基于烟雾箱模拟的乙二醛/硫酸铵水相二次有机气溶胶的光解研究

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二次有机气溶胶是大气颗粒物的重要组成部分,也是造成区域性雾霾的重要诱因之一,它们能够通过散射、吸收太阳辐射,影响气候平衡,危害人类健康。了解二次有机气溶胶的演变过程是准确评估气溶胶对环境影响的关键一步,有助于人们有效推进大气污染的防治工作。目前,传统的气-粒分配理论模型并不能完全解释在大气中观测到的二次有机气溶胶含量,对二次有机气溶胶质量的评估仍然存在较大的偏差。随着对二次有机气溶胶研究的深入,研究发现水相过程也可以生成二次有机气溶胶,并能够解释用气-粒分配理论无法解释的野外观测与烟雾箱模拟在二次有机气溶胶质量、大小以及空间分布等方面的差异。此外,大气气溶胶输送模式模拟表明,水相反应形成二次有机气溶胶与气相反应形成二次有机气溶胶的贡献相当,因而成为人们关注的热点。乙二醛是大气中含量丰富且结构简单的水溶性气体,硫酸铵是大气中分布广泛且性质稳定的吸湿性颗粒物,乙二醛/硫酸铵水相反应体系是大气中典型的水相反应体系。在实际大气中,乙二醛与硫酸铵能够在雨滴、云雾、水相气溶胶中通过水相反应、光氧化、酸催化等反应形成水合物、低聚物、有机酸、酯以及咪唑类物质等,这些低挥发性物质在水分蒸发后能够保留在颗粒相中形成水相二次有机气溶胶。研究表明,尽管乙二醛/硫酸铵水相反应形成的咪唑类吸光物质产率很低,但却可以改变气溶胶的光学性质。然而,目前对于乙二醛/硫酸铵水相反应体系的研究主要集中在对产物的识别和水相二次有机气溶胶形成机制的解析上,而关于模型的吸光特性和光解特征的研究报道较少。本论文对乙二醛/硫酸铵水相反应体系的光解特性开展了初步的研究,这些结果将有助于对大气二次有机气溶胶光学性质的认识,同时也为区域气候模型修正提供重要参考。研究内容包括:(1)烟雾箱系统的搭建设计并搭建了一套包含烟雾箱、光照系统、配气系统、检测系统的室内实验室烟雾箱系统。(2)乙二醛/硫酸铵水相二次有机气溶胶的光解研究在烟雾箱模拟系统中,利用扫描电迁移粒径谱仪和真空紫外光电离质谱对乙二醛/硫酸铵水相二次有机气溶胶的粒径和组分进行测量,通过对比“有光照”和“无光照”条件下体系的变化特征,探讨了乙二醛/硫酸铵水相二次有机气溶胶的光解现象。研究结果表明,在乙二醛/硫酸铵水相反应体系中,紫外光能够诱导乙二醛/硫酸铵水相二次有机气溶胶发生降解。在我们的实验条件下,喷雾气溶胶在经过干燥管水分被蒸发后,能够快速形成咪唑、咪唑-2-甲醛等咪唑类吸光物质,并能够在紫外光的作用下进行降解,颗粒相中的部分有机物在紫外光的作用下能够转化到气相中去,进而造成水相二次有机气溶胶粒径的下降。(3)相对湿度对乙二醛/硫酸铵水相二次有机气溶胶光解的影响在我们的实验条件下,相对湿度能够影响乙二醛/硫酸铵水相二次有机气溶胶的光解活性。具体来说,在低(10%)和中等相对湿度(45%)条件下,乙二醛/硫酸铵水相二次有机气溶胶的光解速度会随着相对湿度的增加而加快;而在高相对湿度条件下(70%),光解现象几乎不会发生,而这一现象可能与乙二醛/硫酸铵水相反应的竞争机制有关。
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