机动车尾气二次有机气溶胶生成研究

二次有机气溶胶(SOA)是大气细颗粒物(PM_2.5)的重要组分,对大气能见度、公众健康以及区域或全球气候变化具有重要影响。在城市地区,机动车尾气排放的气态前体物在大气中氧化产生高浓度SOA,是城市空气质量下降的重要因素。本文综述了近些年机动车尾气SOA生成的相关研究成果,重点关注关键前体物的识别与排放表征、SOA生成特征、演化过程与影响因素,对比了不同研究得到的机动车SOA生成因子的差异,并提出新测量技术、新反应机制和新参数化方案将是未来研究重点关注的方向。     

用气溶胶飞行时间质谱实时探测甲苯光氧化产生的单个二次有机气溶胶粒子

在烟雾腔内, 用紫外光照射甲苯、亚硝酸甲酯、一氧化氮和空气的混合物, 可以启动甲苯和羟基自由基(OH·)的光氧化反应和一系列的后续反应, 产生非挥发性和半挥发性有机化合物. 半挥发性有机化合物可以在气态和粒子态之间进行分配, 产生二次有机气溶胶粒子. 用自制的气溶胶飞行时间质谱仪, 快速、实时测量这些粒子的尺度、它们的分子成分和直径分布.     

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.     

基于外场观测的大气二次有机气溶胶研究

二次有机气溶胶（SOA）是指挥发性有机物在大气中发生光化学氧化进入到颗粒相的产物,由于其具有强烈的环境效应、气候效应和人体健康效应,因此成为大气化学研究的热点. 然而由于SOA的复杂性和测量技术的限制,目前对SOA的研究还非常有限. 总体来说,对SOA的研究手段主要有三种方法：实验室模拟、模式模拟和基于外场观测的SOA研究. 由于SOA的研究非常广泛,本文仅综述了基于外场观测的SOA组成、来源和生成机制的研究,重点在于SOA组分的测量和总量的估算. 基于外场观测的SOA研究是随着技术的发展而发展的,早期的研究仅仅能对SOA的少数物种进行测量,主要是一些有机酸和多羟基化合物;也有利用一些假设对SOA进行粗略的估算,如受体模型法、非生物质燃烧水溶性有机物法;随着SOA实验室模拟研究和示踪物测量技术的发展,二次有机示踪物法真正做到了对特定前体物VOC生成SOA的估算;随着在线测量技术的提高,EC示踪/CO示踪和OC/EC比值法和基于气溶胶质谱（AMS）-正交矩阵模型（PMF）的方法被广泛应用于SOA的估算. 尤其是AMS-PMF联用方法的出现为SOA来源和生成机制的研究开拓了新的方向. 对AMS技术和示踪物技术的进一步联合和开发有望成为未来SOA研究重要的方向.     

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。     

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.     

二次有机气溶胶估算方法比较研究

为研究北京夏季二次有机气溶胶（SOA）浓度,比较多种SOA估算方法的不确定性和在我国的适用性,在CAREBEIJING 2008大型观测期间在城市点北大点和郊区点榆垡点采集大气颗粒物PM_2.5样品,利用多种方法对二次有机碳（SOC）的浓度进行了估算,估算方法包括二次有机示踪物产率法、非一次源OC法、非生物质燃烧水溶性有机碳法（WSOC）和元素碳示踪有机碳/元素碳比值法.估算结果表明,二次有机气溶胶已经成为北京颗粒有机物的重要组成部分,夏季SOC可以占总有机碳（OC）的50%甚至更高。通过模拟我国典型的生物质燃烧,实测建立适合我国的获得了非生物质燃烧WSOC方法中的重要参数,即获得方法中重要参数生物质燃烧排放颗粒物中WSOC/OC的比值,我国生物质燃烧颗粒物中该比值平均为0.48±0.04.多种方法结果均表明,SOA已经成为北京颗粒有机物的重要组成部分,所占比例可以达到50%甚至更高.利用化学质量守恒模型（CMB）和示踪物产率法对颗粒有机物来源进行闭合发现,依靠目前的示踪物技术北京大气颗粒有机物中仍然有20%～27%的来源不清楚.通过综合比较了多种SOC估算方法,确定了各方法在我国的适用性： 示踪物产率法、非一次源OC法和EC示踪OC/EC比值法可适用于我国大气中SOC的估算,但是非生物质燃烧WSOC方法仅适用于我国大气中水溶性SOC的估算,但是不同方法之间存在的系统误差.本研究还对这几种方法的不确定性做了初步的分析,为其他研究者选择估算方法提供参考和依据.示踪物产率法仅估算了几种特定VOCs前体物对SOC贡献,因此低估了总的SOC,但是这种方法是目前唯一一种可以估算特定VOCs前体物对SOC贡献的方法;同样地,非生物质燃烧WSOC法仅估算了水溶性的SOC,因此也低估了总的SOC;非一次源OC法高估了SOC,这主要是由于未能解析出的一次源OC造成的.而且这种高估在城市地区更为显著,主要是因为城市地区一次源相对比较复杂造成的;非生物质燃烧WSOC法低估了总的SOC,而且这种方法仅适用于我国水溶性SOC的估算;EC示踪OC/EC比值法的主要不确定性来自于一次源OC/EC比值的确定,由于这个比值造成的单点误差最高可高估54%或低估64%.     

