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.     

大气有机硫酸酯化合物的特征及形成机制

本文总结了大气二次有机气溶胶的重要组分——有机硫酸酯化合物的特征及其形成机制的研究进展,并对相关研究进行了展望。近年来,通过实验室模拟与欧美地区的实际大气气溶胶样品的分析对比,发现有机硫酸酯化合物多由异戊二烯、α-/β-蒎烯以及其他单萜烯和倍半萜烯等经OH自由基、NO₃自由基或臭氧氧化后的反应产物与硫酸或硫酸盐气溶胶进一步反应而形成。有机硫酸酯化合物也可以通过硫酸或硫酸盐气溶胶反应性获取乙二醛等羰基化合物而形成。硫酸盐气溶胶酸性的增强会促进有机硫酸酯化合物的生成。有机硫酸酯化合物在水溶液中比较稳定,强酸性条件下才会发生水解作用。目前有机硫酸酯化合物的有效检测手段是离线电喷雾电离质谱(electrospray ionization mass spectrometry, ESI-MS)或在线气溶胶质谱(aerosol mass spectrometry, AMS)方法。     

大气颗粒物中有机硝酸酯的研究进展

有机硝酸酯是大气中挥发性有机物与自由基反应的产物,半挥发性的气相有机硝酸酯可以通过氧化反应或气粒分配作用进入颗粒相,是二次有机物的一个重要组成部分,逐渐引起大气化学研究者的广泛关注。颗粒相有机硝酸酯具有分子种类众多、理化性质复杂的特点,其全组分的测定有较高的难度,故目前开展的研究还较为有限。基于近年来国内外相关研究,本文对大气颗粒物中有机硝酸酯的形成机制、测定技术和估算方法进行了总结。随着测定技术的不断发展,外场观测已成为颗粒相有机硝酸酯的主要研究方法。热解析管激光诱导荧光系统(TD-LIF)和气溶胶质谱(AMS)为颗粒相有机硝酸酯的总量估算提供了方法,同时其较高时间分辨率的测定方法也为研究有机硝酸酯的大气行为提供更多信息。化学电离源质谱(CIMS)可以提供颗粒相有机硝酸酯的分子信息,有望在外场观测中得到广泛运用。在未来研究中,将外场观测研究、模型模拟和烟雾箱模拟实验相互结合,以实现对颗粒相有机硝酸酯的前体物追踪、大气化学过程的深入了解,为揭示大气颗粒物中有机硝酸酯的生成机制提供新的方向。     

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.     

α-蒎烯大气化学反应的研究进展

概述了国内外有关α-蒎烯的大气化学反应的研究进展．主要介绍了α-蒎烯与OH自由基、O3分子、NO3自由基的气相反应的机理及其产物以及形成二次有机气溶胶（SOA）的研究现状,还对α-蒎烯未来的研究动向等进行了阐述．     

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。     

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.     

OH引发的正辛烷大气反应机理的理论研究

采用量子化学密度泛函理论研究了正辛烷与OH自由基的大气氧化反应机理。在B3LYP/6-31G(d)水平上对该反应体系的反应物、中间体、过渡态及产物进行了几何构型优化和频率计算,并在B3LYP/6-311＋G(3df,2p)水平上进行了单点能计算,得出了各反应通道的势能剖面图. 计算结果表明: 羟基硝酸酯和含有羟基羰基官能团的化合物是主要的反应产物,并且它们的挥发性较低,容易形成二次有机气溶胶。另外,本文将理论计算结果与可用的实验观测结果进行了比较。     

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.     

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.     

