基于激发-发射矩阵荧光技术研究气溶胶中可溶棕色碳的光学性质与来源
发布时间：2020-12-27 08:19
棕色碳（BrC）是近十年来新出现的一类在近紫外和可见光区吸收光辐射的有机碳,不仅对大气造成辐射强迫,更是对大气光化学反应速率有着重要作用。BrC的出现打破了将碳质气溶胶分为强吸光作用的黑碳（BC）和无吸光作用的有机碳这两种组分的固有概念,为气候模型、传输模型和排放清单的评估引入了更多的不确定。大气BrC受不同来源、大气过程、形成机制等影响,因此对光学性质和化学成分之间关系的理解是有限的,目前已成为研究的热点之一。生物质燃烧、煤燃烧和机动车尾气是已知的大气BrC最重要的排放源。研究不同源排放BrC的光学性质、化学结构和分子组成对评估其在大气中的演化和来源是非常重要的。基于此,本文分四部分内容逐步讨论了溶解性BrC在典型源中的特征,进一步应用到大气气溶胶中BrC的源解析中。本文第一部分主要从源排放着手,应用紫外可见吸收光谱、激发-发射矩阵荧光光谱（EEM）和傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）分析了模拟中南半岛生物质燃烧实验,和居民煤燃烧以及机动车排放（包括隧道气溶胶和机动车尾气颗粒物）气溶胶颗粒物中水溶性有机碳（WSOC）和甲醇溶的有机碳（MSOC）。结果表明,生物质和煤燃烧...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)广东省
【文章页数】：195 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
气溶胶的大气循环
第1章引言51.3.1棕色碳的来源BrC来源复杂，已有研究表明BrC可以来自于一次不完全燃烧排放、大气二次转化形成的SOA，以及新鲜排放或二次转化形成颗粒物的老化(Laskinetal.,2015)4336。初级BrC主要来源于森林和草原大火、木材和煤炭的家用取暖和烹饪、机动车排放，以及藻类、植物残骸和腐殖质的生物释放(Ramanathanetal.,2007)。由于和BC、不吸光的OA和无机化合物具有相似的来源，BrC可以和这些化合物以不同的比例内部或外部混合。此外，二次BrC主要包括在高氮氧化合物浓度下生成的芳香类SOA，生物质燃烧源或人为源前体物与NH3和NH4+等含氮化合物的反应物，或者由高分子质量的光吸收化合物在气相、微粒和云微滴组成之间的多相反应中产生(Laskinetal.,2015;Liuetal.,2015;Moiseetal.,2015)。由于环境粒子是长距离传输的，因此初级和二次BrC都可能在大气环境中发挥重要的作用，从而影响卫星数据检索和气候模型预测的精准性。图1.2碳质气溶胶的光学和热化学分类(Pschl,2003)Figure1.2Classificationandmolecularstructureofcarbonaceousaerosolcomponents1.3.2棕色碳的化学组成不同来源BrC的吸光特性主要受化学组成或物质结构的影响(Moetal.,2018;Songetal.,2019)。一般认为，棕色碳是由大分子物质组成，且大多是高度共轭的芳环（如PAHs类物质），并与含氧、含氮等极性官能团直接相连的高分子量物质，或是类腐殖质（humic-likesubstances，HULIS）(ChenandBond,2010;DiLorenzoetal.,2017;Samburovaetal.,2016)。根据已有的研究，可将BrC大致分为HULIS、焦油类（tarrymaterials）和不溶于水的有机碳（water-insolubleorganiccarbon，WIOC）三类(Senguptaetal.,2018;支国瑞etal.,2015)。
镏?Stoneetal.,2009)4210。由于含有羧基、羰基、芳香基团等形成共轭体系及芳香体系(Zhouetal.,2018)259，HULIS可以吸收紫外等低波长光辐射，这是HULIS具有BrC吸光特性的主要原因。此外，HULIS还具有表面活性、吸湿性以及光化学反应活性(Tanetal.,2016)1482，可以参与众多的大气化学过程，具有潜在的气候效应。最新研究表明HULIS可能诱发人类健康风险，产生炎症反应(Maetal.,2019)。1.3.2.2焦油类物质大气中存在的典型焦油类物质主要以焦油球（tarball）形式存在，无定形的碳质物质(Chakrabartyetal.,2010)6364，图1.3为典型生物质燃烧产生焦油球的电镜扫描图。研究表明，对流层大气中的焦油球主要来自于生物质及生物燃料的燃烧排放(Hofferetal.,2016)239。