灰霾与颗粒物吸湿增长

灰霾频发是中国当前遭遇的最严峻的环境挑战之一。以二次离子为主的细颗粒物浓度上升是灰霾频发的主要原因,这反映了中国煤烟和汽车尾气复合型大气污染特征。二次颗粒物在大气中容易潮解和吸湿增长,显著改变颗粒物的折光率和粒径分布。颗粒物的吸湿性主要取决于化学组成,也受粒经效应制约。受风化滞后影响,大气颗粒物很可能在较低湿度下仍然以湿霾形态存在。中国城市大气气溶胶包含近疏水颗粒物、弱吸湿颗粒物和强吸湿颗粒物三种类型,各类型的含量在各城市存在差异。灰霾期间吸湿增长对大气能见度降低的贡献可能达到60%,超过颗粒物本身的消光作用。颗粒物吸湿增长还可以为气态污染物提供非均相转化载体,促进硫酸盐和硝酸盐等细颗粒物的生成,进一步降低大气能见度。     

黑碳光化学老化的新机制

正黑碳是大气气溶胶的重要组成成分,在长距离输送过程中会与大气中的环境介质相互作用发生老化,使得自身的化学组成、结构、吸湿性、光学性质等发生显著改变[1,2].黑碳对可见光和红外光具有强烈吸收,近年来的研究发现这些吸收的太阳光还能够引发黑碳自身的光化学反应,促进黑碳的老化,从而影响其环境行为与效应[3],因此大气中黑碳的光化学老化受到高度关注[4].黑碳主要是由生物质燃料和化石燃料的不完全燃烧产     

大气细颗粒物对大气能见度的影响

大气颗粒物污染是造成灰霾的主要原因.本文总结了大气颗粒物影响大气能见度的几个主要因素,即颗粒物的数浓度(或质量浓度)粒径分布、化学组分以及混合状态.我们认为,空气动力学粒径小于1μm的细颗粒物(PM1)是影响大气能见度最关键的大气成分.而要准确理解颗粒物的光学性质还必须结合颗粒物的化学组分及其混合状态来综合分析.     

南京持续雾霾天气中亚微米细颗粒物化学组分及光学性质

2013年1月,我国中东部地区发生持续性雾霾污染事件.本研究利用Aerodyne气溶胶化学组分监测仪(ACSM)对南京地区非难熔性亚微米细颗粒物(NR-PM1)化学组分(包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物)进行实时在线连续监测,结合光声气溶胶消光仪(PAX)表征大气颗粒物的消光性质和黑碳测量仪(Aethalometer)测定黑碳(BC)的浓度.观测期间,有机物、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、氯化物和BC对PM1(NR-PM1+BC)的贡献分别为32.3%,26.0%,17.9%,13.2%,2.8%和7.8%.利用正定矩阵因子分析法(PMF)解析出3类有机气溶胶:烃类有机气溶胶(HOA)、半挥发低氧化态有机气溶胶(SV-OOA)和低挥发高氧化态有机气溶胶(LV-OOA),三者平均浓度分别占总有机气溶胶的27.4%,32.2%和40.4%.可见观测期间二次组分是PM1的主体部分.受本地晚间餐饮源和机动车排放高峰的影响,HOA在晚间时段急剧增加,导致观测期间有机物出现剧烈的变化特征.整体而言,二次气溶胶(硫酸盐、硝酸盐、SV-OOA和LV-OOA)的质量浓度、总质量分数和气溶胶单次散射反照率分别随相对湿度(RH)的增加而升高,表明RH的增加有利于二次气溶胶的不断形成.另外,大气能见度随RH的增加而降低,也随二次组分含量的增加而降低,说明RH与PM1中二次组分对雾霾期间大气能见度产生协同影响.     

