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二次有机气溶胶(Secondary organic aerosol,SOA)是大气光化学反应的产物,也是城市和郊区大气中细粒子的主要成分。由于SOA可以影响人体健康、降低能见度、影响气候变化,通过烟雾腔实验,研究二次有机气溶胶的生长机理,对控制和防治光化学污染,有着重要的现实意义。
本文阐述了二次有机气溶胶的研究方法及进展,详细叙述了我们自行研制的气溶胶飞行时间质谱仪(Aerosol Time-of-Flight Mass Spectrometer,ATOFMS)和烟雾腔系统。利用激光电离解吸附、气溶胶飞行时间质谱技术和双束激光空气动力学粒径测量方法实现气溶胶单粒子化学成分和粒径的实时测量,并优化了粒径测量和质谱分辨率,同时采用气溶胶粒谱分布仪测量气溶胶粒子的数目和质量浓度,从而对烟雾腔内SOA粒子的形成模拟实验进行在线研究。
从光照强度、光照时间、氮氧化合物浓度、亚硝酸甲酯浓度、芳烃化合物浓度五个方面研究了环境及条件因素对二次有机气溶胶生长的影响。研究结果表明:随着混合体系光照强度的增加,烟雾腔内粒子质量浓度增长的速度越快;强度越大,烟雾腔内粒子质量浓度达到最大值所需要的时间越短;延长反应时间,小颗粒物因碰并生成大的颗粒物,粒子质量浓度增加,数目浓度减少;亚硝酸甲酯的浓度对二次有机气溶胶粒子的形成存在一个最佳的浓度;氮氧化合物的浓度影响二次有机气溶胶的质量浓度,与高浓度相比,氮氧化合物的浓度低时,二次有机气溶胶的质量浓度高;芳烃化合物浓度越大,SOA质量浓度增长趋势越明显。
用激光解吸电离和GC/MS方法检测芳烃化合物光氧化产生的SOA粒子,产物分为芳香环保留产物、非芳香环保留产物,以及环断裂含羰基产物,从粒径分布上看产物粒子大部分属于细粒子。研究了不同种类、浓度、酸度的无机种子气溶胶颗粒物对SOA生长以及成分的影响,研究结果表明:无机种子气溶胶的存在可以加快反应过程中颗粒物生长速度;在酸性种子气溶胶条件下,粒子的酸性会引发含羰基物种的异相表面酸催化反应,加速气相产物单体聚合形成大分子聚合体,从而显著增加SOA的质量浓度。