FTIR-ATR对有机/无机气溶胶吸湿性及挥发性的研究

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随着经济的发展,悬浮在大气中的颗粒物已使雾霾天气成为常态,严重影响了人类的日常生活。粒子形成、颗粒物演变是雾霾形成的重要过程,而挥发性有机物(VOC)和半挥发性有机物(SVOC)的气粒转化和气粒分配对气溶胶粒子的形成和老化过程起着重要的作用。在此过程中,吸湿性和挥发性作为颗粒物的重要物理化学性质,与颗粒物的化学组成、环境湿度等有着密切的联系。因此,从吸湿性、挥发性角度探究大气颗粒物的形成和演变具有重要的科学意义。本论文主要采用全反射傅里叶变换红外光谱技术(Attenuated Totalinternal Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR-ATR),对甘氨酸/硝酸钠、甘氨酸/硝酸镁混合气溶胶颗粒的吸湿性及羧酸盐/硫酸铵非均相反应的机制和挥发性展开研究,取得如下结果:(1)甘氨酸/硝酸盐混合颗粒的吸湿性研究针对甘氨酸/硝酸钠混合颗粒的吸湿性,本工作通过全反射傅里叶变换红外光谱技术(FTIR-ATR)技术对硝酸钠、甘氨酸、及甘氨酸/硝酸钠混合颗粒的红外光谱进行采集。通过对红外光谱及其吸湿曲线的分析发现,硝酸钠在54%RH时风化结晶,在91.6%RH时迅速吸水潮解。纯甘氨酸及其在甘氨酸/硝酸钠混合颗粒中以β-构型存在。甘氨酸在74%RH时风化结晶、升湿过程中不潮解。当有机/无机摩尔比为2:1和1:1时,硝酸钠不结晶。随着有机/无机摩尔比的减小,硝酸钠在混合颗粒中出现风化点滞后、潮解点提前现象。而甘氨酸在混合颗粒中也出现风化点滞后、潮解点提前的现象。通过对其风化动力学的研究发现,随着有机/无机摩尔比的减小,甘氨酸加入能够抑制硝酸钠的结晶,而硝酸钠的加入却促了甘氨酸的结晶。通过对有机/无机摩尔比为1:3、1:1、3:1的甘氨酸/硝酸镁混合颗粒在降湿和升湿过程中红外光谱及吸湿曲线的研究发现,甘氨酸及其在甘氨酸/硝酸镁混合颗粒中以α-或γ-构型存在。硝酸镁的加入能够抑制甘氨酸的结晶,有机/无机摩尔比为1:3、1:1时,甘氨酸完全不结晶。但有机/无机摩尔比为3:1时,甘氨酸在68.5%RH风化、在85.2%RH潮解。这种现象可能是硝酸镁改变了甘氨酸的晶体结构。(2)水溶性羧酸盐/硫酸铵混合颗粒非均相反应的挥发性研究本论文对不同恒定湿度下1:1混合的丁二酸钠/硫酸铵、丙二酸钠/硫酸铵、草酸钠/硫酸铵混合颗粒随时间变化的红外光谱进行分析,发现丁二酸钠、丙二酸钠与硫酸铵发生反应,草酸钠与硫酸铵不发生反应。同等条件下,丁二酸钠与硫酸铵的反应比丙二酸钠与硫酸铵的反应剧烈。而对于同一体系的反应,低湿度比高湿度反应剧烈。在丁二酸钠、丙二酸钠与硫酸铵的反应中,NH3的挥发驱动有机酸钠与硫酸铵的反应,并且NH3的挥发及水汽的蒸发会造成颗粒失去部分水,从而造成组分浓度增加,促进硫酸钠的风化结晶。
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