气溶胶单颗粒的混合结构及其对颗粒物吸湿性的影响

发布时间：2020-03-23 11:51

【摘要】：气溶胶颗粒物的混合结构与颗粒物的光学特性、吸湿特性息息相关,通过对颗粒物混合结构的分析,可以推断出颗粒物老化、来源和在对流层中的反应特征,这些结果对实验室模拟、外场观测和模式模拟都有重要的科学意义。本文主要研究了在清洁和污染大气中与颗粒物的大小和老化程度相关的单颗粒混合结构问题。为了解决该问题,本论文区分和总结了城市、郊区、农村、清洁背景点、高山站点、生物质燃烧和煤炭燃烧产生的颗粒物类型和混合结构特征。此外,我们还研究了黄河三角洲灰霾天和沙尘天颗粒物混合结构的异同。基于透射电子显微镜-X射线能谱仪(TEM-EDX)等微观仪器分析,本研究将气溶胶分为8大组分:海盐、矿物沙尘、飞灰、金属、烟尘、硫酸盐、硝酸盐和有机物。在这一分类的基础上,我们认为当单个颗粒物中包含两种或两种以上气溶胶组分就将其定义为内混颗粒物,而只含有一种气溶胶组分的颗粒物则归类为外混颗粒物。针对内混的单颗粒,又分为四种非均相混合结构(核壳状结构、哑铃状结构、有机物包裹结构和有机物散布结构)和一种均相混合结构。均相混合结构的颗粒物主要出现在细粒子(1 μm)中。当气溶胶单颗粒的粒径逐渐增大,非均相混合结构出现的频率逐渐增大。我们的研究结果表明,颗粒物混合结构与颗粒物粒径大小和颗粒物来源有关,并随着时间推移而发生改变。长距离输送的颗粒物趋向于形成核壳状和有机物包裹结构,因此它们通常出现在远离排放源的区域大气中,是大气老化的重要指示。二次气溶胶组分(如硫酸盐、硝酸盐和有机物)决定了颗粒物的内混结构。因为在不同湿度条件下二次气溶胶组分会使颗粒物在吸水和失水过程发生相态变化,而相态变化的发生可以改变颗粒物的混合结构。外混颗粒物一旦转化为内混颗粒物就无法逆转(颗粒物中包含半挥发气溶胶组分情况除外)。对单颗粒的混合结构进行分类研究不仅对于研究其光学和吸湿特性至关重要,同时也有助于研究颗粒物在输送过程中物理化学特性的变化。基于前面的研究,我们观测了一个发生在我国的沙尘暴事件,并将沙尘暴期间颗粒物混合结构与灰霾天颗粒物混合结构相比较,研究不同污染事件下颗粒物混合结构。为了确定气溶胶离开亚洲大陆前的物理化学特性,我们在2011年4月14日到5月2日在亚洲沙尘暴和灰霾传输路径的背景点进行了野外观测。灰霾期间除PM2.5浓度外各类污染物浓度均高于沙尘暴期间,其中黑碳(BC)浓度4 μgm-3、一氧化碳(CO)浓度808 ppb、二氧化硫(SO2)浓度24 ppb、二氧化氮(NO2)浓度37 ppb。沙尘暴期间平均PM2.5质量浓度为131 μgm-3,高于灰霾期间的浓度(93 μgm-3)。颗粒物混合结构方面,有机物包裹结构是灰霾颗粒物的主要混合结构;硫酸盐与一次颗粒物(如烟尘、金属、飞灰或矿物颗粒物)发生内混形成核壳状结构。在沙尘暴期间,新鲜排放的不规则沙尘颗粒物外混存在。还有矿物颗粒物与一次烟尘、金属、飞灰附着在一起,形成哑铃状结构。老化气团中沙尘颗粒物表面覆盖Ca(NO3)2膜,构成核壳状结构。以上结果说明自然源和人为源气溶胶颗粒物在离开亚洲大陆前会发生复杂的非均相化学反应。颗粒物的混合结构直接影响其吸湿特性,而颗粒物的吸湿性也在一定程度上决定了颗粒物混合结构的变化。颗粒物的吸湿性能改变颗粒物的粒径大小、形状、光折射率,从而影响颗粒物的存在时间,反应活性,最终会对大气质量和人类健康造成影响。本研究建立了一套实验室单颗粒吸湿系统,结合TEM-EDX,分析了实验室制备的Ca(N03)2标准样品、灰霾颗粒物、沙尘暴期间矿物颗粒物吸湿性,将它们进行对比,得到不同污染事件下颗粒物吸湿性的异同,也研究了不同颗粒物混合结构对其吸湿特性的影响。研究结果表明,大部分灰霾颗粒物在68-70%的湿度条件下开始潮解,颗粒物表面出现液态膜。而矿物颗粒物表面的Ca(N03)2包裹物改变了其吸湿特性,使其由疏水性变为亲水性。该包裹物的生成使矿物颗粒在较低的湿度环境下(大约30%的湿度条件下)保持液态。颗粒物混合结构的不同导致其吸湿特性不同,而吸湿性相关的颗粒物相态变化对于促进二次气溶胶形成的非均相化学反应有重要影响。
【图文】：

