【摘 要】
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我国秋冬季频繁爆发以大气细颗粒物(PM2.5)为首要污染物的霾污染过程,对空气质量和居民健康造成不利影响。二次无机气溶胶中硫酸根(SO42-)、硝酸根(NO3-)和铵根(NH4+)离子(简称SNA)是PM2.5的重要组分,主要来自气态前体物的化学转化。硝酸根生成主要来自气相反应和水解反应,硫酸根生成主要来自多种液相反应。然而,受气态前体物、气象条件、大气氧化剂、颗粒物p H值等多种因素的影响,SN
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我国秋冬季频繁爆发以大气细颗粒物(PM2.5)为首要污染物的霾污染过程,对空气质量和居民健康造成不利影响。二次无机气溶胶中硫酸根(SO42-)、硝酸根(NO3-)和铵根(NH4+)离子(简称SNA)是PM2.5的重要组分,主要来自气态前体物的化学转化。硝酸根生成主要来自气相反应和水解反应,硫酸根生成主要来自多种液相反应。然而,受气态前体物、气象条件、大气氧化剂、颗粒物p H值等多种因素的影响,SNA生成的主控路径尚不明确,并且缺乏城市和农村点位的对比研究。此外,粒径是影响SNA生成的重要参数,然而目前对不同粒径范围内SNA生成路径的认识仍旧不足。河南省北部是我国PM2.5污染的高值区,霾污染过程中富含高浓度的气态前体物。因此,识别此地区SNA生成路径及影响因素,对污染管控有重要意义。本文利用高时间分辨率的仪器在河南省北部两个城市点位和三个农村点位开展综合观测,结合热力学模型和反应速率公式,对比研究城市和农村点位霾污染过程中PM2.5组分特征、颗粒物p H值、SNA生成路径及影响因素,并探讨液滴模态下SNA生成机制。主要研究内容与结论如下:(1)PM2.5的化学组分特征研究表明,SNA是PM2.5中占比最高的组分(53%~63%),以NO3-为主(24%~32%),其次为SO42-(13%~17%)。霾污染过程中SNA的占比明显上升,重污染时段可达67%。相较于城市点位,农村点位PM2.5中有机碳的占比更高。此外,在静稳、高湿的天气条件下,城市点位PM2.5中SNA的占比高于农村点位。(2)结合观测数据和ISORROPIA-II热力学模型计算颗粒物p H值,结果表明PM2.5的p H值在4.5~5.2之间,农村点位的p H值略高于城市点位。敏感性分析表明p H值会随着阳离子浓度的上升而增大,随着阴离子浓度、温度和湿度的上升而减小。大气氨是影响颗粒物p H值的主要因子,当总氨(NH4++NH3)与其它阳离子浓度之和能完全中和阴离子时,各点位颗粒物p H值均接近3。五个点位大气均呈富氨条件,因此多余氨的存在是造成河南省北部地区PM2.5呈中度酸性的主要原因。此外,农村点位大气中多余氨浓度高于城市点位,进而驱使农村点位颗粒物p H值的升高。(3)硝酸根生成的主要路径为白天的气相反应和夜间的N2O5水解反应。气相反应的主要影响因素为大气中羟基自由基的浓度。霾污染过程中O3对羟基自由基生成的贡献下降,而HONO的贡献增大。水解反应的主要影响因素为O3和气溶胶含水量。在高湿、高气溶胶含水量和高N2O5浓度条件下,水解反应对郑州城市点位硝酸根生成的影响大于新乡农村点位。硫酸根生成的主要路径是液相反应,郑州城市点位和新乡农村点位液相硫酸根生成速率最高的路径分别是过渡金属催化和H2O2氧化反应。在高湿、低p H值的条件下,液相反应对郑州城市点位硫酸根生成的影响高于新乡农村点位。大气氨的气-粒分配系数与颗粒物p H值呈负相关关系,并且NH3的存在能促进SNA浓度的上升。(4)颗粒物化学组分的粒径分布特征表明,SNA主要富集在液滴模态,主导粒径位于0.65~2.1μm范围内。分析液滴模态中SNA生成发现,高表面积浓度为HNO3的吸附和凝结提供充足的载体,有利于气相反应生成硝酸根;高浓度的气溶胶含水量也有利于N2O5水解反应生成硝酸根;高浓度的气溶胶含水量、高表面积浓度和低p H值能促进H2O2氧化和过渡金属催化反应生成硫酸根。此外,液滴模态的颗粒物呈中度酸性,有利于气态NH3向颗粒态NH4+的转化。综上,本研究在掌握河南省北部大气颗粒物的化学组分特征及其演变趋势的基础上,阐明了SNA生成对霾污染过程的重要作用,进一步明确了气相反应、水解反应和液相反应是SNA生成的主控路径,并揭示了气溶胶含水量、颗粒物p H值和氧化剂浓度是导致城市和农村点位SNA生成路径存在差异的重要影响因素,为河南省空气质量的持续改善提供科学支撑。
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