及車輛輪胎行駛過程時摩擦所產生。Hrsak et al. (2001)於克羅埃西亞境內某處廢 棄物傾倒場附近進行微粒之重金屬探討，結果發現大氣微粒上Pb、Mn 及 Cd 之濃 度較低，而Hg 之濃度則最高； Pb 和 Cd 具高度相關性，顯示 Pb 和 Cd 可能來自 同一污染源；Hg 之濃度與大氣溫度及高度呈正相關。

Lopez et al. (2005)探討西班牙薩拉戈薩市大氣環境中之金屬來源，結果發現大 氣微粒上之Cr、Cu、Fe、Mn、Pb 及 Zn 等主要來自交通及工業活動，Al、K、Mg 及Na 等主要來自地殼元素及海水飛沫，Ca 及 Sr 主要來自交通再懸浮之揚塵顆粒 所貢獻，Ba 及 Co 亦受地殼元素影響，而 V 則來自石油燃料燃燒所貢獻。Kemp (2002) 探討丹麥三城市大氣微粒上金屬成分來源，發現交通工具與家庭暖氣機及大氣長 距離傳輸為主要污染源；大氣微粒上 Pb 含量會隨汽油中 Pb 含量之減少而明顯降 低。此外，當地交通工具的排放為Cu、Cr 及 Zn 的主要來源，且濃度有漸漸增加 的趨勢。K 除來自地殼及海水飛沫外，另有相當比例來自生質燃燒及燃煤，常呈 現雙峰分佈，Hsu et al.（2009)即以此元素作為生物煙塵（biosmoke)的指標，估算 東北季風期間台北大氣ＰＭ10顆粒中之Ｋ，約有50-75％源自長程輸送之亞洲汙染 物，且往往伴隨各種重金屬（如Ａs、Se、Mn 及 Pb 等)，元素之間質量比值近乎固 定。Ｈsu et al. (2010)發現金門東北季風時期的ＰＭ10及PM2.5濃度異常高，分析其 化學成分，許多重金屬濃度甚至相較台灣本島高，他們進一步分現Ｆe/Al 質量比 值相較平均地殼成分明顯低，配合各種資料，研究者歸因於金門大氣微粒主要源 自其東北方的福建晉江地區的陶瓷工業及做為燃料的燃煤污染。