一种新的吸湿性测量方法:开发及应用

来源 :中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:shenth_1980
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吸湿性是指颗粒物吸收或失去水分子的性质,其会改变颗粒物的粒径、形貌、化学组成、光学性质以及云凝结核活性和冰核活性等,从而在很大程度上决定了大气颗粒物的环境及气候效应。然而,对于非球形的或吸湿性较弱的大气颗粒物,现有技术很难准确测定其吸湿性。本论文开发了一种使用蒸汽吸附分析仪测定大气颗粒物吸湿性的新方法,并将该方法应用于研究花粉、矿质气溶胶和飞灰等代表性大气颗粒物的吸湿性。主要研究成果如下:(1)开发了使用蒸汽吸附分析仪测定大气颗粒物吸湿性的新方法,该方法通过测量颗粒物质量变化来研究其吸湿性,对颗粒物的形貌没有要求。使用该方法测定了六种标准物质(潮解点在20-90%之间)在不同温度下(5-30 oC)的潮解点,发现测量值与文献值有很好的一致性;测定了5和25 oC下Na Cl和(NH4)2SO4在不同相对湿度下的吸湿增长因子,发现测量值与E-AIM模型的预测结果吻合得很好。上述实验结果证明了这种方法的可靠性。此外,该方法能够准确测量<0.025%的相对质量变化,具有卓越的灵敏度。(2)使用蒸汽吸附分析仪、漫反射傅里叶变换红外光谱和透射傅立叶红外光谱这三种技术手段,系统研究了不同温度下(5或15、25和37 oC)六种风媒植物花粉的吸湿特性。在25 oC下,当相对湿度为90%时,这六种花粉的归一化质量在1.293±0.028至1.549±0.018之间,说明这些花粉普遍具有中等的吸湿性;此外,含有较高水平OH基团的花粉往往表现出较高的吸湿性。该研究还发现,温度的升高一般将导致花粉吸湿性的小幅度降低。(3)使用蒸汽吸附分析仪研究了八种代表性钙盐和镁盐颗粒物的吸湿性,这八种物质分别为Ca(NO3)2?4H2O、Mg(NO3)2?6H2O、Mg Cl2?6H2O、Ca Cl2?6H2O、Ca(HCOO)2、Mg(HCOO)2?2H2O、Ca(CH3COO)2?H2O和Mg(CH3COO)2?4H2O。室温下Ca Cl2?6H2O的潮解点最低(~28.5%),而Ca(HCOO)2和Mg(HCOO)2?2H2O的潮解点最高(>95%);此外,Clausius-Clapeyron方程可以较好地描述潮解点随温度(5-30oC)的变化。当温度为25 oC、相对湿度为90%时,Mg(NO3)2?6H2O、Ca(NO3)2?4H2O、Mg Cl2?6H2O、Ca Cl2?6H2O和Mg(CH3COO)2?4H2O潮解后形成的溶液中水与Ca离子或Mg离子的摩尔比分别为36.87±0.23、28.78±0.20、36.26±1.76、36.30±0.21、28.97±0.20,而Ca(CH3COO)2?H2O、Ca(HCOO)2和Mg(HCOO)2?2H2O尚未发生潮解。上述研究结果表明,碳酸盐矿质颗粒物与酸性气体的非均相反应将生成吸湿性更大的物质,从而显著增强其吸湿性。(4)使用蒸汽吸附分析仪和原位漫反射傅里叶变换红外光谱研究了室温下十一种非传统矿质颗粒物的吸湿性。对于这些非传统矿质颗粒物,当相对湿度为90%时,吸附水与干燥样品的质量比(mw/m0)最低为0.0003,最高为0.7340;这表明非传统矿质颗粒物的吸湿性差异较大。此外,90%相对湿度下吸附水与干燥样品的质量比(mw/m0)与水溶性离子的含量和颗粒物的BET表面积呈现正相关关系。该研究还发现,Freundlich吸附等温线模型可以较好地拟合非传统矿质颗粒物吸附水的含量随相对湿度的变化,其中AF和BF这两个参数的范围分别为3.5×10-4-1.29和0.12-1.58。
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