應用案例

Picarro G2103（ES&T ? 水溶性有機物的氣相—氣溶膠相分配：NH? 對 SOA 形成的促進作用）

發(fā)表時間：2024-04-17

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https://doi.org/10.1021/acs.est.1c06855

關鍵詞解釋

水溶性有機物：water-soluble organic compounds (WSOC)

氣相水溶性有機物：gas-phase WSOC (WSOCg)

氣溶膠相水溶性有機物：aerosol-phase WSOC (WSOCp)

二次有機氣溶膠：secondary organic aerosols (SOA)

分配因子或分配系數(shù)：partitioning coefficient (Fp = WSOCp/(WSOCp + WSOCg))

氣溶膠液態(tài)水：aerosol liquid water (ALW)

研究背景

水溶性有機物作為有機氣溶膠的重要組分，其向云、霧以及氣溶膠相的氣固分配是形成大氣中二次有機氣溶膠 (SOA) 的重要途徑。WSOC種類繁多且復雜，傳統(tǒng)研究方法主要是濾膜采樣結合離線分析，難以開展氣固兩相高時間分辨率和長時間序列觀測研究。為數(shù)不多的外場觀測研究表明，WSOC 的氣固分配行為取決于諸多因素，例如氣象參數(shù)、氣態(tài)化合物種類和顆粒相特性等。

由于中國農業(yè)源與非農業(yè)源的氨氣排放較強，并且相較于歐美等發(fā)達國家，中國大氣中的硫酸鹽和硝酸鹽濃度更高（尤其在冬季霧霾期間），使得大氣中氣溶膠液態(tài)水含量 (ALWC) 和氣溶膠pH升高，這意味著污染物的顆粒相吸收在中國可能更為顯著并促進二次有機氣溶膠的形成。

因此，充分認識氣態(tài)水溶性有機物的時空分布特征及其氣固相轉化機制，不僅對厘清SOA的形成機制和我國灰霾成因具有重要的科學意義，同時也能為控制我國大氣污染和制定有效治理措施提供新思路。本研究首次在我國富氨大氣條件下，初步研究WSOC氣固分配特征及其影響因素，并揭示了NH₃在WSOC氣固分配過程的關鍵作用以及對SOA形成的重要影響。

觀測實驗

觀測實驗地點：觀測點位于崇明島西部、長三角城市群下風區(qū)域的華東師范大學長江口濕地生態(tài)系統(tǒng)野外研究站（31°44′N，121°13′E），觀測點周圍沒有明顯的污染源，采樣口位于離地6m高的屋頂上。

NH₃觀測：使用 Picarro G2103 (光腔衰蕩光譜 CRDS）以 1 秒的時間分辨率進行測量。

結果與研究意義

PM2.5 與NH₃：上海崇明冬季PM2.5日均濃度經(jīng)常超過國家空氣質量 I 級標準 -35 μg m^-3，表明細顆粒物污染依然嚴重。同時，時間序列圖顯示氨氣與PM2.5的時間變化趨勢相似，表明細顆粒物的形成可能與氨氣有關。觀測期間，NH3 平均濃度為 9.3 ± 4.0 μg m^-3，最大值超過 20 μg m^-3，大約是美國東南部農村地區(qū)的 10 倍，表明長三角地區(qū)的 NH₃ 污染嚴重。

相對濕度（RH）與WSOC氣固分配（Fp）：為了進一步確定影響 WSOC 氣固分配過程的關鍵因素，作者分析了 Fp 與氣象條件（即 RH 和溫度）、氣溶膠酸度（pH）、氣溶膠含水量（ALWC）和 NH₃濃度的相關性。由于重度霧霾事件大多發(fā)生在潮濕條件下，因此進一步研究了高相對濕度期間，ALWC、pH 和 NH₃ 通過 WSOC 水相分配對 SOA 形成的影響。

從上圖 d 可以看出，在給定溫度下，pH 值與 NH₃ 呈顯著正相關，表明長三角地區(qū)富氨環(huán)境可能降低了氣溶膠酸度，導致 WSOCp 隨著 ALWC 和 pH 值的增加而明顯增加（上圖 e，f）。

NH₃對中國SOA空間分布的影響：從對全國四大城市群區(qū)的空間特征分析發(fā)現(xiàn)，在人為活動較少的西北地區(qū)氨氣濃度最低，而農業(yè)活動較頻繁的華北地區(qū)氨氣排放量最高，且硝酸鹽與WSOCp在細顆粒物中的占比與氨氣濃度的變化特征一致，進一步揭示了氨氣對SOA形成的重要影響。

NH₃對中國不同地區(qū)WSOCp分配的影響， (a)全國四大城市群區(qū)的PM2.5中硝酸鹽和WSOCp占比，(b)氣態(tài)氨氣濃度的空間變化特征。

總結

NH₃作為大氣中的主要堿性氣體，在高濕條件下，一方面是通過改變氣溶膠含水量和酸度影響WSOC氣固分配，另一方面通過酸堿中和等液相反應促進WSOC的反應性吸收。

SOA是我國PM2.5 的重要組成，尤其是在霧霾期間。而氨氣可以通過影響WSOC氣固分配促進SOA的形成，因此控制氨氣排放對于緩解我國大氣污染是勢在必行的。

Picarro高精度氨氣分析儀介紹

Picarro G2103是一款高精度在線氨氣分析儀。其業(yè)內領先的性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：低檢測限（ ppt 級別）、低漂移（一整月的連續(xù)工作中僅漂移了 ±0.5 ppb）、低吸附快響應（氣體過道上應用了SilcoNert^® 涂層）、抗干擾氣（對牲畜建筑物中常見的揮發(fā)性有機化合物沒有干擾）、水汽校準（可報告準確的干摩爾分數(shù)，適用于潮濕環(huán)境條件，無需校正水的影響）、便攜性（該分析儀尺寸小，功耗要求低）

鑒于以上Picarro氨氣分析儀卓越的優(yōu)勢，歐洲空氣中氨氣計量項目、英國國家物理實驗室、德國聯(lián)邦物理技術研究院、芬蘭氣象研究所、德國環(huán)境部、美國國家海洋和大氣管理局、上海環(huán)境科學研究院、中國計量院等國內外機構均采用Picarro的CRDS技術測量NH₃。

儀器性能參數(shù)如下：

致謝：感謝華東師范大學王格慧教授團隊、文章第一作者呂少君博士對本文的專業(yè)支持！

歡迎感興趣的專家學者聯(lián)系我們！

韓工：hyx@cen-sun.com

陳工：chenxf@cen-sun.com

高工：gaoch@cen-sun.com

編輯：王繼軍

審核：韓一萱