镁盐气溶胶吸湿性动力学与热力学的自发与受激拉曼谱学研究

发布时间：2017-05-04 18:16

  本文关键词：镁盐气溶胶吸湿性动力学与热力学的自发与受激拉曼谱学研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：气溶胶是悬浮于大气中的颗粒物。气溶胶在大气环境中可以吸收水分,引起气溶胶尺寸、浓度、相态和形态的变化,改变光散射性质以及气溶胶表面异相化学反应速率,由此影响大气气候,改变能见度,危害人体健康。气溶胶吸湿性的热力学和动力学过程研究,是多学科关注的前沿。本论文以镁盐及其与有机组分混合体系为对象,采用受激和自发拉曼测量技术,开展了凝聚相传质动力学、离子对的形成及其稳定性、分子构象的转化与分子间的相互作用等方面的原位光谱研究,取得了取得以下主要结果:(1)通过光镊系统结合受激拉曼光谱测量,得到了醋酸镁液滴半径和折射率对相对湿度变化的依赖关系。在相对湿度阶跃变化条件下,利用醋酸镁液滴半径随时间变化的半衰期与相对湿度随时间变化的半衰期的比值(t1/2(radius)/t1/2(RH)),刻画了醋酸镁液滴传质动力学特性,当相对湿度低于50%时,该比值迅速增大,表明醋酸镁液滴形成了胶态结构,阻碍液滴的传质过程。利用微分等温线模型计算得到水分子在胶态醋酸镁中的表观扩散系数在6.43×10-17~1.51×10-16 m2·s-1范围内,比纯水中的扩散系数要小7到8个数量级。研究了恒定相对湿度下,醋酸镁和醋酸钠液滴中醋酸的挥发行为,在83%的相对湿度下,醋酸镁液滴中醋酸的挥发会导致液滴折射率的升高,在74%及60%的相对湿度下,醋酸镁液滴中醋酸的挥发,形成了氢氧化镁夹杂物,破坏了形态共振峰(WGMs)的形成条件,导致WGMs淬灭,而醋酸钠液滴中醋酸的挥发仅仅带来液滴折射率的升高。(2)利用两次聚焦技术研究胶态硫酸镁液滴与周围水蒸气交换的动力学过程。用硫酸根1021和995 cm-1处的峰强度比(I1021/I995)刻画硫酸镁液滴表面和中心的成胶度。从高相对湿度阶跃至成胶相对湿度40%之后,液滴的成胶度不断增加,且液滴中心成胶度要始终小于液滴表面的成胶度,液滴中心成胶度变化的滞后性,是硫酸镁气液滴水分子传质受阻的重要特征。在类似的降湿过程中,对比不同半径硫酸镁液滴成胶度的变化,发现半径越小,液滴的成胶度越大,用微分等温线模型计算了水分子的表观扩散系数,半径10微米和25微米胶态液滴的扩散系数分分别为2.6×10-16和4.78×10-15 m2·s-1,远低于纯水的扩散系数。进一步利用光镊系统技术,考察了低相对湿度条件下(RH10%)停留时间对传质的影响,半径3?m硫酸镁液滴,停留时间从30 min到180 min范围内,在升湿过程中(相对湿度10%阶跃到37%),液滴的表观扩散系数分别在2.27×10-16到1.42×10-16 m2·s-1范围内。(3)以甘油/硝酸镁混合体系为研究对象,研究了混合组分的吸湿性,离子对的形成及其稳定性,以及甘油分子构象与分子、离子之间相互作用的关系。在降湿过程中,甘油的加入会导致硝酸根?1峰的位移和半峰宽的减小,是甘油阻碍硝酸根与镁离子形成接触离子对结果。甘油的加入会促进硝酸镁无定形态的形成,无法结晶形成六水硝酸镁。混合液滴中甘油的CH2峰的变化表示甘油的分子构象从??构象转化为??构象,这是甘油分子与硝酸镁相互作用的结果。通过硝酸根?1峰和甘油CH2峰面积(Aν1-NO3/ACH2)的对比,发现混合液滴中甘油会更多的聚集在表面。
【关键词】：光镊技术 共聚焦拉曼光谱 胶态 有机/无机混合气溶胶 吸湿性 分子构象 气液平衡
【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
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-41
• 1.1 气溶胶简介12-19
• 1.1.1 气溶胶的来源12-13
