華北平原冬季常見灰霾中有機(jī)氣溶膠單顆粒的研究.pdf

1、有機(jī)氣溶膠能夠影響大氣顆粒物的物理化學(xué)特性，如粒徑、光學(xué)特性和吸濕性等，進(jìn)而通過對太陽光的散射和吸收影響大氣能見度和氣候變化。當(dāng)前大量的研究主要集中針對中國華北地區(qū)重度灰霾大氣中氣溶膠的物理化學(xué)特性，卻忽略了發(fā)生最頻繁的輕及中度霾中氣溶膠顆粒的物理化學(xué)特性。近20年，中國華北平原頻繁發(fā)生輕及中度霾，這些顆粒物中占比最大的有機(jī)物氣溶膠的形貌和混合狀態(tài)目前還未知?；诖耍私廨p及中度霾中大氣氣溶膠的物理化學(xué)特性，對進(jìn)一步評估它們對氣候和人體

2、健康的影響具有重要的科學(xué)意義。本研究于2014年12月13至23日進(jìn)行了一次大規(guī)模區(qū)域性氣溶膠外場觀測實(shí)驗(yàn)，采樣地點(diǎn)選擇在城市點(diǎn)-濟(jì)南(S1)、高山站點(diǎn)-泰山(S2)和區(qū)域性污染的大氣背景點(diǎn)-長島(S3)。本研究采集了氣溶膠單顆粒樣品和PM2.5樣品，應(yīng)用離子色譜分析儀和OCEC分析儀分析了各采樣點(diǎn)灰霾天及清潔天的無機(jī)水溶性離子組分和OC、EC濃度。針對單顆粒樣品分析，本研究使用帶能譜的透射電子顯微鏡（TEM-EDX）、原子力顯微鏡(A

3、FM)和納米二次離子質(zhì)譜分析儀(NanoSIMS)等微觀分析儀器，分析了華北平原輕及中度灰霾中有機(jī)物氣溶膠單顆粒的粒徑、形貌和混合狀態(tài)。該研究還進(jìn)一步結(jié)合氣流后向軌跡(HYSPLIT)模型獲得華北平原輕及中度霾中有機(jī)氣溶膠來源及老化過程，并對不同采樣點(diǎn)有機(jī)物的特性進(jìn)行對比分析。此外，本研究初步探索了華北平原冬季輕及中度霾大氣中幾種典型有機(jī)氣溶膠顆粒物的耐熱特性。
　　透射電鏡分析結(jié)果顯示，在灰霾期間顆粒物的主要類型有六種:硫酸鹽（

4、包括鉀鹽和硫酸銨）、金屬、飛灰、礦物顆粒、煙塵和有機(jī)物。其中，含有機(jī)物的顆粒物在所有灰霾樣品（共5090個(gè)單顆粒）中最為豐富，占比約為70％?；谟袡C(jī)顆粒的形貌特征，將其分為六種類型:圓形（類型1）、近圓形（類型2）、不規(guī)則狀（類型3）、半透明穹頂狀（類型4）、濺射狀（類型5）和有機(jī)包裹物（類型6）。華北平原輕及中度霾大氣中類型1-3的有機(jī)物占比最大，并且大部分是內(nèi)部混合于非有機(jī)氣溶膠。
　　基于透射電鏡的較高分辨率，本研究發(fā)現(xiàn)華

5、北平原冬季區(qū)域性灰霾中約86％的有機(jī)物內(nèi)部混合于非有機(jī)氣溶膠，如煙塵、礦物、金屬、飛灰和硫酸鹽顆粒。根據(jù)混合組分的不同，將有機(jī)物內(nèi)混顆粒分為四類:有機(jī)物-煙塵顆粒混合顆粒、有機(jī)物-飛灰/金屬混合顆粒、有機(jī)物-硫酸鹽混合顆粒和有機(jī)物-礦物混合顆粒。研究結(jié)果顯示，約83％的類型1-4有機(jī)物與煙塵顆粒、礦物、金屬和硫酸鹽顆粒發(fā)生內(nèi)混，只有17％的類型1-4有機(jī)物是外部混合，而類型5-6有機(jī)物都是與無機(jī)鹽以內(nèi)混形式存在。S2和S3采樣點(diǎn)采集的含

6、有機(jī)物的單顆粒粒徑分析顯示二者顆粒物的粒徑峰值一致，約400nm，而S1站點(diǎn)則是在600nm。此結(jié)果表明本地源直接排放的含有機(jī)物顆粒粒徑比長距離傳輸后的顆粒粒徑大。本研究中，進(jìn)一步獲得三個(gè)采樣點(diǎn)采集的類型1-3有機(jī)物的粒徑分布，結(jié)果顯示在同一灰霾事件中類型1-3有機(jī)物的粒徑峰值是一致的(約350nm)。本研究發(fā)現(xiàn)華北平原同一灰霾事件中不同采樣點(diǎn)的有機(jī)物來源具有很大相似性。
　　本研究討論了華北平原區(qū)域性輕及中度霾中有機(jī)氣溶膠顆粒物

7、的來源。結(jié)果顯示冬季華北平原大量存在的類型1-3有機(jī)物是由缺乏控制措施的家用燃爐或小型鍋爐燃煤或燃燒秸稈所排放，尤其是具有高圓度和低長寬比的近圓形有機(jī)物占比較大，它們是在燃煤或秸稈燃燒排放出來的污染煙氣的冷卻過程中形成。本研究中為了評估有機(jī)物的來源，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合，采集實(shí)驗(yàn)室燃煤和秸稈燃燒排放出來的新鮮顆粒物，對比分析了灰霾大氣、燃煤及秸稈燃燒產(chǎn)生的有機(jī)物中Si、O、C的比值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)71％的類型1-3有機(jī)物與燃煤排放的有機(jī)物相符。

8、本研究結(jié)果顯示在華北平原，缺乏控制措施的家用燃爐或小型鍋爐的燃煤污染物排放是個(gè)從城市至農(nóng)村廣泛存在的污染源。此外，本研究分析了華北平原有機(jī)氣溶膠的老化過程，發(fā)現(xiàn)有機(jī)包裹物的平均厚度從S1至S2至S3顯示出微弱的增長，或間接表明低濕度條件下輕及中度霾大氣中氣溶膠和氣體之間的非均相反應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)的程度較弱。這與本研究中發(fā)現(xiàn)的一次有機(jī)物（類型1-3）占比較高，二次有機(jī)物（類型6）占比較小的結(jié)果相一致。
　　本研究對華北平原冬季輕及中度

9、霾大氣中幾種典型有機(jī)氣溶膠單顆粒的耐熱特性做了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過300攝氏度及500攝氏度的加熱過程之后，類型1圓形有機(jī)物的形貌相對穩(wěn)定，類型6有機(jī)包裹物的厚度變薄。有機(jī)物-煙塵混合顆粒在溫度為300度至500度的加熱過程中粒徑縮小。類型4穹頂狀有機(jī)物含有300度下?lián)]發(fā)和不揮發(fā)的有機(jī)物，類型5濺射狀有機(jī)物含有在500度下?lián)]發(fā)和不揮發(fā)的有機(jī)物。對于類型5濺射狀有機(jī)物和類型6有機(jī)包裹物中混合的無機(jī)鹽則在加熱至300攝氏度的過程中揮發(fā)完全。<