羟基自由基引发的邻二甲苯大气氧化机理

采用量子化学、过渡态理论和单分子反应理论计算,研究了由羟基(OH)自由基引发的邻二甲苯(oX)大气氧化降解机理.在M06-2X/6-311++G(2df, 2p)水平上优化了反应物、过渡态和产物的结构,在ROCBSQB3水平上计算了反应势能面.采用过渡态理论计算了各个可能反应步骤的速率常数和反应通道的分支比,同时还采用单分子反应理论(RRKM-ME)计算探讨了反应的压力效应.计算发现,在大气中,邻二甲苯与OH的反应以苯环加成为主,首先形成两个加和物oX-1-OH (R1)和oX-3-OH (R3),它们随后与大气中的氧气发生反应.R1和R3与O₂可直接发生不可逆直接夺氢生成二甲基苯酚,或和O₂的可逆加成,生成双环自由基中间体.双环自由基将与大气中的氧气结合,形成双环过氧自由基,接着与NO或HO₂反应生成有机硝酸酯或有机过氧化氢化合物,或被还原为双环烷氧自由基,并最终生成产物,包括丁二酮、丁烯二醛、甲基乙二醛、4-氧-2-戊烯醛、2, 3-环氧丁二醛以及少量的乙二醛.这些产物中有机过氧化氢和甲基乙二醛被认为对二次气溶胶有较大的贡献.结合理论计算和文献报道的实验结果,提出了新的oX大气氧化机理,预测了在高NO浓度条件下可能产物的分支比,并与文献报道结果相比较.最后还讨论了温度对反应机理的影响.     

有机硝酸酯合成及其在环境治理应用中的研究进展

有机硝酸酯是一类在医药、含能材料和合成化学等领域具有重要应用价值的化合物。大气中的有机硝酸酯是由人为源或自然源排放的挥发性有机物与大气中羟基或氮氧自由基等氧化生成的重要污染物,是环境大气中一类重要的活性氮氧化物,也是二次有机气溶胶的重要组成部分。大气中有机硝酸酯的变化特征及源汇机制已成为大气污染研究热点。本文综述了近年来有机硝酸酯合成研究进展,主要从烯烃官能团化硝酸酯化反应、碳氢键硝酸酯化和其它反应方面总结。同时总结了近年有机硝酸酯化合物标准物质合成及其在环境治理应用进展,展望了有机硝酸酯合成方法开发及其在环境科学领域的潜在应用价值。     

氯苯类污染物在高层大气环境中形成的可能性

简要地总结了大气离子与自由基反应的研究进展和以氯苯为目标产物的气相离子-分子反应的质谱研究。根据大气层状结构图、高层大气的特点以及相关的研究结果,提出了氯苯类污染物的形成不排除是大气化学反应尤其是离子反应产物的观点。对进一步研究大气中氯苯类污染物的生成机制和控制具有重要意义。     

典型芳香烃大气氧化机理研究进展

芳香烃作为城市大气臭氧(O₃)和二次有机气溶胶(SOA)的重要前体物, 由于其对大气二次污染、气候变化及人体健康具有重要影响, 因此芳香烃氧化机理研究成为当前大气环境化学领域最具挑战的热点研究之一. 本文综述了芳香烃氧化机理的研究成果, 详细讨论了它们与OH自由基在高低氮氧化物条件下的各反应通道和影响因素, 重点关注近年来芳香烃氧化反应研究中的新发现和新理论. 芳香烃的大气氧化反应起始由OH自由基主导, 根据其反应产物主要分为醛通道、酚通道、双环RO₂通道和环氧化物通道. 随着形成多羟基化合物、烷氧自由基环氧化、双环过氧自由基分子内氢转移、醛类化合物氢转移、CO-loss生成低碳产物等新理论的提出, 对芳香烃氧化的理解虽然有所提高, 但反应过程仍存在碳质量不守恒和自由基不闭合的问题, 导致对后续O₃和SOA形成机制的认识还十分有限. 理论计算和实验室模拟是目前芳香烃氧化机理研究的主要手段. 质谱法和光谱法是芳香烃氧化产物最常用的测量技术, 在线质谱技术尝试从分子水平上捕捉示踪性中间产物的转化, 对揭示芳烃氧化机理具有重要作用. 随着示踪物测量技术的发展, 特别是色谱-质谱联用技术为中间产物的精准测量和芳香烃氧化机制的完善开拓了新方向. 在此基础上, 厘清芳烃氧化中的碳平衡和自由基收支等关键科学问题、探究实际大气中芳香烃的环境效应有望成为未来该领域的重点研究方向.     

