有机胺参与的大气气溶胶成核机理研究

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大气气溶胶是指均匀分散在气体中形成的稳定的液体或固体微粒的悬浮体系。由于气溶胶可以吸收、散射或反射太阳光,对大气能见度、气候变化、人体健康造成严重影响。新粒子生成是大气中颗粒物及云凝结核的重要来源。目前大气新粒子形成机制已经成为当今世界尤其是我国亟待解决的重难点问题。  目前,硫酸、水被认为是大气中新粒子形成的主要参与者。但是硫酸-水二元均相成核并不能解释观测的低空对流层的新粒子形成事件,大气中可能还存在其他物质参与成核过程中。有机胺是常见的大气成分,二甲胺的年排放量为33±19GgNa-1,三甲胺的年排放量为169±33GgNa-1。二甲胺作为有机胺的代表已被证实参与成核过程中,而三甲胺的年排放量较高,与氨有很多相似的物理和化学性质,所以三甲胺也有可能存在于大气团簇。本课题主要研究(H2SO4)m[(CH3)2NH]n(m=1-2,n=1-3)和(H2SO4)[(CH3)3N)](H2O)n(n=0-6)大气成核团簇的结构和性质,主要工作和结论总结如下:  1、对于(H2SO4)m[(CH3)2NH]n(m=1-2,n=1-3)团簇,首先采用Basin-Hopping(BH)算法及密度泛函理论(DFT)得到团簇结构,进而进行结构的电子密度和大气相关性分析。结果表明:(1)在不同的条件下,不同的构型所占的比重是不同的,在实际大气中可能有一个或几个结构共同存在;(2)在298.15K和1atm下,(H2SO4)2[(CH3)2NH]2在大气中所占比重是最高的,(H2SO4)1[(CH3)2NH]1和(H2SO4)2[(CH3)2NH]1次之。在216.65K和273.15K条件下,团簇的浓度太低,可以认为它们在对流层边界层和对流层中不能稳定存在;(3)通过电子密度方法分析团簇的弱相互作用可知:当二甲胺分子增加时,团簇的弱相互作用力的比重增加,团簇的稳定性相应减弱。综合以上分析可得到一个共同的结论:团簇中含有的二甲胺数目低于或等于硫酸数目的体系是大气中最稳定存在和含量最丰富的。Hanson和Eisele认为在成核过程中只有一个或两个硫酸分子参与,所以我们认为临界核中含有一个或两个二甲胺分子。硫酸和二甲胺体系在大气中只能形成一些小团簇,还需要其他物质参与继续增长。  2、通过对(H2SO4)[(CH3)3N)](H2O)n(n=0-6)的团簇结构以及能量分析、生长路径和温湿度对水合团簇分布的影响研究可知:(1)随着团簇的增长,团簇趋向于形成立方体稳定构型;(2)酸碱之间形成的N-H-S氢键键长几乎不发生改变,水分子与体系结合形成弱氢键;(3)在低温条件下,水合团簇较容易形成,随着温度的升高,水合作用逐渐变弱,当n=5或6时,团簇不能自发形成;(4)通过水合作用分析可以得到二元体系和一水合复合物在大气中所占比重较大,水合团簇的比重随着温度和湿度的升高而升高。这项工作为进一步研究含三甲胺的新粒子形成提供一个可靠的参考依据。
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