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。     

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.     

苯乙烯-NOx光照的二次有机气溶胶生成

在烟雾箱内研究了温度为(301±2) K时苯乙烯-NO_x-air光照体系生成的二次有机气溶胶(SOA). 分别探讨了高相对湿度(RH＝72%)对SOA的化学组分、数浓度、产率等的影响. 通过长光程傅立叶红外(FTIR)得到苯乙烯-NO_x光照体系的气相产物主要有甲醛、苯甲醛、甲酸和CO等. 采用聚四氟乙烯(PTFE)膜对SOA进行富集, 用FTIR对其化学组分进行分析, 推得SOA的主要物种有过氧苯甲酸硝酸酯、苯甲酸羟基苯基甲酯和苯甲酸. 高相对湿度时气相产物中甲酸量显著提高, 同时SOA红外谱图中新增加了苯甲酸, 而酯中的羰基吸收峰却比低相对湿度时降低了, 从而证实了H₂O与Criegee双自由基反应生成苯甲酸的路径, 同时也间接地说明了Criegee双自由基与苯甲醛反应生成苯甲酸羟基苯基甲酯的存在. 高相对湿度时SOA的数浓度比低相对湿度时降低了约36%～44%, 但根据在膜上的SOA质量得到高相对湿度时SOA产率比低相对湿度时提高了约40%, 说明高相对湿度增大了SOA的粒子尺度.     

量子化学计算在有机化合物核磁共振教学中的应用

用量子化学方法计算化合物的核磁共振数据并与实验数据进行比较已经广泛应用于复杂天然产物构型的确定。以核磁共振教学为例,介绍量子化学计算在有机化合物波谱解析教学中的具体应用。通过计算核磁共振氢谱和碳谱的化学位移值,辅助解析分子结构,帮助学生对电子的分布、原子核的化学环境等有更直观的认识,有利于学生理解核磁共振的本质,有效提高学生的学习兴趣和积极性。同时,让学生了解量子化学计算在核磁共振中的应用,了解化学研究的前沿手段,开阔学生视野,培养学生解决实际问题的能力。     

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.     

Chemical Composition and Reaction Mechanisms for Aged p‐Xylene Secondary Organic Aerosol in the Presence of Ammonia

A laboratory study was carried out to investigate the chemical composition of aged aromatic secondary organic aerosol (SOA) formed from the photoxidation of p‐xylene in the presence of ammonia (NH₃). The experiments were conducted by irradiating p‐xylene/CH₃ONO/NH₃ air mixtures without and with NO in a home‐made smog chamber. The particulate products of aged p‐ xylene SOA in the presence of NH₃ were measured by UV–vis spectrophotometry, attenuated total reflectance Fourier transform infrared (ATR‐FTIR) spectroscopy, and aerosol laser time‐of‐flight mass spectrometry (ALTOFMS) coupled with the fuzzy C‐means (FCM) clustering algorithm. The experimental results show that NH₃ does not alter the gas–particle partitioning in the photoxidation of p‐xylene without NO and that 2,5‐dimethylphenol is the predominant NH₃‐aged p‐xylene SOA without NO. However, NH₃ has a significant promotional effect on the formation of organonitrogen compounds in the OH‐initiated oxidation of p‐xylene with NO. Organic ammonium salts such as ammonium glyoxylate and p‐methyl ammonium benzoate, which are formed from NH₃ reactions with gaseous organic acids, were detected as the major particulate organonitrogen products of NH₃‐aged p‐xylene SOA with NO. 1H‐Imidazole, 4‐methyl‐1H‐imidazole, and other imidazole products of the heterogeneous reactions between NH₃ and dialdehydes of p‐xylene SOA were newly measured. The possible reaction mechanisms leading to these organonitrogen products are also discussed and proposed. The formation of imidazole products suggests that some ambient particles containing organonitrogen compounds may be the result of this mechanism. The results of this study may provide valuable information for discussing anthropogenic SOA aging mechanisms.     

基于实验室模拟研究二次有机气溶胶生成及老化机制

由于二次有机气溶胶(SOA)对气候变化、区域污染和人体健康具有明显的影响,因此受到了广泛的关注.基于实验室的方法可以在稳定可控的条件下探讨SOA的生成机制,其中环境烟雾箱和气溶胶生成潜势反应器是最常用的两种模拟工具.本文综述了基于这两种模拟工具对SOA产率的影响因素、SOA生成机制和SOA老化过程中性质演变特征的研究.影响SOA产率的因素主要包括OH暴露量,NO_x水平(VOCs/NO_x),种子颗粒物的浓度及种子颗粒物的化学组成. SOA产率随着OH暴露量、VOCs/NO_x比值的增加均先增后减;种子颗粒物的存在会通过提高气态中间产物的凝结汇,从而促进物质从气相到颗粒相的转化;酸性种子颗粒物可以通过提高摄取系数并提供酸催化条件促进SOA的生成;种子颗粒物中的金属离子和矿物质也会通过催化作用或者影响氧化剂的产生等过程对SOA的生成和老化产生作用.本综述还总结了不同源排放气态前体物SOA的生成潜势以及生成SOA的特征.等效光氧化龄约为2～3 d时,汽油发动机排放生成SOA量达到最高值,增长倍数(SOA/POA, POA即为一次有...