半挥发性有机物气粒分配恒稳态模型理论与应用

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半挥发性有机物(SVOCs)在大气中的气粒分配行为是影响其长距离大气迁移、干湿沉降及归趋的重要因素。多种持久性有机污染物也属于半挥发性有机物,这类物质因其具有高毒性、难降解性、长距离迁移性、生物富集性而备受关注。然而,大气中SVOCs气粒分配的平衡态预测模型常常与监测数据有较大误差。因此,针对SVOCs气粒分配理论及长距离迁移路径等问题,建立气粒分配恒稳态动态传质模型,考察干湿沉降效应在SVOCs气粒分配中的作用,探究其动态传质过程,分析恒稳态模型对多种SVOCs的气粒分配预测水平,阐明其气粒分配特征,解决气粒分配理论研究及长距离迁移问题。构建气粒分配恒稳态动态传质模型,推导气粒分配动力学微分方程,进一步探讨SVOCs在大气中由非稳态到恒稳态的传质过程和时间。依据是否考虑干湿沉降效应建立了两种模型模式模拟SVOCs在大气气粒两相间从吸着初始状态到稳态的转化过程,推导了恒稳态特征时间,并以多溴联苯醚(PBDEs)为例进行实例分析。结果表明,在仅考虑半挥发性有机物在大气气粒两相间的交换时,SVOCs在气粒两相之间达到平衡态。在同时考虑气粒两相之间交换和颗粒物干湿沉降时,最终将达到恒稳态。当大气中出现显著的颗粒物的沉降时,SVOCs在气粒两相中达到恒稳态的时间要快于相同条件下达到平衡态的时间。SVOCs达到恒稳态的时间约为数分钟或数小时。从理论上指出大气中的半挥发性有机物在气粒两相间并不能达到平衡态,而是达到恒稳态,揭示了半挥发性有机物的气粒分配和颗粒物干湿沉降是相关联系相互影响的。探究气粒分配恒稳态模型对多种SVOCs气粒分配行为的预测水平。对比分析了恒稳态模型预测结果与五种平衡态模型、经验模型预测结果的差异,并采用大温度区间大尺度监测数据进行检验。结果表明恒稳态模型的预测水平优于其他模型,当logKOA大于9.5时,恒稳态模型对PBDEs、有机氯农药(OCPs)、多氯联苯(PCBs)、多氯萘(PCNs)预测的log KP与实际监测值在±1 log单位范围内的比例分别为94.3%、91.1%、96.1%、92.9%优于其他模型。分析了PBDEs、OCPs、PCBs及PCNs的气粒分配行为特征,结果表明当logKOA大于12.5时,气粒分配商的理论值为常数-1.53,且吸收作用和干湿沉降过程是影响其气粒分配的关键过程。利用气粒分配恒稳态模型,推导了气粒分配商(KP)与辛醇气分配系数(KOA)和过冷饱和蒸气压(PL)对数线性关系中斜率m(mo,mp)和截距b(bo,bp)的理论预测公式。随后,利用监测数据验证m和b的理论预测公式,结果表明实验操作、测定分析以及统计误差均不是引起mo偏离1或mp偏离-1的主要原因。而物质本身的物理化学参数KOA是决定相应的mo和bo的主要因素,PL则是决定相应的mp和bp的主要因素。大气中的持久性有机污染物处于恒稳态,所以其log KP与logKOA和与log PL的线性关系中斜率mo和-mp的范围是在0~1。当mo=1,mp=-1时,为恒稳态的特殊状态,即平衡态。基于气粒分配恒稳态理论对持久性有机污染物的长距离迁移及进入北极路径进行实例研究。以BDE-209为例,分析KOA值较大的持久性有机污染物在气粒两相间的分配规律,探求此类物质进入北极大气的路径。结果表明BDE-209这类KOA值较大的物质在大气中主要以气态和颗粒态两种形态存在,不同于平衡态理论只存在于大气颗粒相中的预测。由此得出,BDE-209是主要以气态形式而非全部以颗粒态形式经大气长距离迁移进入北极。本研究建立了SVOCs气粒分配恒稳态动态传质模型,阐明了气粒动态传质过程,推导了特征时间,考察了气粒分配恒稳态模型对多种SVOCs的预测水平,分析了影响气粒分配的关键因素,解决了气粒分配研究中的两个难题:1)参数m和b理论预测公式及范围,2)以气态BDE-209为主通过长距离大气迁移进入北极大气。为深入研究SVOCs的气粒分配机理及全球迁移预测提供理论支持,特别是对持久性有机污染物的控制具有重要的科学意义。
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