论文部分内容阅读
NH3是大气环境中含量最多的碱性气体,在大气化学中起着重要作用,也是PM2.5主要成分（NH4）2SO4、NH4NO3、NH4Cl的重要前体物质,NH3的来源主要是农业源、工业源、机动车排放以城市废物挥发,但是尚有部分来源未知。对NH3日变化的监测提出,NH3浓度在早晨上升,在中午逐渐平稳并在下午下降直至次日早晨再次上升。有研究表明,露水的蒸发可能是晨间NH3浓度上升的原因,有露水凝结事件的早晨,就会观察到大气环境中NH3浓度的上升,而没有露水凝结事件的早晨,大气环境中NH3的浓度也没有变化。NH3是可溶性的气体,露水在凝结过程中可溶解NH3、NO2等可溶性气体并沉积部分颗粒物,露水中的化学组分因地区而异,露水的凝结也可以去除环境中的污染物,所以露水的下垫面也是当地大气环境的指示剂。由于湿沉降的作用,夜间露水凝结会溶解一部分NH3,并在次日清晨完全蒸发后NH3可能随之释放回大气,这一过程使露水可以作为NH3的汇和源。为探明NH4+在露水中转为NH3进入气相的过程,本实验参考了世界各地露水中的化学组分和浓度配制了人工露水,置入特制试管中,通以洁净空气使其蒸发,并使用溶蚀器收集蒸发过程中逸散出的全部气体,完全蒸发后用去离子水提取溶蚀器、试管中的成分,并用离子色谱仪分析提取液体的化学成分,模拟了露水的蒸发,并探究了 NH4+在露水中从液相转化为气相的过程及影响因素。实验表明,对NH3蒸发有抑制作用的阴离子及强度排序为SO42-＞NO3-＞Cl-,SO42-使NH3的蒸发从52%下降至10%,人工露水的蒸发过程中使NH3蒸发率从蒸发10分钟内1.2%-10.8%上升至10分钟内9%-18.3%并在蒸发开始120分钟时下降至20分钟内0.8%-1.3%。NO3-使NH3的蒸发率从34%下降至14%,人工露水的蒸发过程中使NH3蒸发率从蒸发10分钟内1.8%-8.8%下降至蒸发开始120分钟时下降至20分钟内0.5%-1.1%,并在蒸发即将结束的120-150分钟内由气溶胶态NH4NO3分解出约5%的NH3。Cl-使NH3的蒸发率从41%下降至13%,当人工露水中NH4+浓度为2ppm时,Cl-使蒸发过程中的NH3蒸发率从蒸发10分钟内2.5%-9.7%下降至蒸发开始120分钟时下降至20分钟内2%-3.7%;当人工露水中NH4+浓度为10ppm时,Cl-使蒸发过程中的NH3蒸发率从蒸发10分钟内9.3%-10.25%下降至蒸发开始120分钟时下降至20分钟内2.1%-4.2%。对于SO42-、NO3-、Cl-,当人工露水中同时存在两种、三种阴离子时,每增加一种阴离子,随其浓度的上升,NH3蒸发率会在新的阴离子加入后下降4.2%-7.5%。部分NO3-、Cl-与NH4+形成的铵盐在露水中保留至蒸发结束,再以气溶胶态进入气相并逐渐分解,蒸发过程中的pH变化趋势与NH3的蒸发趋势一致。NO2-使NH3的蒸发率上升5%-30%,当人工露水的pH＜4.3时,在蒸发过程中NH3的蒸发率从蒸发开始10分钟内的11%-5%,下降至蒸发开始120分钟时,20分钟内4%-1%;当人工露水的pH＞4.3时,在蒸发过程中NH3的蒸发率从蒸发开始10分钟内的18.8%-17.6%,下降至蒸发开始120分钟时,20分钟内4%-2%。NO2-对NH3蒸发的影响要分开讨论,世界各地的露水大都是弱酸性,在酸性条件下,NO2-在露水中与NH4+结合形成的盐NH4NO2可分解为NH3、HONO,对NH3的蒸发有促进作用。然而也有部分地区的露水为弱碱性,在碱性条件下,NO2-在露水中与NH4+结合形成的盐NH4NO2仍然会分解,因为常温下NH4NO2就很不稳定,有挥发性。但是在碱性环境中,NH4NO2在分解时似乎出现了反硝化的现象,完全蒸发后有一部分NO2-、NH4+消失,可能是变成了 N2。Na+、Ca2+对NH3的蒸发也有促进作用。Na+使NH3蒸发率在人工露水蒸发过程中从蒸发开始的1 0分钟内3.8%-5.2%上升至10分钟内13%-18%,并在蒸发开始130分钟时下降至10分钟内0.4%-1.1%。Ca2+使NH3蒸发率在人工露水蒸发过程中从蒸发开始的10分钟内2%上升至10分钟内14%-16.1%,并在蒸发开始130分钟时下降至10分钟内1.1%-1.6%～Na+、Ca2+等阳离子对于NH3蒸发的促进作用在于其与SO42-、NO3-、Cl-与盐类的溶解度,在蒸发过程中较早地脱离蒸发体系使露水环境的pH有上升的趋势,这样的环境有利于NH3的蒸发,NH3的蒸发率达到峰值后,pH也不再变化。pH对NH3蒸发的影响并不大,露水中pH是由化学成分来决定,而蒸发的过程中露水的化学组分也在变化,是离子浓度的改变引起了 pH的上升或下降。露水量对NH3的蒸发也有抑制作用,露水量越大则NH3的蒸发率越小,因为露水的体积越大,相同浓度条件下蒸发一段时间后残留在液滴中的SO42-、NO3-、Cl-,更多,不利于NH3的蒸发。对NH3蒸发率最强的影响因素是离子浓度。在蒸发开始前,通过计算露水中对NH4+有促进作用、抑制作用的离子浓度与所带电荷的乘积的总和做比可估算出完全蒸发后的NH3蒸发率,再结合当地面积、露水凝结量可计算出由露水蒸发释放的NH3的排放量且露水中的金属阳离子减少会引起NH3蒸发率的下降。另一方面,在大气环境中NH4+、NO2-含量较高的地区,当露水的pH呈碱性时,通过反硝化作用可减少晨间大气中NH3、HONO的释放以及一系列的雾霾、臭氧层破坏等大气污染事件。露水在凝结过程中吸收了附近的铵盐和气态氨,并通过蒸发将部分氨释放回大气,这是一个空气净化的过程,对大气环境的治理有着重要意义。