云凝结核,混合结构,颗粒物

温度产生影响［５］。但这种影响是不确定的，因为烟尘颗粒物对光的吸收与它是以怎样的逡逑方式，怎样的程度与其他类型气溶胶混合有关，这一混合特性就是混合结构［６］。颗粒物逡逑的光学、吸湿特性、云凝结核特性与不同颗粒物组分的混合结构有关（图１－１）。逡逑通常将颗粒物的混合结构分为内混和外混［２，７］。外混一般是指不同化学组分分别存逡逑在于不同颗粒物中，而内混则指一个颗粒物中含有不同的组分（图１－２）。随着气溶胶在逡逑大气中的传输，颗粒物通过云中过程、气态－颗粒态转化以及与大气中气体反应而发生逡逑物理化学特性转换［８］，气溶胶混合结构随之改变。因为混合结构等物理化学特性随着气逡逑溶胶的传输而改变，量化气溶胶对辐射强迫、云的作用都成为了巨大的挑战。举例来说，逡逑随着颗粒物的传输，外混的烟尘颗粒物逐渐转化为内混颗粒物，呈现出烟尘核被硫酸盐、逡逑铵盐、有机物、硝酸盐和水包裹的状态。这会导致正辐射强迫，也会加强颗粒物的吸湿逡逑能力［９］。气溶胶的消光系数、单次散射反照率以及非对称参数等光学特性都与气溶胶的逡逑混合结构有关［９

形貌,海盐,颗粒物,硝酸

．３气溶胶混合结构的研究现状逡逑．３．１定置手段分析气溶胶混合结构逡逑很多研究用定量分析手段研宄气溶胶混合结构ｎａ邋１ｈ２８＿＆４３＿５（）］，还有一些实验手段被逡逑来探究不同方面的气溶胶混合结构，，包括单颗粒分析、粒径相关的气溶胶质量化学分逡逑技术。如单颗粒质谱仪（ＳＰＬＡＴ）邋［４４］，可以用来实时的分析单颗粒组分、粒径、密度逡逑形状，并确定哪种组分在颗粒物的表面，这种物质是部分还是全部包裹了颗粒物的表逡逑；气溶胶时间飞行质谱（ＡＴＯＦＭＳ）邋［１（Ｕ９￣４１４８＇５ｉ］，可以确定不同颗粒物组分的质量及逡逑种组分的多样性程度，平均多样性程度与全样整体多样性程度可以确定整体混合系数，这个系数表征给定时间范围内颗粒物的混合状态，？扫描／透射电子显微镜（ＳＥＭ／ＴＥＭ）逡逑Ｕ，ｗ＇４３，，可以获得单颗粒形貌、粒径、组成和混合结构；扫描透射ｘ光显微镜逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X513

【参考文献】