臭氧与二乙胺和三乙胺气相反应的速率常数(英文)

利用自制的烟雾箱系统研究了臭氧与二乙胺和三乙胺的气相反应动力学.实验过程中保证二乙胺和三乙胺浓度远远大于臭氧浓度,使得实验在准一级条件下进行.加入环己烷以消除实验过程中可能产生的OH自由基对反应的影响.在(298±1)K和1.01×105Pa条件下,测得臭氧与二乙胺和三乙胺反应的绝对速率常数值分别为(1.33±0.15)×10-17和(8.20±1.01)×10-17cm3·molecule-1·s-1.与文献中已有的其它胺类的臭氧反应数据比较后发现,臭氧与胺的反应可以用亲电反应机制来解释.另外,通过对比发现,臭氧与三取代的烷基胺类的反应速率要远远大于其与二取代的烷基胺类的反应速率.这在一定程度上可有助于解释外场观测到的气溶胶相中二烷基胺盐较多的事实.利用测得的速率常数和大气中臭氧浓度,还估算了二乙胺和三乙胺与臭氧反应的大气寿命.结果显示,与臭氧的反应是二乙胺和三乙胺在大气中的一种重要的消除途径,尤其是在污染严重地区.     

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。     

PM_(2.5)中的有机硫酸酯类化合物

有机硫酸酯是近年来新发现的二次有机气溶胶化合物,是大气PM_(2.5)的重要组分,是人为活动和生物排放的产物,不仅危害人体健康,还对全球气候产生影响。本文综述在不同大气环境下有机硫酸酯的种类结构,即:森林(清洁地区)以植被排放的异戊二烯和α-/β-蒎烯为前体物、城市(污染地区)以多环芳烃为前体物、受植被和人类活动共同影响的地区则以羰基化合物为前体物,与不同大气氧化剂在SO_2/H_2SO4作用下形成有机硫酸酯的大气光化学过程;总结了到目前为止,有机硫酸酯类化合物在世界各地大气PM_(2.5)中的浓度水平;以及各技术手段在分析、检测有机硫酸酯类化合物时的优势和缺陷;讨论了影响有机硫酸酯形成的因素;提出了有机硫酸酯研究亟待解决的问题,并对未来研究方向进行了展望。     

聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)催化合成缩醛

制备了交联的聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)(PAMPS)。测定了PAMPS的硫元素含量和H~+密度,用示差扫描量热仪测定了高吸水树脂PAMPS所吸收的结合水和自由水的量。以PAMPS为催化剂和吸水剂,未使用苯等共沸除水剂的条件下,芳香醛和邻二醇反应,合成了缩醛。与传统催化剂酸型732阳离子交换树脂相比较,PAMPS的用量少、催化产物产率更高。PAMPS易与反应物分离,可回收重复利用。测定了PAMPS作为催化剂在反应中吸收的醛、醇、缩醛和水的量。PAMPS易吸附邻二醇和水,吸附的醛和缩醛的量很少。不同条件下,PAMPS吸附的水与未吸附水比值越大,越有利于反应正向进行,产率越高。阐明了催化过程。芳香醛与1,2-丙二醇反应生成的缩醛顺反异构体的比例由~1H NMR测定,反式结构量多于顺式结构。     

预浓缩/色谱-质谱测量大气中挥发性有机硫化合物

硫循环是生物地化循环中最复杂的循环之一. 近年来,由于人类活动的影响,大气中硫化物含量急剧增加. 这些硫化物与大气中自由基发生作用,形成SO2、H2SO4和硫酸盐, 导致环境酸化, 酸沉降加剧.硫酸盐气溶胶的形成还改变了大气云层特性,影响大气臭氧含量的垂直分布以及大气热量辐射,对温室效应有一定的贡献[1-3].挥发性有机硫化合物中的甲硫醇(MT),甲硫醚(DMS),二硫化碳(CS2)和二甲二硫(DMDS)还是国家标准控制《恶臭污染物排放标准》中规定的4种恶臭气体,对大气环境质量造成一定的影响.     

对流层大气过氧自由基实地测量的技术进展及其在化学机理研究中的应用

大气过氧自由基化学是对流层大气化学的重要组成部分,对于理解大气氧化性、光化学臭氧和二次有机气溶胶生成等核心科学问题具有重要意义。基于实地测量,准确掌握大气过氧自由基的浓度水平、进行相关化学行为分析以及实测结果模拟分析一直是大气过氧自由基化学研究的重点和难点。本文总结了大气过氧自由基实地测量的技术方法,回顾了涉及大气过氧自由基的大型实地观测实验,分析了已有观测实验中大气过氧自由基的浓度水平和差异,归纳了实地测量数据在化学机理研究中的应用,讨论了模拟分析实地测量结果中的主要科学发现。最后,提出该领域中尚存在的问题及可能的重点研究方向。