二次有机气溶胶形成的化学过程

挥发性有机化合物的光氧化过程和光氧化产物的气态/粒子态均分过程是二次有机气溶胶形成的重要原因.二次有机气溶胶形成的化学机理主要涉及到挥发性有机化合物的光氧化过程及其一系列的后续反应,它们导致了对流层中臭氧浓度的增加和二次有机气溶胶的形成.本文将重点介绍二次有机气溶胶形成的重要化学过程和量子化学计算研究.     

二次有机气溶胶的气体/粒子分配理论

本文重点评述了二次有机气溶胶形成的气体/粒子分配理论,简要介绍了它的发展和可能的应用.在大气中,气体有机物种的氧化可以产生半挥发性的有机化合物,二次有机气溶胶的形成可以用气体/粒子分配的吸收模型来评估.气体/粒子分配过程决定于半挥发性化合物的成分、浓度和蒸气压,以及吸收性材料的浓度和成分.在气体/粒子分配理论的基础上,人们又研究和开发出二次有机气溶胶的分子组分的气体/粒子分配的热力学模型,它可以用来预估气溶胶中液态水的含量、无机物的分布、亲水性和疏水性有机物的分布.二次有机气溶胶形成的化学机理和气体/粒子分配的热力学模型与加利福尼亚工学院三维都市/区域性大气模型相结合,可以用于气相和气溶胶相模拟.     

挥发性和半挥发性有机物向二次有机气溶胶转化的机制*

从近20年二次有机气溶胶形成机制的研究成果可发现,挥发性和半挥发性有机物转化为二次有机气溶胶的主要物理化学过程可概述为光化学氧化机制、成核过程、凝结和气/粒分配机制以及非均相反应机制。本文系统总结了这些物理化学反应的发生过程及其影响因素,重点阐述了异戊二烯和甲苯同系物的光氧化机制,总结了二次有机气溶胶气/粒分配的两种理论--吸收机制和吸附机制,评述了发生在颗粒相上的非均相反应对二次有机气溶胶形成的重要作用。最后,对二次有机气溶胶形成机制研究的发展方向进行了展望。     

单颗粒气溶胶质谱仪串联热稀释器在线测量单个气溶胶颗粒的挥发性

颗粒挥发性可以影响颗粒在大气中的寿命,对大气颗粒物中二次气溶胶的形成机制研究有一定的参考价值。以往研究测量颗粒挥发性采用的是热熔蚀器,其活性炭吸附器一旦老化后,在较高温度下可能会释放出活性炭,造成测量失真。本研究针对热熔蚀器的上述缺点,以稀释器替代活性炭吸附器部分,与单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)连接,建立了一种在线分析单个气溶胶颗粒挥发性的测量方法。气溶胶颗粒分别通过两个通道进入SPAMS分析颗粒信息。通道1,气溶胶颗粒由管路进入加热器,被加热至不同的温度,颗粒挥发产生的气体和挥发后的颗粒内核进入稀释器部分,利用干净干燥冷的稀释气对加热挥发后的气体和颗粒进行稀释,使颗粒温度降低并短时间内不与气体发生冷凝,最后进入SPAMS进行检测。通道2为单独硅胶管,其长度与通道1相同,气溶胶颗粒通过通道2直接进入SPAMS检测。通过对比通道1和通道2获得的颗粒信息(粒径、数目和质谱信息等),得到气溶胶颗粒在不同温度下的挥发性。实验室用标准物质进行评估测试,结果表明,采用稀释器可以避免活性炭吸附器使用时间变长而失效,防止挥发性物质冷凝回到颗粒中。应用本方法初步测定了广州市春季气溶胶的挥发性,表明春季气溶胶多为高度挥发性和中度挥发性物质。     

气溶胶单粒子化学成分在线聚类分析

为了在线快速、自动处理气溶胶激光飞行时间质谱仪在运行过程中产生的海量数据并提取有价值的信息,将基于神经网络的自适应共振算法运用于气溶胶单粒子化学成分在线聚类分析.利用该算法对NaCl粒子、NaCl和CaCl2的气溶胶混合物、三聚氰胺气溶胶单粒子以及大气气溶胶单粒子进行在线分类,被成功分类的粒子数占命中粒子总数的100%,当警戒阈值为0.1,学习速率为0.05时,获得的每类聚类中心都能很好地代表该类物质的特征;深入研究了警戒阈值对NaCl粒子在线聚类数的影响.结果表明: 当警戒阈值增大到0.8时,在线聚类数增多,分类更加精细.本算法的质谱分析软件基本满足大气气溶胶单粒子在线聚类分析的要求.     

