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颗粒物作为凝结核的成云作用和降水对颗粒物的冲刷作用均可以使颗粒物进入降水中,对降水的酸碱性起中和或酸化的作用。在酸雨的研究中,探明大气颗粒物的化学特征,尤其是其酸碱特性,对酸雨成因的研究有极其重要的意义。
本研究通过对北京、深圳、山东泰安、重庆和福建南平市茫荡山的大气颗粒物样品进行质量浓度、可溶性离子浓度的测定分析,发现北京2006年夏季、2007年冬季、山东2007年夏季和重庆2007年冬季的大气颗粒物质量浓度比较高,PM2.5和PM10的日均值均高于100μg/m3,说明以上观测点在观测期间颗粒物污染比较严重;而北京2008年夏季、深圳2007年春季以及福建茫荡山2009年春季的大气颗粒物的日均值比较低,PM2.5的日均值低于50μg/m3,PM10的日均值低于60μg/m3说明以上观测点在观测期间空气质量较好。通过分析各种气象因素与大气颗粒物质量浓度的关系,发现降水对颗粒物有明显的清除作用;风速对颗粒物浓度的下降作用有明显的滞后现象;日均湿度与大气颗粒物的质量浓度呈显著的正相关;温度与大气颗粒物的质量浓度(除去北京07年)呈一定的正相关关系。
对于不同的采样地点和采样时间、不同粒径的颗粒物,SO42-、NH4+、NO3-均是颗粒物上含量最高的三种离子,三种离子浓度的总和占所测得的所有水溶性离子总和的比例均达到60%以上。北京、山东、重庆的SO42-/NO3-的比值平均值基本在1~2之间,深圳和福建的SO42-/NO3-的比值平均值均大于3,说明燃煤源对大气颗粒物中水溶性组分的相对贡献比交通源要大。
NH4+、SO42-、NO3主要分布在细粒子上,北京2006年夏季、山东2007年夏季和重庆的NH4+、SO42-、NO3-浓度比较高。粗粒子模态的NO3-与SO42-只占大气颗粒物中硫酸盐的很少一部分,主要由其气态前体物在土壤扬尘颗粒物表面发生氧化反应而生成。山东和福建茫荡山的颗粒物上的铵盐存在形式包括(NH4)2SO4、NH4HSO4;北京和深圳的颗粒物上的铵盐主要以(NH4)2SO4存在。
以往研究用缓冲容量或碱性钙表征颗粒物的酸碱性,但在定量计算颗粒物对降水的中和程度上有一定不足。本研究通过对颗粒物样品水溶液的滤液进行微量酸碱滴定及其水溶性离子浓度测定,利用酸碱平衡原理和溶液中离子电荷守恒原理,计算出颗粒物中漏测的组分,用颗粒物的组成(颗粒物所含全部可溶性离子的分析浓度)表征颗粒物的酸碱特性。该颗粒物组成可以直接用于包括详细化学反应机理的酸沉降模式中计算云滴或雨滴捕获颗粒物后云水或雨水pH值的变化。
将1mg颗粒物加入到不同pH值溶液中,把计算得到的所消耗氢离子的量与溶液的初始pH值进行多项式回归,可以得到相关系数大于0.99的三次多项回归关系式,表明该多项式可以定量表征单位质量颗粒物对不同pH降水的中和能力。该多项式可以用于不考虑液相化学反应的模式中近似计算云水或雨水捕获颗粒物后其pH值的变化情况。
将本研究得到的颗粒物代表性组分的浓度应用于酸沉降模式中,模拟颗粒物对降水pH值的影响。结果表明,大气颗粒物均可以中和pH为4.57的降水,雨强越大,颗粒物对降水酸性的中和量越小,降水的酸性越大。同时比较了颗粒物和气态氨对降水酸度的中和能力,山东泰安的3mg/m3的大气颗粒物对降水的中和能力与1.6ppb的气态氨对降水的中和能力相当,福建茫荡山的3mg/m3的大气颗粒物对降水的中和能力与3ppb的气态氨对降水的中和能力相当。