應(yīng)用案例

Picarro G2103（ES&T ? 水溶性有機(jī)物的氣相—?dú)馊苣z相分配：NH? 對(duì) SOA 形成的促進(jìn)作用）

發(fā)表時(shí)間：2024-04-17

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https://doi.org/10.1021/acs.est.1c06855

關(guān)鍵詞解釋

水溶性有機(jī)物：water-soluble organic compounds (WSOC)

氣相水溶性有機(jī)物：gas-phase WSOC (WSOCg)

氣溶膠相水溶性有機(jī)物：aerosol-phase WSOC (WSOCp)

二次有機(jī)氣溶膠：secondary organic aerosols (SOA)

分配因子或分配系數(shù)：partitioning coefficient (Fp = WSOCp/(WSOCp + WSOCg))

氣溶膠液態(tài)水：aerosol liquid water (ALW)

研究背景

水溶性有機(jī)物作為有機(jī)氣溶膠的重要組分，其向云、霧以及氣溶膠相的氣固分配是形成大氣中二次有機(jī)氣溶膠 (SOA) 的重要途徑。WSOC種類繁多且復(fù)雜，傳統(tǒng)研究方法主要是濾膜采樣結(jié)合離線分析，難以開展氣固兩相高時(shí)間分辨率和長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)研究。為數(shù)不多的外場(chǎng)觀測(cè)研究表明，WSOC 的氣固分配行為取決于諸多因素，例如氣象參數(shù)、氣態(tài)化合物種類和顆粒相特性等。

由于中國(guó)農(nóng)業(yè)源與非農(nóng)業(yè)源的氨氣排放較強(qiáng)，并且相較于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)大氣中的硫酸鹽和硝酸鹽濃度更高（尤其在冬季霧霾期間），使得大氣中氣溶膠液態(tài)水含量 (ALWC) 和氣溶膠pH升高，這意味著污染物的顆粒相吸收在中國(guó)可能更為顯著并促進(jìn)二次有機(jī)氣溶膠的形成。

因此，充分認(rèn)識(shí)氣態(tài)水溶性有機(jī)物的時(shí)空分布特征及其氣固相轉(zhuǎn)化機(jī)制，不僅對(duì)厘清SOA的形成機(jī)制和我國(guó)灰霾成因具有重要的科學(xué)意義，同時(shí)也能為控制我國(guó)大氣污染和制定有效治理措施提供新思路。本研究首次在我國(guó)富氨大氣條件下，初步研究WSOC氣固分配特征及其影響因素，并揭示了NH₃在WSOC氣固分配過程的關(guān)鍵作用以及對(duì)SOA形成的重要影響。

觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

觀測(cè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：觀測(cè)點(diǎn)位于崇明島西部、長(zhǎng)三角城市群下風(fēng)區(qū)域的華東師范大學(xué)長(zhǎng)江口濕地生態(tài)系統(tǒng)野外研究站（31°44′N，121°13′E），觀測(cè)點(diǎn)周圍沒有明顯的污染源，采樣口位于離地6m高的屋頂上。

NH₃觀測(cè)：使用 Picarro G2103 (光腔衰蕩光譜 CRDS）以 1 秒的時(shí)間分辨率進(jìn)行測(cè)量。

結(jié)果與研究意義

PM2.5 與NH₃：上海崇明冬季PM2.5日均濃度經(jīng)常超過國(guó)家空氣質(zhì)量 I 級(jí)標(biāo)準(zhǔn) -35 μg m^-3，表明細(xì)顆粒物污染依然嚴(yán)重。同時(shí)，時(shí)間序列圖顯示氨氣與PM2.5的時(shí)間變化趨勢(shì)相似，表明細(xì)顆粒物的形成可能與氨氣有關(guān)。觀測(cè)期間，NH3 平均濃度為 9.3 ± 4.0 μg m^-3，最大值超過 20 μg m^-3，大約是美國(guó)東南部農(nóng)村地區(qū)的 10 倍，表明長(zhǎng)三角地區(qū)的 NH₃ 污染嚴(yán)重。

