家用燃煤燃烧排放颗粒物中棕色碳的化学性质与光学特征研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所) | 被引量 : 2次 | 上传用户:LeoPark
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棕色碳(BrC)是一类具有吸光性质的有机碳(OC),其具有很强的波长依赖性,主要吸收可见光和近紫外区域的低波段光。煤燃烧是大气BrC的重要来源,然而相关的研究还处于起步阶段,对其含量、化学和光学特征的研究可以更深入的了解BrC对大气环境和人体健康的影响。本论文选用六种不同成熟度家用燃煤(煤块和蜂窝煤),采集了其燃烧排放的颗粒物样品,然后对颗粒物样品中的BrC组分(WSOC、HULISw、ASOC、MSOC)的含量、化学和光学特征等进行了研究。获得的主要认识和结论如下:(1)在本研究中,四类BrC组分(WSOC、HULISw、ASOC、MSOC)在燃煤排放颗粒物中的相对百分含量分别为4.33%-45.6%、2.25%-22.6%、3.16%-13.6%和75.6%-98.2%,表明了煤的燃烧是大气BrC的重要来源。研究还发现,颗粒物中BrC组分的含量随萃取溶剂的类型、煤的成熟度和燃煤形状的变化而具有一定差异。对于同一种样品采用不同溶剂萃取BrC时,Br C组分的含量变化规律表现为:MSOC>WSOC>ASOC,同时MSOC>WSOC+ASOC。此外,煤样成熟度(Ro)对煤燃烧产生的颗粒物中水溶和碱溶性BrC的相对丰度具有一定的影响,WSOC、HULISw和ASOC组分随着成熟度的增加显示了一个“哑铃形”的变化趋势。而MSOC在烟煤颗粒物中的含量却无明显变化,表明煤的成熟度对可溶于甲醇的BrC的组分影响不大。(2)不同的BrC组分具有相似的紫外可见吸收光谱(UV-vis)特性,其吸光度随波长的减小而增大。不同溶剂提取和分离出的BrC组分的特殊吸光指数(SUVA254)值总是遵循以下规律:MSOC>ASOC>HULISw>WSOC。WSOC的AAE值一般比MSOC和ASOC的AAE值高,表明WSOC可能比MSOC和ASOC具有更强的波长依赖性。HULISw作为WSOC的一个重要部分,其AAE值与相应的WSOC组分相似。此外,低熟煤颗粒物中萃取的WSOC和MSOC组分具有相对较低的SUVA254和较高SR值。另外与WSOC相比,ASOC和MSOC均具有较高的MAE365值,表明后者具有更强的光吸收能力。(3)不同类型燃煤排放的BrC组分具有相似的荧光特征,如在WSOC组分中都检测到A和B两个主要的荧光峰,同时也存在一些差异,如在YC-1和YC-2中检测到E峰,这些差异应该是煤的化学成分不同引起的。另外,不同成熟度和不同形状(煤块与蜂窝煤)的煤样荧光光谱有许多相似之处,表明了成熟度和煤型对燃烧排放BrC的荧光光谱没有明显的影响。(4)1H NMR分析结果表明煤样燃烧排放的HULISw含有较多的[H-C-C=]和[Ar-H]和较少的[C-H]和[H-C-O],说明煤燃烧排放的HULISw具有较多的芳香结构和较少的脂肪结构。样品的FT-ICR MS结果表明煤烟HULISw中含有较多的含S物质,表明煤燃烧可能是大气HULIS中含S组分的重要来源。减少煤炭燃烧活动排放,可以大大减少含S的HULIS化合物及其潜在的环境和健康影响。(5)热解色谱质谱(Py-GC/MS)分析结果显示不同成熟度燃煤排放的颗粒具有类似的热解产物。这些化合物均以芳香化合物(58.1-92.0%)为主,另外还含有酚类化合物(0.66-32.3%)、脂肪烃(0.21-9.57%)、呋喃类化合物(1.42-2.57%)、含S化合物(NA-4.12%)和含N化合物(NA-3.91%),表明了这些soot颗粒样品都是以高度芳香性的结构为核心,连接有含氧、氮等杂原子基团。另外芳香类热解产物的百分含量随着煤样成熟度的增加呈现递增趋势,而酚类化合物的百分含量则随着煤样成熟度的增加逐渐降低。含N化合物主要存在于低成熟度的soot颗粒样品中,含S化合物主要存在于高成熟度燃煤排放的soot颗粒中。
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