大气中颗粒相多环芳烃与N2O5/NO3/NO2的非均相化学反应研究

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多环芳烃是大气环境的典型致癌致畸类有机污染物,它们经人为源大量排放进入大气中,它们在大气中的迁移转化直接影响着大气环境气候和人类健康。本论文针对颗粒相多环芳烃机污染物与N2O5/NO3/NO2的非均相反应进行了研究。研究内容主要包括反应产物、反应机理及反应动力学等。研究结果将有助于认知多环芳烃的大气化学行为以及其带来的潜在环境危害。具体研究结果如下:  (1)利用烟雾箱、真空紫外光电离气溶胶飞行时间质谱仪及气相质谱仪在线研究了两种五环类多环芳烃benzo[b]fluoranthene(B[b]F)和benzo[k]fluoranthene(B[k]F)与NO3自由基的非均相反应。共九种mono-NB[b]F(保留时间依次为:49.57,50.60,51.42,51.68,52.23,52.33,52.62,53.06,and54.07 min)和2种di-NB[b]F(保留时间:55.6 and56.1 min)以及4种单硝基mono-NB[k]F(保留时间依次为:50.0,51.4,52.2,和53.4 min)和一个双硝基di-NB[k]F(保留时间为59.5 min)生成。我们推测本实验GC-MS所观察到四种mono-NB[k]F依次分别为:7-,1-,8-,和3-NO2-NB[k]F以及唯一的di-NB[k]F为3,7-NO2-B[k]F。其它几种仅仅由VUV-ATOFMS观察到的产物为:tri-NB[b]F, mono-NB[b]F-quinone和di-NB[b]F-quinone以及B[k]F-quinone与mono-NB[k]F-quinone,我们推测以上产物是相应的一级非均相反应产物B[b]F-quinone,B[k]F-quinone,mono-NB[b]F和mono-NB[k]F与NO3自由基进一步反应的结果。此外,利用混合相对速率法,以异戊二烯作为参比物,计算所得颗粒相B[b]F和B[k]F与NO3自由基非均相反应的有效速率常数分别为(1.2±0.1)×10-12和(5.8±0.3)×10-13 cm3 molecule-1 s-1,此外根据球壳模型推算的摄取系数计算公式,NO3自由基在B[b]F and B[k]F颗粒表面的摄取系数分别为0.22和0.65。相比多环芳烃与NO2及O3的非均相反应速率常数,多环芳烃与NO3自由基非均相反应有效速率常数大几个数量级。因此,大气夜间环境中,多环芳烃与NO3自由基的非均相反应也许是其最重要的降解途径之一。  (2)利用烟雾箱、真空紫外光电离气溶胶飞行时间质谱仪和最新自主研制的气相飞行时间质谱仪(VUV-TOFGMS)在线研究了大气环境湿度与在气相[NO3]/[N2O5]比率对颗粒相Fluoranthene(FL)与Pyrene(PY)与NO3自由基的非均相反应的影响,并利用结合GC-MS离线对反应产物分布进行对比分析。研究结果显示降低环境湿度和提高[NO3]/[N2O5]比率本质是提高了颗粒表面的[NO3(g)]/[NO2+(aq)]比率。因此我们推断大气溶胶颗粒表面的[NO3(g)]/[NO2+(aq)]比率能够明显影响荧蒽和芘的非均相反应降解过程。在实际大气环境湿度和气相[NO3]/[N2O5]比率条件下,颗粒表面较低的[NO3(g)]/[NO2+(aq)]比率明显抑制NO3自由基初始加成机制。这或许可以解释为什么仅仅1-,3-,7-,8-NFL和1-NPY在荧蒽和芘与N2O5/NO3/NO2非均相反应中生成而2-NFL和2-NPY却没有观察到。  (3)利用烟雾箱、真空紫外光电离气溶胶飞行时间质谱仪及气相质谱仪在线研究了颗粒表面有效反应位点堵塞现象对芘的非均相化学降解机制的影响。通过对照试验和浓度对比试验,对不同实验条件下NPY产物的分布进行了对比分析。实验结果显示:NO3初始加成反应和N2O5初始亲电硝基取代反应在气溶胶颗粒的非均相降解中是共存竞争的。PY非均相反应降解反应与NOx浓度有明显相关性。因此我们推测大气NOx的浓度差异造成的多环芳烃气溶胶颗粒表面的反应位点堵塞现象可能普遍存在,且对芘的非均相反应降解机制有明显的影响。
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