Chakrabarty等（2010）6365利用电子扫描显微镜检查了统计学上相关数量的颗粒的形态，发现三个生物质阴燃过程中排放的所有颗粒中95%以上是焦油球。生物质燃烧烟气中的低挥发性OA通过气粒转化形成气溶胶颗粒，进而形成水溶性有机化合物，这些处于高温烟气中的化合物快速失水发生聚合作用，变成焦油球或不规则有机粒子。焦油球主要由C和O两种元素组成，以及微量的S、N、Cl等其他元素。焦油球含碳量高，无石墨烯层结构和明显有序的显微结构，也不形成聚合集团，一般与其他气溶胶呈外部混合状态(支国瑞etal.,2015)1800。研究表明，棕色碳质焦油球可能导致近紫外和紫外光区的直接辐射强迫显著增加(Lietal.,2019)139。Hoffer等（2016）243-244研究了实验室条件下木材燃烧产生的焦油球的光学性质，发现在550nm处的质量吸收系数和折射率分别为0.83.0m2/g和1.840.21i，AAE值为2.73.4（467652nm），并认为焦油球类在全球辐射预算中具有非常重要的影响。图1.3生物质阴燃过程中排放
【参考文献】：
期刊论文
[1]Atmospheric HULIS and its ability to mediate the reactive oxygen species(ROS): A review[J]. Myat Sandar Win,Zhengyang Tian,Hui Zhao,Kai Xiao,Jiaxian Peng,Yu Shang,Minghong Wu,Guangli Xiu,Senlin Lu,Shinich Yonemochi,Qingyue Wang. Journal of Environmental Sciences. 2018(09)
[2]棕色碳气溶胶来源、性质、测量与排放估算[J]. 支国瑞,蔡竟,杨俊超,陈颖军,张玮琦,程苗苗,孙建中. 环境科学研究. 2015(12)
[3]三维荧光光谱（3D-EEM）技术在溶解性有机质（DOM）分析中的应用[J]. 朱大伟,武道吉,孙翠珍,张志斌. 净水技术. 2015(01)
[4]三维荧光光谱分析技术的应用研究进展[J]. 刘小静,吴晓燕,齐彩亚,崔建升. 河北工业科技. 2012(06)
[5]Impacts of Internally and Externally Mixed Anthropogenic Sulfate and Carbonaceous Aerosols on East Asian Climate[J]. 张力,刘红年,张宁. Acta Meteorologica Sinica. 2011(05)
[6]平行因子分析在赤潮藻滤液三维荧光光谱特征提取中的应用[J]. 吕桂才,赵卫红,王江涛. 分析化学. 2010(08)
[7]6种植物中木质纤维素含量的比较研究[J]. 郭新红,喻达时,王婕,唐冬英,刘选明. 湖南大学学报(自然科学版). 2008(09)
[8]腐殖酸三维荧光光谱特性研究[J]. 傅平青,刘丛强,尹祚莹,吴丰昌. 地球化学. 2004(03)
本文编号：2941406
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)广东省
【文章页数】：195 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
气溶胶的大气循环
第1章引言51.3.1棕色碳的来源BrC来源复杂，已有研究表明BrC可以来自于一次不完全燃烧排放、大气二次转化形成的SOA，以及新鲜排放或二次转化形成颗粒物的老化(Laskinetal.,2015)4336。初级BrC主要来源于森林和草原大火、木材和煤炭的家用取暖和烹饪、机动车排放，以及藻类、植物残骸和腐殖质的生物释放(Ramanathanetal.,2007)。由于和BC、不吸光的OA和无机化合物具有相似的来源，BrC可以和这些化合物以不同的比例内部或外部混合。此外，二次BrC主要包括在高氮氧化合物浓度下生成的芳香类SOA，生物质燃烧源或人为源前体物与NH3和NH4+等含氮化合物的反应物，或者由高分子质量的光吸收化合物在气相、微粒和云微滴组成之间的多相反应中产生(Laskinetal.,2015;Liuetal.,2015;Moiseetal.,2015)。由于环境粒子是长距离传输的，因此初级和二次BrC都可能在大气环境中发挥重要的作用，从而影响卫星数据检索和气候模型预测的精准性。图1.2碳质气溶胶的光学和热化学分类(Pschl,2003)Figure1.2Classificationandmolecularstructureofcarbonaceousaerosolcomponents1.3.2棕色碳的化学组成不同来源BrC的吸光特性主要受化学组成或物质结构的影响(Moetal.,2018;Songetal.,2019)。一般认为，棕色碳是由大分子物质组成，且大多是高度共轭的芳环（如PAHs类物质），并与含氧、含氮等极性官能团直接相连的高分子量物质，或是类腐殖质（humic-likesubstances，HULIS）(ChenandBond,2010;DiLorenzoetal.,2017;Samburovaetal.,2016)。根据已有的研究，可将BrC大致分为HULIS、焦油类（tarrymaterials）和不溶于水的有机碳（water-insolubleorganiccarbon，WIOC）三类(Senguptaetal.,2018;支国瑞etal.,2015)。