上海市灰霾天大气颗粒物浓度及富集元素的粒径分布

利用电称低压冲击仪(electric low pressure impactor,ELPI)在线监测上海市灰霾天和非灰霾天大气颗粒物浓度的粒径分布,并收集0.03～4.4μm粒径段的大气颗粒物.用同步辐射X荧光分析其中K,Ca,Ti,Mn,Cr,Ni,Cu,S,Cl,Zn,As,Pb和Fe等13种元素的粒径分布特征;以Fe为参比元素,根据富集因子定性确定各元素在灰霾天和非灰霾天的污染特征.结果显示,大气颗粒物的质量浓度在灰霾天显双模态结构,在非灰霾天显单模态结构;灰霾天大气颗粒物的粒子数浓度在0.07～0.3μm粒径段内出现明显的峰值.K,Ca,Ti,Cl,Mn,Cr,Zn,As,Pb在非灰霾天显单模态结构,在灰霾天除了K仍显单模态结构外,其余均显双模态结构;Ni,Cu和S在非灰霾天显双模态结构,在灰霾天除Ni出现三模态结构外,仍显双模态结构,但3个元素峰值在非灰霾天和灰霾天变化明显.K,Ca,Ti的富集因子在非灰霾天和灰霾天均为1左右,Mn,Cr的富集因子也小于10,表明K,Ca,Ti,Mn和Cr来自自然源;Cl,Pb,As,Ni,Cu,S,Zn的富集因子在非灰霾天和灰霾天均远大于10,且Ni,Cu,S,Zn的富集因子在灰霾天明显大于在非灰霾天的值.     

大气中细颗粒物表面多相化学反应的研究

细颗粒物在大气环境问题中起着重要的作用, 对于其表面上的多相复合反应的研究已成为当前大气环境科学研究最前沿的领域. 阐述了大气中细颗粒物的物理和化学特性, 及其与大气中痕量污染气体物质的相互作用, 探讨了细颗粒物表面多相化学反应的研究方法. 评述了大气中细颗粒物表面多相化学反应研究的若干进展, 提出了主要存在的问题及今后的研究前景.     

大气颗粒物生物化学组分的促炎症效应研究进展

大气污染物暴露与呼吸系统疾病、心脑血管疾病、神经退化性疾病之间的关系,已被大量流行病学和基于动物、细胞的毒理学所确认.促炎症效应是污染物尤其是颗粒物影响健康的重要机制之一.然而,颗粒物通过何种过程引起炎症效应,哪些组分是促炎症效应的关键因子,依然不清楚.多环芳烃、重金属等化学组分对颗粒物促炎症效应的贡献已有大量报道.细菌、真菌、病毒、花粉等微生物及其碎片构成的生物气溶胶,基于其配体特征,在激活免疫系统引起炎症反应方面有独有的"优势".但由于对生物气溶胶进行在线监测分析有较大困难,导致缺乏对其种类、浓度等特征的全面了解,从而限制了对颗粒物中生物组分促炎症效应的认识.本文简单总结了大气颗粒物的促炎症效应,从炎症效应机制、不同组分的炎症效应及生物化学组分协同作用3个方面进行了归纳,并提出了开展大气污染健康效应研究的几点新的研究思路和方向建议.     

低温冰晶表面臭氧耗损速率

南极上空春季臭氧耗损很显著,形成“臭氧洞”.大气臭氧气相反应过程不能阐述臭氧洞的产生现象,低温下气相反应,无力解释臭氧的快速损耗.Solomon,Rowland等提出大气中非均相反应可能对臭氧的破坏起重要作用.发生非均相反应需要有颗粒物存在,极地上空平流层云的形成提供产生非均相反应的条件.在南极上空冬季和春季有三种类型的极地平流层云,Ⅰ型颗粒物是由三水合硝酸(NAT)组成,形成温度约为197K;Ⅱ型颗粒物主要成分是水,在约187K形成;Ⅲ型平流层云由珠母云组成.在这些颗粒物上发生的非均相反应将使非活性的储库化合物转化为活性氯,由此导致臭氧急剧下降并产生高浓度的C10.因此研究在冰晶上的非均相反应是大气臭氧耗损过程研究的热点课题。 臭氧在冰晶表面的耗损有两种方式:(1)在冰晶表面发生化学反应,破坏臭氧;(2)臭氧在冰晶表面发生吸附作用.当冰晶蒸发后,臭氧又能释放出来.本工作试图测定臭氧在冰晶上的耗损速率,以后再逐步研究所发生的化学过程和吸附过程。     

霾污染天气大气微生物气溶胶特性的研究进展

自从2013年以来,中国霾事件频发,霾污染已经成为全国人民广泛关注的环境问题之一.霾污染的本质是大气细颗粒物污染.大气颗粒物的生物成分(即生物气溶胶)与其化学成分一样,不仅对空气质量和人群健康具有潜在威胁,而且对全球气候变化以及大气物理化学过程也具有间接影响.然而,目前学术界对大气颗粒物的生物成分及其性质的研究相对滞后,尤其是对霾污染天气大气颗粒物中微生物的多样性、丰度及其时空变异特性等基本科学问题认识不足.因此,本文综述了目前霾污染天气大气微生物气溶胶的研究现状,结合我们的研究着重阐述了在不同霾污染程度下生物气溶胶的浓度、粒径分布与群落结构特性,以及空气污染和环境因子对生物气溶胶分布的影响机理等方面存在的问题.最后,给出了未来霾污染过程生物气溶胶研究应主要开展的5个方面的工作展望,以期为深入理解霾天生物气溶胶的来源、变化机理以及评估不同空气质量的健康影响提供参考.     

