用于源解析的部分有机示踪物的大气稳定性研究

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有机气溶胶占据了大气细粒子的50%-80%。其来源既包括一次的,也包含了相当数量的二次来源。源解析技术是定量识别气溶胶来源的重要手段。由于对污染源具有较强的特征性,有机示踪物被广泛应用于源解析研究中。源解析模型的一项基本假设是各种示踪物在大气中应当足够稳定。但是已有少量研究指出,一些常用于源解析的有机示踪物与大气氧化剂之间有较高的反应活性,从而对源解析结果的准确性带来较大的影响。这一现象已在大气环境化学领域引起了广泛的关注。但是目前对源解析模型中使用的示踪物的降解行为研究还非常有限;对同一示踪物,不同研究者测定的降解动力学尚存在数量级的差别;且现有研究尚未充分考虑相对湿度、温度以及颗粒物混合状态等环境因素的影响。因此,本论文选取了生物质燃烧排放有机气溶胶示踪物(左旋葡聚糖和脱氢松香酸)和生物源二次有机气溶胶示踪物(蒎酮酸),使用流动反应装置研究了它们在不同环境条件下与大气氧化剂OH自由基的非均相反应,并对它们的大气稳定性进行了讨论。  本文首先在40%的相对湿度以及25℃的温度下研究了左旋葡聚糖、脱氢松香酸和蒎酮酸与OH自由基的反应活性。结果表明,上述示踪物与OH自由基的反应均比较显著,二级反应速率常数k2分别为(9.17±1.16)×10-12、(5.75±0.57)×10-12以及(6.17±1.07)×10-12 cm3·molecule-1·s-1。  在真实大气环境下,各种理化性质均会对有机示踪物的大气行为产生影响。不同示踪物由于水溶性存在差异,它们的大气稳定性随湿度的变化也呈现出了不同的趋势。随着相对湿度的增加,左旋葡聚糖与OH自由基的二级反应速率常数有较大幅度的下降;蒎酮酸与OH自由基反应的速率常数仅有小幅降低;脱氢松香酸与OH自由基的反应速率常数则基本没有变化。三种示踪物与OH自由基的反应速率常数随温度的升高均有增大,温度与速率常数的关系符合阿仑尼乌斯方程。左旋葡聚糖、脱氢松香酸、蒎酮酸与OH自由基反应的活化能分别为16.0±2.2、12.5±0.5以及14.4±2.8 kJ·mol-1。与不同颗粒物混合后,左旋葡聚糖、脱氢松香酸的大气稳定性有显著变化。当与无机盐混合时,两种示踪物与OH自由基的反应活性与混合方式有关;当与黑碳颗粒混合时,示踪物与OH自由基反应的速率常数与纯样品相比显著降低,表明黑碳的混合会使得一次排放有机示踪物的大气稳定性明显增加。  利用衰减全反射红外光谱以及气相色谱-质谱,辅之以DFT理论计算,研究了示踪物被OH自由基氧化后可能的产物。此外,通过测得的反应速率常数,计算了示踪物的大气寿命,得到不同环境条件以及不同混合状态下左旋葡聚糖的大气寿命为1.2-3.9天、脱氢松香酸的大气寿命为2.3-4.7天、蒎酮酸的大气寿命为2.1-3.3天。由于示踪物最长的大气寿命依旧短于气溶胶本身的大气寿命,因此外场观测中测得的示踪物浓度可能会被低估,从而给源解析的结果带来负误差。本文研究不仅有助于了解有机气溶胶本身的大气环境行为,也将对现有源解析研究结果的改善提供基础数据。
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