相對(duì)濕度（RH）與WSOC氣固分配（Fp）：為了進(jìn)一步確定影響 WSOC 氣固分配過程的關(guān)鍵因素，作者分析了 Fp 與氣象條件（即 RH 和溫度）、氣溶膠酸度（pH）、氣溶膠含水量（ALWC）和 NH₃濃度的相關(guān)性。由于重度霧霾事件大多發(fā)生在潮濕條件下，因此進(jìn)一步研究了高相對(duì)濕度期間，ALWC、pH 和 NH₃ 通過 WSOC 水相分配對(duì) SOA 形成的影響。

從上圖 d 可以看出，在給定溫度下，pH 值與 NH₃ 呈顯著正相關(guān)，表明長(zhǎng)三角地區(qū)富氨環(huán)境可能降低了氣溶膠酸度，導(dǎo)致 WSOCp 隨著 ALWC 和 pH 值的增加而明顯增加（上圖 e，f）。

NH₃對(duì)中國(guó)SOA空間分布的影響：從對(duì)全國(guó)四大城市群區(qū)的空間特征分析發(fā)現(xiàn)，在人為活動(dòng)較少的西北地區(qū)氨氣濃度最低，而農(nóng)業(yè)活動(dòng)較頻繁的華北地區(qū)氨氣排放量最高，且硝酸鹽與WSOCp在細(xì)顆粒物中的占比與氨氣濃度的變化特征一致，進(jìn)一步揭示了氨氣對(duì)SOA形成的重要影響。

NH₃對(duì)中國(guó)不同地區(qū)WSOCp分配的影響， (a)全國(guó)四大城市群區(qū)的PM2.5中硝酸鹽和WSOCp占比，(b)氣態(tài)氨氣濃度的空間變化特征。

總結(jié)

NH₃作為大氣中的主要堿性氣體，在高濕條件下，一方面是通過改變氣溶膠含水量和酸度影響WSOC氣固分配，另一方面通過酸堿中和等液相反應(yīng)促進(jìn)WSOC的反應(yīng)性吸收。

SOA是我國(guó)PM2.5 的重要組成，尤其是在霧霾期間。而氨氣可以通過影響WSOC氣固分配促進(jìn)SOA的形成，因此控制氨氣排放對(duì)于緩解我國(guó)大氣污染是勢(shì)在必行的。

Picarro高精度氨氣分析儀介紹

Picarro G2103是一款高精度在線氨氣分析儀。其業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：低檢測(cè)限（ ppt 級(jí)別）、低漂移（一整月的連續(xù)工作中僅漂移了 ±0.5 ppb）、低吸附快響應(yīng)（氣體過道上應(yīng)用了SilcoNert^® 涂層）、抗干擾氣（對(duì)牲畜建筑物中常見的揮發(fā)性有機(jī)化合物沒有干擾）、水汽校準(zhǔn)（可報(bào)告準(zhǔn)確的干摩爾分?jǐn)?shù)，適用于潮濕環(huán)境條件，無(wú)需校正水的影響）、便攜性（該分析儀尺寸小，功耗要求低）

鑒于以上Picarro氨氣分析儀卓越的優(yōu)勢(shì)，歐洲空氣中氨氣計(jì)量項(xiàng)目、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院、芬蘭氣象研究所、德國(guó)環(huán)境部、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局、上海環(huán)境科學(xué)研究院、中國(guó)計(jì)量院等國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)均采用Picarro的CRDS技術(shù)測(cè)量NH₃。

儀器性能參數(shù)如下：

致謝：感謝華東師范大學(xué)王格慧教授團(tuán)隊(duì)、文章第一作者呂少君博士對(duì)本文的專業(yè)支持！

歡迎感興趣的專家學(xué)者聯(lián)系我們！

韓工：hyx@cen-sun.com

陳工：chenxf@cen-sun.com

高工：gaoch@cen-sun.com

編輯：王繼軍

審核：韓一萱