城市边界层理化结构与大气污染形成机制研究进展

自2013年《大气污染防治行动计划》实施以来,我国空气质量持续改善,但京津冀地区细颗粒物浓度仍远高于国家标准,秋冬季重污染天气仍时有发生.近些年,我国科学家在大气污染的立体探测、成因机制和来源解析、气溶胶和边界层相互作用等研究领域取得重要进展,进一步支撑了我国大气污染的科学防治和重污染天气的有效应对,然而我国当前大气污染仍面临诸多科学难题.本文简要概述了我国近些年在大气污染垂直探测方面的一些研究进展,特别是依托于北京325 m气象塔建设的城市边界层理化结构探测平台,详细论述了北京地区不同季节大气气溶胶化学组分的垂直分布特征及其与边界层物理要素的相互作用,同时基于2014年亚太经合组织峰会(APEC)和2015年纪念抗日战争胜利70周年阅兵前后的垂直观测,阐明了大气污染化学组分对区域源排放控制的响应机制.本文还针对大气细颗粒物中的二次无机组分(硝酸盐和硫酸盐)和二次有机气溶胶的生成机制以及极端霾事件的生消机制的最新研究进展进行了评述,并在最后对大气污染监测、二次无机气溶胶生成机制和有机气溶胶的分子组成和物理化学属性(相态、挥发性和氧化态等)等未来研究给出了一些建议.     

燃煤颗粒物三模态的有效识别

为有效识别燃煤颗粒物模态, 提出了一种新的基于Al元素粒径分布的识别方法, 结果证明燃煤颗粒物实际上呈三模态分布, 而非传统的双模态分布. 分析表明超细模态产生于无机物的气化-凝结过程, 粗模态主要由熔融矿物的聚合形成, 而中间模态主要由气态组分在细小残灰颗粒上的异相冷凝/反应生成. 对S元素粒径分布的研究进一步证明了Al元素粒径分布在燃煤颗粒物三模态识别中的合理性和有效性. 研究表明利用Al元素粒径分布不仅能有效识别颗粒物三模态, 而且能准确地定义各模态的分界粒径, 比常用的质量或体积等粒径分布具有更大的优越性, 为深入揭示颗粒物的形成机理及其物化特性表征提供了新的研究思路.     

论非生物成因天然气

从能源气体研究的角度出发,天然气通常指以甲烷为优势组分的可燃性气体.依据甲烷的形成过程可将天然气划分为:(1)生物(或细菌)气,主要指沉积物中的有机质在厌氧细菌作用下分解产生的气体;(2)热降解气,主要指沉积物中的有机质在一定的温度、压力等作用下降解产生的气体;(3)非生物气,主要指源于地球深部的原始气体,或在地球深部由无机反应合成的烃类气体.沉积物中的有机质在细菌、温度、压力等作用下可形成具商业开采价值的天然气藏的生物成因观点已被绝大多数地质学家所认可.然而,非生物成因烃类能否聚集成藏仍是地学界近百年来争论不休的重大科学论题.     

深圳市冬季黑碳气溶胶的粒径分布和混合态特征

黑碳(BC)气溶胶的气候效应和环境效应是当今科学界的研究热点. BC 气溶胶的粒径分布及混合态对其光吸收和其他理化性质有很大影响, 但是受仪器分析技术的限制, 目前国内外均鲜有对单个BC 粒子大小及混合态连续观测的研究. 本研究利用新型的单颗粒黑碳光度计(SP2), 对2009 年1~2 月深圳市BC 气溶胶的质量浓度、粒径分布及单颗粒混合态进行连续在线观测. 结果表明: 观测期间BC浓度均值为6.24 μg/m³; 其质量粒径分布呈单峰型, 峰值位于211 nm; 内混态BC(127~264 nm 粒径段内)质量比例为32.4%. 内混态BC 比例随粒径变化趋势与表面积浓度的粒径分布趋势相似, 说明内混态BC 形成与大气中的气-固转化过程密切相关. 外混态BC 浓度与NO_x 高度相关, 并随大气边界层高度变化而呈现白天低、夜间高, 这些特征都说明外混态BC 与本地机动车等燃烧源的新鲜排放密切相关; 内混态BC 浓度的日变化相对平缓, 指示出其来自区域传输的特征. 反向轨迹分析也表明, 内混态BC 比例与气团老化程度有显著的对应关系. 本研究有助于深入认识我国大气BC 气溶胶污染的本质及来源特征, 并为准确评估BC 气溶胶在辐射强迫和气候变化中的作用提供关键的支撑数据.     