镏?Stoneetal.,2009)4210。由于含有羧基、羰基、芳香基团等形成共轭体系及芳香体系(Zhouetal.,2018)259，HULIS可以吸收紫外等低波长光辐射，这是HULIS具有BrC吸光特性的主要原因。此外，HULIS还具有表面活性、吸湿性以及光化学反应活性(Tanetal.,2016)1482，可以参与众多的大气化学过程，具有潜在的气候效应。最新研究表明HULIS可能诱发人类健康风险，产生炎症反应(Maetal.,2019)。1.3.2.2焦油类物质大气中存在的典型焦油类物质主要以焦油球（tarball）形式存在，无定形的碳质物质(Chakrabartyetal.,2010)6364，图1.3为典型生物质燃烧产生焦油球的电镜扫描图。研究表明，对流层大气中的焦油球主要来自于生物质及生物燃料的燃烧排放(Hofferetal.,2016)239。Chakrabarty等（2010）6365利用电子扫描显微镜检查了统计学上相关数量的颗粒的形态，发现三个生物质阴燃过程中排放的所有颗粒中95%以上是焦油球。生物质燃烧烟气中的低挥发性OA通过气粒转化形成气溶胶颗粒，进而形成水溶性有机化合物，这些处于高温烟气中的化合物快速失水发生聚合作用，变成焦油球或不规则有机粒子。焦油球主要由C和O两种元素组成，以及微量的S、N、Cl等其他元素。焦油球含碳量高，无石墨烯层结构和明显有序的显微结构，也不形成聚合集团，一般与其他气溶胶呈外部混合状态(支国瑞etal.,2015)1800。研究表明，棕色碳质焦油球可能导致近紫外和紫外光区的直接辐射强迫显著增加(Lietal.,2019)139。Hoffer等（2016）243-244研究了实验室条件下木材燃烧产生的焦油球的光学性质，发现在550nm处的质量吸收系数和折射率分别为0.83.0m2/g和1.840.21i，AAE值为2.73.4（467652nm），并认为焦油球类在全球辐射预算中具有非常重要的影响。图1.3生物质阴燃过程中排放
【参考文献】：
期刊论文
[1]Atmospheric HULIS and its ability to mediate the reactive oxygen species(ROS): A review[J]. Myat Sandar Win,Zhengyang Tian,Hui Zhao,Kai Xiao,Jiaxian Peng,Yu Shang,Minghong Wu,Guangli Xiu,Senlin Lu,Shinich Yonemochi,Qingyue Wang. Journal of Environmental Sciences. 2018(09)
[2]棕色碳气溶胶来源、性质、测量与排放估算[J]. 支国瑞,蔡竟,杨俊超,陈颖军,张玮琦,程苗苗,孙建中. 环境科学研究. 2015(12)
[3]三维荧光光谱（3D-EEM）技术在溶解性有机质（DOM）分析中的应用[J]. 朱大伟,武道吉,孙翠珍,张志斌. 净水技术. 2015(01)
[4]三维荧光光谱分析技术的应用研究进展[J]. 刘小静,吴晓燕,齐彩亚,崔建升. 河北工业科技. 2012(06)
[5]Impacts of Internally and Externally Mixed Anthropogenic Sulfate and Carbonaceous Aerosols on East Asian Climate[J]. 张力,刘红年,张宁. Acta Meteorologica Sinica. 2011(05)
[6]平行因子分析在赤潮藻滤液三维荧光光谱特征提取中的应用[J]. 吕桂才,赵卫红,王江涛. 分析化学. 2010(08)
[7]6种植物中木质纤维素含量的比较研究[J]. 郭新红,喻达时,王婕,唐冬英,刘选明. 湖南大学学报(自然科学版). 2008(09)
[8]腐殖酸三维荧光光谱特性研究[J]. 傅平青,刘丛强,尹祚莹,吴丰昌. 地球化学. 2004(03)
本文编号：2941406
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/2941406.html