乙苯光氧化产生二次有机气溶胶的化学成分及反应机理分析

在自制的烟雾腔内,研究羟基自由基(OH·)启动的乙苯的光氧化反应和一系列后续反应,产生了二次有机气溶胶. 采用空气动力学直径粒谱分析仪分析了气溶胶粒子的尺寸分布;并用自制的气溶胶飞行时间质谱仪快速、实时地测量了单个二次有机气溶胶粒子的分子组分. 初步探讨了这些组分的可能反应机理.     

气溶胶单粒子化学成分的实时测量

自行设计了国内第一台可实时测量气溶胶单粒子化学成分的气溶胶飞行时间质谱仪,并用该仪器对两类燃烧过程产生的气溶胶粒子进行了实时测量。实验结果展示了本仪器能够同时实现实时在线测量和单粒子检测,从而克服了传统的离线检测方法如色谱法、化学方法的局限性。     

用自组织特征映射神经网络对飞行时间质谱采集的大气气溶胶单粒子进行分类

气溶胶飞行时间质谱仪(ATOFMS)在对气溶胶粒子的测量过程中,产生大量包含单粒子化学成分和粒径信息的数据。本研究采用具备矢量量化与数据降维能力的自组织特征映射网络(SOM),对自制的气溶胶飞行时间质谱仪24 h采集到的室内大气气溶胶质谱数据进行聚类分析。获得"含钙"、"盐类和二次气溶胶"、"二次颗粒"、"有机胺"、"富含钾有机物"、"无机盐"和"土壤"等20类颗粒。相比于其它聚类方法,SOM可进行可视化分析,对神经元进行再次聚类,聚类中心多。这些分类信息将有助于评估气溶胶粒子的反应和毒性,以及鉴别气溶胶粒子的起源。     

ICP—MS在线定量分析气溶胶粒子的技术研究

对感应耦合等离子体质谱(ICP-MS)在线快速定量分析气溶胶粒子技术进行了研究.振荡床发生稀土气溶胶粒子,将ICP-MS测得的离子簇脉冲数浓度与凝结核粒子计数器的读数比较,得到ICP-MS对粒子数浓度的相对计数效率.结果表明,ICP-MS对粒子数浓度的计数效率接近1.用振动孔气溶胶发生器发生单分散的硝酸铽粒子,并将ICP-MS测得的粒子中铽的响应信号与气溶胶发生器的计算值比较,获得了ICP-MS质量探测效率与质量的关系.在粒子物理直径实验范围内(0.4 ～3 μm),ICP-MS探测到的离子数与粒子中Tb的质量呈线性关系,表明在该范围内探测效率与粒径无关.初步研究结果表明,用ICP-MS既可进行连续气溶胶粒子的化学定量分析,也可进行每秒10个单粒子的化学定量分析.ICP-MS在环境气溶胶在线快速分析,尤其是气溶胶粒子中难熔金属和超铀元素超痕量在线环境监测方面具有潜在的应用前景.     

若干气溶胶单粒子化学成分的实时测量

利用激光解吸附电离飞行时间质谱技术获得了若干已知化学成分的气溶胶粒子的飞行时间质谱,分析标识了各类气溶胶粒子的特征离子谱峰,并对一些特征峰的形成机理进行了探讨。在此基础上,对烟花火药以及纸张燃烧产生的烟气气溶胶粒子进行了实时在线测量,通过对质谱图的分析,获得了有关此两类燃烧过程产生的烟气气溶胶单粒子的化学组成信息。     

气溶胶粒子通过填充柱的保留时间分布测定

采用亚微米单分散聚苯乙烯球形硬气溶胶粒子和脉冲进样技术,测定了气溶胶粒子通过无规则石英砂填充柱的保留时间分布,从保留时间分布曲线得到了气溶胶粒子在填充柱中的平均保留时间和穿透率.研究了平均保留时间和穿透率与流体流速、填充柱的长度、填料粒度和气溶胶粒子大小之间的关系.研究发现,流速越大,保留时间分布曲线越尖锐,流速越小,保留时间分布曲线越平坦;气溶胶粒子的穿透率随着柱长的增加而降低,随流速、气溶胶粒子粒径和石英砂颗粒大小的减小而减小;平均保留时间随柱长增加而增大,随流速增大而减小,随气溶胶粒子粒径减小而减小,而与石英砂颗粒大小几乎无关.     

