大氣中亞微米顆粒物吸濕性及光學(xué)特性的實驗室模擬研究.pdf

1、吸濕性是大氣氣溶膠的重要特征。氣溶膠吸濕增長后其粒徑、相態(tài)以及光學(xué)性質(zhì)都會發(fā)生改變，直接影響著空氣質(zhì)量、大氣能見度和地-氣系統(tǒng)能量收支平衡。在真實大氣中，由于氣溶膠的來源、化學(xué)成分、尺寸以及混合態(tài)存在著較大差異，因此研究氣溶膠吸濕性與其化學(xué)成分、尺寸、混合態(tài)之間的關(guān)系有著非常重要的意義。
　　 本論文利用課題組自行搭建的串聯(lián)差分遷移率分析儀(H-TDMA)系統(tǒng)的研究了粒徑與相對濕度(RH)對無機鹽氣溶膠(包括：(NH4)2SO4

2、、NaCl、Na2SO4、NaNO3、NH4Cl和NH4NO3)吸濕性的影響，并通過比較氣溶膠吸濕增長因子(GF)對粒徑與RH的敏感程度，明晰影響氣溶膠吸濕增長的主要因子。此外，本論文通過將H-TDMA系統(tǒng)與腔衰蕩光譜儀(CRDS)、氣溶膠濁度儀(Nephelometer)聯(lián)用，實現(xiàn)了對有機胺硫酸鹽氣溶膠吸濕性和光學(xué)特性的測定。與此同時，本論文利用該聯(lián)合體系深入的研究了非均相反應(yīng)對Soot吸濕性和光學(xué)特性的影響。
　　 本研究主

3、要取得以下幾個方面的成果：
　　 (1)粒徑對非揮發(fā)性無機鹽氣溶膠吸濕性的影響。當(dāng)RH>DRH(潮解點)時，初始粒徑(Do)對(NH4)2SO4、NaCl、Na2SO4和NaNO3氣溶膠吸濕特性的影響較為顯著。如：在某一RH下，當(dāng)D0由20 nm增大到100 nm，GF增加顯著；而當(dāng)D0由100 nm繼續(xù)增大到200 nm時，GF的增加趨勢則較為緩慢。研究表明出現(xiàn)該粒徑效應(yīng)的主要原因為開爾文效應(yīng)。此外，通過等生長因子曲線可以看出

4、，當(dāng)RH>DRH時，(NH4)2SO4、NaCl和Na2SO4氣溶膠的GF在D0<60nm時對D0較為敏感，而當(dāng)D0>80 nm時則對RH較為敏感。對于NaNO3氣溶膠，其在80％≤RH≤86％時也具有相似的現(xiàn)象，即：當(dāng)D0<60 nm時，GF對D0較為敏感，而當(dāng)D0>80 nm時，GF則對RH較為敏感。然而，當(dāng)20％≤RH≤70％時，NaNO3氣溶膠的GF在整個粒徑范圍內(nèi)都對RH較為敏感。
　　 (2)粒徑與RH對NH4Cl和

5、NH4NO3氣溶膠吸濕性和揮發(fā)性的影響，并探討揮發(fā)機理。當(dāng)RH>DRH時，初始粒徑對NH4Cl和NH4NO3氣溶膠吸濕特性的影響較為顯著。具體表現(xiàn)為：在某一RH下，當(dāng)D0由40 nm增大到100nm時，GF增加顯著；而當(dāng)D0由100nm繼續(xù)增大到200 nm時，GF的增加趨勢則較為緩慢。出現(xiàn)該粒徑效應(yīng)的主要原因同樣為開爾文效應(yīng)。等生長因子曲線表明，與(NH4)2SO4、NaCl、Na2SO4和NaNO3不同，NH4Cl與NH4NO3氣溶

6、膠的GF總是對D0較為敏感，這可能由NH4Cl與NH4NO3獨特的揮發(fā)特性所決定。此外，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)RH　　 (3)有機胺硫酸

7、鹽氣溶膠的吸濕性和光學(xué)特性。吸濕性方面：一乙胺硫酸鹽(EAS)、二乙胺硫酸鹽(DEAS)和三乙胺硫酸鹽(TEAS)在吸濕增長過程中沒有表現(xiàn)出潮解現(xiàn)象，其GF隨RH的升高呈現(xiàn)出平緩增加的趨勢。同時，由于三種有機胺硫酸鹽的吸濕性較為接近，表明乙基的數(shù)量對乙胺硫酸鹽吸濕性的影響較弱。ZSR模型顯示：當(dāng)RH<80％時，DEAS的存在顯著增加了混合氣溶膠(DEAS與(NH4)2SO4混合)的吸濕性，且隨DEAS所占比例的增加其GF逐漸增大。而當(dāng)R

8、H>80％時，DEAS的存在對混合氣溶膠吸濕性的影響較弱。該現(xiàn)象表明，當(dāng)RH<80％時，有機胺對(NH4)2SO4中氨氣的置換作用能夠顯著增強原有(NH4)2SO4氣溶膠的吸濕特性。在光學(xué)特性方面：當(dāng)RH由2％增加到30％時，EAS、DEAS、TEAS氣溶膠的消光截面與散射截面變小，這可能由于氣溶膠吸濕增長后相態(tài)發(fā)生改變(即：由2％RH時的固態(tài)變?yōu)?0％RH時的液態(tài))所引起的。隨著RH的進(jìn)一步增加，EAS、DEAS、TEAS氣溶膠粒徑逐

9、漸變大，其對光的散射和消光作用逐漸加強。
　　 (4)非均相反應(yīng)對Soot吸濕性和光學(xué)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Soot表面吸附H2SO4分子后(Soot+SA)其吸濕特性顯著增強，GF隨RH呈現(xiàn)出連續(xù)增長的趨勢。然而，與Soot+SA不同，Soot+TEAS(Soot吸附H2SO4后進(jìn)一步與三乙胺(TEA)發(fā)生反應(yīng))在吸濕增長過程中具出明顯的潮解現(xiàn)象，且DRH出現(xiàn)在70％-85％RH之間。此外，研究發(fā)現(xiàn)，100、150 nm So