羰基硫与气溶胶典型组分的复相反应机制

羰基硫(COS)是大气中含硫气体之一,它可以通过大气化学反应形成硫酸盐气溶胶,影响大气辐射平衡,导致全球气候变化.COS在大气中可通过与OH·自由基、活性氧原子等均相反应过程发生化学转化,但其与大气颗粒物的复相反应的研究甚少.考察了COS与大气颗粒物中较常见的氧化物成分Al2O3,CaO,SiO2,Fe2O3和MnO2等发生复相转化的能力,利用原位傅里叶红外光谱(insituFTIR),X射线光电子光谱(XPS),比表面积分析等手段确定了COS的转化产物,讨论了反应的动力学过程和转化途径.结果表明,常温下COS能与多种氧化物反应,产物为CO2,单质S以及24SO-.各种氧化物对COS催化反应能力有较大差异,Al2O3表现出很强的催化活性,Fe2O3次之,CaO反应微弱,SiO2和MnO2则无明显反应活性.氧化物表面的吸附氧和羟基是COS转化的主要反应中心.体系中氧气过量时,Al2O3催化COS遵循准一级反应动力学规律,其酸碱性对催化活性影响很大,COS在碱性、中性和酸性Al2O3上的表观反应速率常数分别为1.5110-4,9.8110-5和3.0610-6s-1.     

民用固体燃料燃烧超细颗粒物排放及其潜在健康影响

用于民用炊事与取暖的固体燃料燃烧过程排放大量的细颗粒物(PM_(2.5)),是造成大气及室内空气污染的主要污染源之一,尤其会给室内人员带来较大的健康风险.越来越多的研究表明,民用固体燃料燃烧过程中产生的细颗粒物从数浓度角度主要以超细颗粒物(PM0.1)为主.然而,目前民用固体燃料燃烧产生的超细颗粒物及其潜在健康影响尚未受到足够的重视,其排放与健康风险的评估一般包含在PM_(2.5)质量浓度评价中.本文简要分析了目前针对民用固体燃料燃烧中超细颗粒物排放的研究进展,包括燃烧过程中超细颗粒物的形成机制及排放特征.此外,本文还讨论了民用固体燃料燃烧导致的室内超细颗粒物污染引发的潜在健康影响,阐述了当前民用固体燃料燃烧的颗粒物污染与健康风险评价中仅使用PM_(2.5)质量浓度作为评价指标而未考虑超细颗粒物数浓度可能带来的问题,并在最后探讨了民用固体燃料燃烧超细颗粒物排放的控制与管理思路.     

城市大气可吸入颗粒物对质粒DNA的氧化性损伤

使用质粒DNA评价法(Plasmid DNA assay)研究了在北京市市区、郊区卫星城市南口镇和清洁对照点十三陵水库地区采集的PM₁₀和PM_2.5样品及部分源颗粒物的生物活性. 结果表明, 沙尘暴期间采集的颗粒物对DNA的生物活性小于非沙尘暴期间采集的样品. 不同时间和地点采集的大气颗粒物样品对质粒DNA 的损伤差别很大, 它们的TM50(造成50%的DNA损伤所需的剂量)相差可高达一个数量级, 其原因, 可能是北京市大气颗粒物中矿物质量百分比的变化引起了生物活性较强的细颗粒物相对含量的改变. 同PM₁₀ 相比, 大部分PM_2.5样品的生物活性相对较大. 最后, 对比水溶和总体颗粒物质粒DNA评价的结果得出, 大气颗粒物中的水溶组分是其生物活性的主要来源.     