气溶胶核化清除对云滴化学的作用

将气溶胶核化的物理过程与气体、气溶胶在云滴内的化学过程相结合,研究了气溶胶核化清除对云滴化学的影响。计算表明:气溶胶核化可造成形成的云滴中化学成分及其浓度随云滴尺度的非均匀性。气溶胶浓度、化学组成及云滴内液相氧化反应可较显著地影响这种非均匀程度及变化趋势。大陆性粗模态气溶胶上形成的云滴对总体云水化学的影响是可略的。这些结果表明,使用显式方法(粒子尺度分档)处理气溶胶核化清除的化学过程是重要的。     

硫酸钙及硫酸铵气溶胶对二次有机气溶胶生成的影响

二次有机气溶胶(SOA)是大气光化学反应的产物, 也是城市和郊区大气中细粒子的主要成分. 本研究致力于考察高浓度无机气溶胶颗粒对SOA生成的影响. 实验系统采用2 m³的温控烟雾箱, 以干燥的CaSO₄和(NH₄)₂SO₄为无机种子气溶胶, 研究了间二甲苯/NO_x/空气体系光氧化生成SOA的过程. 实验结果显示间二甲苯和NO_x在紫外光照下会产生大量SOA, SOA产率可用单产物模型表征. CaSO₄气溶胶的存在对SOA产率曲线没有明显的影响, 而(NH₄)₂SO₄气溶胶的存在使气相半挥发性氧化产物的生成量增加36%, 显著地增加了SOA的产率. (NH₄)₂SO₄粒子在含水有机物作用下显现的弱酸性可能是导致这一影响的主要原因. 该实验结果有助于更详尽地阐明中国颗粒物污染严重城市SOA的生成机理, 从而为进一步修正空气质量模型提供依据.     

冷气溶胶灭火剂用NaHCO3/白炭黑复合粒子的制备

气溶胶;碳酸氢钠;干粉灭火剂;冷气溶胶灭火剂用NaHCO3/白炭黑复合粒子的制备     

二次有机气溶胶的水相形成研究

二次有机气溶胶是大气颗粒物中的主要成分,对大气环境、气候以及人类健康等有重要影响。近年来的研究表明,水相形成二次有机气溶胶与传统气相形成二次有机气溶胶对二次有机气溶胶的贡献相当,且能够解释用传统气相形成方法无法解释的野外观测与模型模拟以及野外观测与室内烟雾箱模拟二次有机气溶胶在颗粒大小、分布、浓度以及老化程度等方面的差异,因而成为研究的热点。本综述重点介绍了目前大气中二次有机气溶胶水相形成的实验室研究,包括黑暗条件下的非自由基反应(水合、缩醛/半缩醛、醇醛缩合和催化反应)和光照条件下的自由基反应。同时,对二次有机气溶胶水相形成研究的发展方向进行了展望。     

塔克拉玛干沙漠黑碳气溶胶的特性及来源

长期监测并采集塔克拉玛干沙漠腹地的大气颗粒物及黑碳气溶胶样品.在塔克拉玛干沙漠腹地,沙尘气溶胶中的黑碳在PM10中的年平均含量高达1.14%,这说明在人迹罕至的塔克拉玛干沙漠地区,其上空的沙尘气溶胶也已经受到人为活动的影响.黑碳气溶胶具有明显的季节变化和日变化,冬季最高,平均达2261.7ngm-3,依次为冬季春季秋季夏季.黑碳气溶胶日变化特征与城市地区恰好相反,夜间高于白天,午夜0:00～2:00出现峰值,而在上午8:00～11:00出现低值.非沙尘暴期间黑碳对PM10的贡献是沙尘暴时期的11倍.塔里木盆地周边绿洲带人为活动,尤其是新疆南北部地区跨越春秋冬三季的居民采暖所产生的黑碳经由局地、区域或长途传输是塔克拉玛干沙漠腹地黑碳气溶胶的主要来源,也是沙漠黑碳气溶胶具有明显的季节特征和日变化的主要原因.随着沙尘气溶胶的长途传输,沙漠每年大约输出6.3×104吨黑碳气溶胶,这势必会对全球的气候与环境变化产生一定影响.     