• 1.1.2 气溶胶的化学组成13-15
• 1.1.3 气溶胶的分类15-17
• 1.1.4 气溶胶的形成与消失17-19
• 1.2 气溶胶的研究意义19-23
• 1.2.1 气溶胶对气候的影响19-20
• 1.2.2 气溶胶对环境的影响20-22
• 1.2.3 气溶胶对人类健康的影响22-23
• 1.3 气溶胶基本的物理化学问题和理论23-30
• 1.3.1 气溶胶的吸湿性：科勒曲线23-26
• 1.3.2 气溶胶的吸湿性：相变和过饱和状态26-27
• 1.3.3 气溶胶液滴中的离子对及相互作用27-28
• 1.3.4 气溶胶的传质28-30
• 1.4 本论文的立题背景、研究内容及创新性30-34
• 1.4.1 立题背景30-31
• 1.4.2 主要研究内容31-32
• 1.4.3 本论文的主要创新性32-34
• 参考文献34-41
• 第2章 理论背景41-65
• 2.1 拉曼光谱理论背景介绍41-42
• 2.2 光镊理论背景介绍42-57
• 2.2.1 早期光镊的研究42-46
• 2.2.2 光镊在科学研究中的应用46-47
• 2.2.3 受激拉曼光谱47-49
• 2.2.4 形态依赖共振光谱确定捕获液滴的大小与折射率49-51
• 2.2.5 光镊系统在气溶胶科学研究中的应用51-57
• 参考文献57-65
• 第3章 实验装置65-78
• 3.1 单光束光镊系统结合拉曼光谱65-70
• 3.1.1 光学镊子系统的构建65-67
• 3.1.2 气溶胶颗粒的捕获67-69
• 3.1.3 光谱的采集69
• 3.1.4 数据的采集69-70
• 3.1.5 数据后处理70
• 3.2 共聚焦拉曼系统70-76
• 参考文献76-78
• 第4章 醋酸镁气溶胶成胶及挥发行为的光镊研究78-99
• 4.1 研究背景78-79
• 4.2 研究目的79-80
• 4.3 实验装置与方法80-82
• 4.4 实验结果与讨论82-92
• 4.4.1 醋酸镁液滴的吸湿性和胶态传质动力学82-86
• 4.4.2 醋酸镁和醋酸钠液滴中醋酸的挥发86-92
• 4.5 本章小结92-94
• 参考文献94-99
• 第5章 硫酸镁液滴平衡动力学研究99-131
• 5.1 研究意义与背景99-100
• 5.2 研究目的100-101
• 5.3 实验装置与手段101-104
• 5.3.1 拉曼部分101-103
• 5.3.2 光镊部分103-104
• 5.4 结果与讨论104-123
• 5.4.1 硫酸镁液滴胶态的形成104-108
• 5.4.2 水在胶态中扩散系数的计算108-111
• 5.4.3 不同湿度历程对于扩散系数的影响111-117
• 5.4.4 各种因素对水在凝聚相扩散系数的影响117-119
• 5.4.5 硫酸镁液滴中氢键环境的变化119-123
• 5.5 本章小结123-125
• 参考文献125-131
• 第6章 硝酸镁与甘油混合气溶胶的吸湿性探究131-146
• 6.1 研究背景与意义131-134
• 6.2 研究目的134
• 6.3 实验装置134-135
• 6.4 结果与讨论135-145
• 6.4.1 降湿过程中的液滴混合光谱135-138
• 6.4.2 甘油对于硝酸镁气溶胶液滴降湿过程的影响138-140
• 6.4.3 硝酸镁对于甘油构象的影响140-145
• 6.5 本章小结145-146
• 参考文献146-152
• 结论152-154
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单154-155
• 致谢155-156
• 作者简介156

  本文关键词：镁盐气溶胶吸湿性动力学与热力学的自发与受激拉曼谱学研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：345579