气溶胶界面热力学和动力学过程的FTIR研究

发布时间：2017-11-27 17:24

  本文关键词：气溶胶界面热力学和动力学过程的FTIR研究

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【摘要】：由于大气污染的加剧,大气气溶胶对空气质量、能见度、人类健康及气候变化的影响日益重要。气溶胶吸湿性、成核、传质、界面平衡及界面反应动力学等方面的研究,能够为气溶胶引起的大气气候变化、人体健康和大气污染提供基础数据。本文主要应用傅里叶变换红外光谱技术(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR),研究几种无机或有机组分的吸湿性、气液平衡等热力学过程及成核、传质、界面反应等动力学过程,取得了以下主要成果:1、真空型傅里叶变换红外光谱技术(vacuum-FTIR)结合压力方波系统,开展了MgSO4、(NH4)2SO4气溶胶液滴的吸湿性及成核动力学的研究。在脉动相对湿度(relative humidity,RH)变化条件下,本方法不仅能提供气溶胶样品中组分浓度的时间分辨信息,同时能得到气相环境中RH变化的时间分辨信息,时间分辨率可达亚秒级。对(NH4)2SO4气溶胶液滴体系,脉动RH变化条件下,液滴的浓度始终与RH处于平衡状态。首次在远低于风化点的RH(35%)、高过饱和度((lnS)-20.4)条件下得到了(NH4)2SO4颗粒的非均相成核速率。对MgSO4气溶胶液滴的研究表明,水的传质控速步骤决定于RH范围:40%RH52%,推测为表面结构控制过程;RH40%,由于胶态结构的形成,表现为凝聚相控制过程,得到了低RH条件下(30%、20%和0%)水在MgSO4气溶胶液滴中的传质速率分别为7.6×10-17 m2 s-1(30%RH),7.2×10-17 m2 s-1(20%RH)和4.3×10-17 m2 s-1(0%RH)。2、作为大气模型中的主要参数,亨利常数(Henry`s law constants,KH)描述了溶质在溶剂中和气相中的分配比例,而这一数值,因没有便捷有效的测试方法而常常缺失。本研究将气相色谱法(GC)/傅里叶变换红外光谱法(FTIR)与气泡柱(Bubble Column)技术相结合,对大气中挥发性、半挥发性有机物在溶剂中的溶解分配进行研究。对烃类(异戊二烯,柠檬烯,蒎烯)、醇类(芳樟醇)和胺类(丙胺,丁胺,三甲胺,三乙胺,二丙胺,烯丙胺,4-甲基吗啡啉)进行了亨利常数测量。首次得到了不同温度条件下上述化合物在纯水中的KH值。其中烃/水的KH在10-2 mol L-1 atm-1数量级,醇/水的KH在101 mol L-1 atm-1数量级,胺/水的KH在101-103 mol L-1 atm-1数量级(矫正pH后在中性偏酸的环境中的KH pH=5.6在104-108 mol L-1 atm-1数量级)。考察了溶剂对KH的影响,研究表明,由于盐析作用离子强度的增加对KH有抑制作用,有机溶剂因其与有机溶质的相互作用增强而对KH有增大作用。由上述不同温度条件下的KH值可以进一步得到相应的摩尔溶解焓(Solution Enthalpy,ΔHsol)和达到气-液平衡的特征时间,利用这些数据,估算了上述各有机化合物在不同含水量的云中的比例,研究表明,烃类和醇类更倾向于停留在气相中,胺类绝大部分会停留在凝聚相中。3、应用衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术(FTIR-ATR)对不饱和有机化合物芥酸(Erucic Acid,EA)与臭氧的非均相反应动力学进行研究,得到拟一级反应速率常数Kapp和摄取系数γ,研究表明,Kapp和γ随臭氧浓度的升高而增大,遵循Langmuir-Hingshelwood表面反应机制,EA/O3的反应主要为表面反应而非体相反应,当反应温度从263 K增加到298 K,Kapp和γ均增大了两个数量级,但随RH变化(0%增长到80%),Kapp改变很小。得到了该非均相反应的活化能为80.6 KJ mol-1。进一步研究了EA薄膜反应前后吸湿性,发现EA氧化前后的吸水能力均较弱。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X513

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本文编号：1232629