单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪分析香烟烟气气溶胶

单颗粒气溶胶飞行时间质谱可同时对气溶胶单颗粒的粒径大小、化学成分进行实时、在线检测.本研究介绍了新近研制的单颗粒质谱仪的原理、结构、主要技术指标及对香烟烟气气溶胶的应用研究.仪器采用空气动力学透镜聚焦,双光束粒径测量系统确定颗粒物的空气动力学直径,激光电离系统实现颗粒物精确电离,通过双极有网反射飞行时间质量分析器实现正负离子同时检测.香烟检测结果表明,在颗粒物粒径分布上,新鲜香烟烟气颗粒范围较老化烟气宽.在气溶胶化学成分上,老化烟气颗粒物与新鲜烟气相比,尼古丁,氰酸盐,硝酸盐,硫酸盐及铵盐5种成分的数浓度百分比都有所增加,而含C1-的数浓度百分比减少.原因可能是由于烟气由气相到粒相之间的转化,及颗粒物与空气中的气体发生了非均相反应;C1-老化之后的减少是因为HN03与CI-之间的非均相反应.     

大气气溶胶吸湿性及其对环境的影响

吸湿性是气溶胶重要的物理化学特性,不仅会影响气溶胶的生命周期和大气行为,还会对大气环境、气候和人体健康产生重要影响。本文简要介绍了气溶胶吸湿参数和热力学模型,对粒径、化学组分以及多组分共存等因素对气溶胶吸湿性的影响进行分析,进一步总结了城市、农村森林和海洋极地等不同区域气溶胶吸湿观测结果。吸湿增长因子g(RH)、散射吸湿增长因子f(RH)和吸湿性参数κ等常用吸湿参数可以衡量气溶胶的吸湿能力;Zdanovskii-Stokes-Robinson(ZSR)混合定律和各种热力学模型能预测不同化学成分气溶胶的吸湿能力,是研究多组分混合气溶胶和气相平衡的重要工具。粒径、化学组分和混合状态影响气溶胶的吸湿性,如气溶胶g(RH)、潮解点或风化点的改变。由于排放源和环境条件的不同,城市、农村、森林、海洋、极地地区气溶胶粒径分布、化学组分和混合状态具有差异,气溶胶吸湿性不同。气溶胶吸湿性直接影响气溶胶含水量和相态,改变气溶胶的大气化学过程、老化过程和大气寿命,还影响环境能见度、辐射效应和在人体内的沉积位置和毒性。通过总结吸湿参数、理论模型、实验室研究、外场观测和环境影响等多方面的最新研究成果,以期为未来的吸湿研究提供参考和借鉴。     

用于大气化学反应和二次有机气溶胶研究的实验室烟雾箱系统的搭建、测试与初步实验

为了从本质上认识和了解大气氧化反应进程以及二次有机气溶胶的形成机制,设计并搭建了一套实验室模拟烟雾箱系统．将质子转移反应质谱、同步辐射光电离质谱及气溶胶激光飞行时间质谱等特色质谱检测系统与烟雾箱结合,用于大气氧化反应气相和粒子相产物的定量与定性分析．通过一系列表征实验获得了该系统的基本参数,如烟雾箱内温度和光强特征,气体化合物和颗粒物的壁损耗速率,零空气的背景反应性及实验结果的可重复性．臭氧氧化α-蒎烯定量化实验和OH启动异戊二烯光氧化反应的定性检测结果进一步表明了该系统能够满足大气化学反应过程中气相和粒子相化学成分的定性分析及二次有机气溶胶的定量化研究的需要.     

基于气溶胶质谱的二次有机气溶胶识别

二次有机气溶胶(SOA)是大气气溶胶十分重要的组成部分,也是目前人们认识最为薄弱的气溶胶组分.由于有机气溶胶化学组成的复杂性,对SOA进行有效的识别和估算一直是国际气溶胶研究领域的热点和难点问题.本研究尝试使用一种新方法来定量识别深圳冬季大气中的SOA:利用气溶胶质谱仪在线观测的高时间分辨率优势和质谱中的特征碎片离子,应用正定矩阵因子解析(PMF)模型对细粒子组分的主要来源进行解析,识别出其中的二次有机物.结果表明:深圳冬季大气细粒子中SOA浓度平均为9.41±6.33μg/m3,占总有机物质量的39.9±21.8%;相比于一次有机气溶胶(POA),SOA浓度水平变化较为平缓,体现了区域性二次污染物的特征.SOA/BC比值具有鲜明的日变化规律,且与Ox(O3+NO2)的日变化规律相似,说明SOA的生成过程显著地受控于大气光化学活性.深圳冬季大气SOA生成最活跃的时段约为9～15时,期间SOA/BC比值增长了122%.本文为研究我国大气二次有机气溶胶提供了一种新的技术方法和思路.