羰基硫在矿质氧化物上的非均相催化氧化反应

利用原位漫反射红外光谱( in situ-DRIFTS)、离子色谱(IC)、程序升温脱附(TPD)、X射线衍射(XRD)及比表面积分析(BET)等手段，研究了OCS在大气颗粒物中较常见的矿质氧化物成分SiO₂， Al₂O₃，Fe₂O₃，CaO，MgO，ZnO，TiO₂等上的非均相氧化反应，确定了反应中间体和产物，讨论了反应动力学过程和反应机理。结果表明，OCS在矿质氧化物上具有与Al₂O₃上相同的反应机理。即，OCS在表面羟基和表面氧的共同作用下，经由中间体HSCO₂–和HSO₃^–，最终转化为SO₄^2–和CO₂。不同模型氧化物对OCS的氧化活性依次为     

生物质裂解油老化行为与机理研究

在普通加热方式的基础上, 采用微波和氧气辅助的方式对生物油老化行为进行了研究, 并采用质谱仪(MS)和荧光显微镜对老化油进行了表征. 通过比较生物油老化前后的成分及其含量变化, 并根据该变化对生物油老化的机理进行了初步的研究. 结果表明, 老化油容易分层, 其物理特性和成分变化较大, 且空气中的氧气会加速其老化; 经过老化处理, 生物油中可测组分的绝对含量降低到原来的40%左右, 而含有醛基和烯基的化合物的含量下降到原来的10%以下, 加入一定量的过氧乙酸或酸碱会加剧这种变化; 在生物油老化过程中以聚合反应为主, 并伴有一定量的缩合和酯化反应. 因此, 采用隔绝空气和除去生物油中的酸可以有效地延缓和抑制老化反应的发生.     

雾霾超细颗粒物的健康效应

大气细颗粒物暴露与肺癌和心血管疾病及其死亡率增加的因果关系,已经在过去几十年欧美国家所开展的长期研究中得到确认.但是,细颗粒物是空气动力学直径小于或等于2.5?m的所有颗粒的统称,包括对消光、致霾贡献很大的亚微米颗粒物和纳米级的小颗粒物(100 nm,超细颗粒物).以质量浓度(即颗粒物的重量)测量,细颗粒物中微米尺度颗粒物的浓度最大;但以颗粒物数浓度(即颗粒物的数目)测量,超细颗粒物的浓度最大.与大尺寸的颗粒物相比,超细颗粒物具有不同的吸附能力、表面化学反应能力、分散与团聚能力等.长期以来,由于缺乏有效的研究手段和方法,科学家们只能推测雾霾中的超细颗粒物有可能是雾霾健康损害的主要贡献者.近年来,伴随着纳米科技的迅速发展,纳米毒理学得以兴起并受到广泛关注.尽管大气超细颗粒物的成分、尺寸等远比人造纳米颗粒复杂,但是,纳米毒理学所建立的实验技术和方法学可以在二者的研究中共享.本文根据过去15年发展起来的纳米毒理学的研究方法和获得的知识,从毒理学研究角度针对雾霾超细(纳米级)颗粒物在肺部的沉积和吸收、呼吸系统急性毒性反应、清除、炎症反应等健康效应,以及心血管系统对超细颗粒物的急性毒性反应等进行了分析和讨论,并针对我国雾霾特征提出了开展雾霾超细颗粒物健康效应系统研究的优先方向.     

2002年北京特大沙尘暴的理化特性及其组分来源分析

2002年3月北京发生了有历史记录以来最大的沙尘暴, 总颗粒物浓度高达10.9 mg·m^-3, 高出国家颗粒物污染标准54倍. 主要地壳源元素Ca, Al, Fe, Mg, Na, Ti等高达平日的30~58倍. 污染元素Zn, Cu, Pb, As, Cd, S比平时高出几倍至近十倍. 其中Pb, As, Cd, S在PM2.5中富集系数分别高达12.7, 29.6, 43.5, 28.4, 这些污染物部分来自于沙尘暴长距离传输过程中矿物气溶胶与沿途污染源排放的污染气溶胶的混合. 污染物增加的另一原因是沙尘暴入侵气团和北京当地污染气团之间的交汇叠加. 沙尘暴中PM2.5细粒子占TSP的30%左右, 污染物在PM2.5细粒子中的浓度占TSP总浓度的45%~69%. 各种污染物在沙尘暴过后普遍增加, 证明了沙尘暴带来的大量矿物气溶胶尤其是其中的细粒子有利于污染物的转化和积聚. 在此次特大沙尘暴中再次检测出高浓度Fe(Ⅱ), 为大气和海洋体系中的铁硫耦合反馈机制提供了新证据. 污染物组分的成倍增加和Fe(Ⅱ)的增加, 都说明了沙尘暴是影响全球生态环境变化的重要因素.