山东大学杜林课题组:SO₂ 和 NH₃ 复合作用对大气颗粒物生成的显著影响

来源:RSC英国皇家化学会

研究概述

大气复合污染的形成原因非常复杂,多种污染源排放的气态和颗粒态污染物,经过复杂的物理和化学过程生成的气溶胶颗粒物不仅影响全球气候的变化,还会降低环境能见度、危害人们的身体健康。呋喃及其衍生物是生物质燃烧过程中排放的一类重要挥发性有机物 (VOCs) 前体物,但是,此类化合物在大气复合污染条件下的气溶胶颗粒物生成潜势及反应机理仍不明确,有待进一步探究和完善。

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基于以上,山东大学杜林课题组通过烟雾箱实验,模拟了生物质燃烧产物呋喃衍生物 3-甲基呋喃 (3-MF) 在不同实验条件下光氧化生成气溶胶颗粒物的情况,探究了 SO2 和 NH3 复合作用对大气颗粒物生成的影响。

研究发现,无机污染气体的复合作用会显著促进颗粒物中二次有机气溶胶 (SOA) 及二次无机气溶胶 (SIA) 的生成。在 NH3 的作用下,反应生成的含氮有机物在紫外-可见区域具有明显的光吸收特性,这些产物可能对大气辐射强迫产生重要的影响。

该研究完善了呋喃衍生物在大气复合污染条件下生成气溶胶颗粒物的机理,有助于更好地认识大气复合污染特征,并为区域大气复合污染控制提供科学依据。

文章导读

图 1 展示了 SOA 产量与 SOA 质量浓度的关系。结果显示,实验中添加 NH3 可以促进 SOA 的形成并提高 SOA 的产量。添加 NH3 实验拟合得到的 SOA 产率曲线明显高于未添加 NH3 的实验结果。与相似 SO2 浓度水平下进行的实验相比,NH3 的添加能够促进SOA 产量的增加。此外,SOA 产率随着 SO2 浓度的升高而明显增大。SO2 的存在促进了新粒子生成及酸催化条件下 SOA 的生成,从而使得气溶胶颗粒物的生成量增大。

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图 1. 不同 SO2 和 NH3 浓度下,3-MF 光氧化生成 SOA 质量浓度与产率之间的关系

硫酸盐的形成不仅受 SO2 浓度的影响,还与 NH3 密切相关。如图 2 所示,在添加 NH3 的实验中,3-MF 光氧化生成的气溶胶颗粒物中不仅铵盐的含量明显增加,二次无机硫酸盐的含量也显著提高。同时,在 3-MF 光氧化过程中,SO2 浓度的增加不仅显著提升了硫酸盐的含量,对铵盐和有机气溶胶的形成也产生了明显促进作用。而在添加 NH3 之后,这些组分的增加趋势更加明显。实验结果进一步证实了 SO2 和 NH3 之间的复合作用对 SOA 和 SIA 均有明显促进作用。

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图 2. 3-MF 光氧化生成气溶胶颗粒物中硫酸盐、铵盐及有机气溶胶的含量变化

通过对反应生成的颗粒物进行采集,测试实验生成气溶胶颗粒物的荧光激发发射矩阵光谱(图 3)发现,当实验中添加 NH3 作为反应物时,3-MF 光氧化产物会在 260-305 nm激发波长范围内获得明显的荧光特性。且这种荧光特性,在激发发射矩阵光谱图中 Ex/Em=280/327 和 280/643 处的荧光吸收,随着体系中加入的 SO2 浓度的升高而更为明显。但是,在不同的 SO2 浓度下,激发发射矩阵光谱图表现出相似的轮廓图。区别在于,不同 SO2 浓度下,荧光光谱中的相对发射强度不同。这一结果证明,SO2 和 NH3 存在一定的协同效应,在一定程度上会增强 3-MF 光氧化生成的 SOA 的荧光特性。

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图 3. 在 NH3 存在条件下 3-MF 光氧化生成气溶胶颗粒物的荧光矩阵光谱图

小结

本研究模拟了在大气复合污染条件下,SO2 和 NH3 的复合作用对 3-甲基呋喃(3-MF)光氧化生成气溶胶颗粒物的影响。研究结果表明 SO2 和 NH3 的存在会显著促进颗粒物中 SOA 及 SIA 的生成。通过对 3-MF 光氧化反应产物的指认,推断了反应生成有机硫酸酯和羧酸铵的反应机理。同时研究对反应生成颗粒物的光学性质进行了探究,结果表明 NH3 对 3-MF 光氧化过程中含氮生色团的形成具有明显促进作用。这些产物在近紫外区域和可见光范围内表现出明显的吸收,这可能会增强气溶胶的吸光性并增强气候辐射强迫。该研究完善了不同环境条件下呋喃衍生物光氧化生成 SOA 的反应机理,为外场观测与大气化学模式模拟分析提供理论支撑,对于更好地了解大气复合污染过程具有一定的意义。

该项研究工作“Joint impact of atmospheric SO2 and NH3 on the formation of nanoparticles from photo-oxidation of a typical biomass burning compound”以封面形式发表于 Environmental Science: Nano。山东大学环境研究院姜晓彤博士为本文的第一作者,杜林教授为本文的通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目、山东省高等学校青创科技支持计划创新团队、山东省自然科学杰出青年基金和山东大学青年交叉科学创新群体的资助。

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论文信息

Joint impact of atmospheric SO2 and NH3  on the formation of nanoparticles from photo-oxidation of a typical biomass burning compound
Xiaotong Jiang, Chen Lv, Bo You, Zhiyi Liu, Xinfeng Wang and Lin Du*
Environ. Sci.: Nano, 2020, 7, 2532-2545.
http://dx.doi.org/10.1039/D0EN00520G

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