王益倩,劉仕杰,王格慧,2*
(1華東師范大學地理科學學院,地理信息科學教育部重點實驗室,上海 200241;2崇明生態(tài)研究院,上海 200262)
二次有機氣溶膠(SOA)是大氣氣溶膠的重要組成。SOA不但影響環(huán)境空氣質量、危害人體健康,同時因其某些組分具有吸光性,能夠影響大氣輻射強迫,從而間接影響區(qū)域氣候變化[1,2]。SOA主要通過·OH、O3、·NO3等大氣氧化劑氧化揮發(fā)性有機物(VOCs)生成。低/非揮發(fā)性氧化產物的凝結作用、半揮發(fā)性氧化產物的氣粒分配以及揮發(fā)性氧化產物在顆粒物表面的非均相或液相反應是SOA生成的主要途徑[3]。但是,由于大氣環(huán)境中VOCs的種類、大氣氧化過程以及影響VOCs氧化的環(huán)境因素多種多樣,導致SOA的生成機理十分復雜。由于對SOA生成機制的了解并不充分,現有空氣質量模型中SOA濃度的模擬值往往低于實際觀測濃度[4]。深入全面地了解各種環(huán)境條件下的SOA生成機制,仍然是大氣環(huán)境研究的重要內容。
近年來,隨著能源結構調整與廢氣治理力度的加大,我國大氣環(huán)境中SO2與NOx濃度逐漸降低。NH3是大氣中重要的堿性氣體,其來源包括人為源和生物源,例如牲畜糞便、肥料揮發(fā)、生物質燃燒、污水處理廠等。NH3的排放主要來自非點源,難以控制,并且在中國呈線性上升的趨勢[5,6]。NH3可以與硝酸、硫酸等無機氣體反應形成硝酸鹽和硫酸鹽,硝酸鹽和硫酸鹽是空氣中細顆粒物的重要組成部分[7]。此外,一些研究報道,中國細顆粒的峰值水平與NH3濃度存在很強的相關性,而基于煙霧箱模擬研究也發(fā)現NH3可增強二次有機氣溶膠的形成[8,9]。Li等[9]在煙霧箱中使用芳香烴(甲苯、二甲苯)和不同濃度的NH3進行了16次模擬實驗,發(fā)現NH3的存在有利于硝酸銨的形成,促進有機氣態(tài)產物的凝結,從而提高氣溶膠的初始生長速率(8%~90%)和顆粒物體積增長潛勢(7%~108%),最終促進SOA的形成。Liu等[10]研究了NH3對汽車尾氣形成二次有機氣溶膠的影響,發(fā)現NH3能促進汽車尾氣光氧化生成SOA,當城市空氣向下風向農村地區(qū)傳輸時,會與農村地區(qū)高濃度NH3反應導致SOA的數濃度與質量濃度迅速增高。Jiang等[8]研究了NH3對生物質燃燒產物3-甲基呋喃形成SOA的影響,發(fā)現當NH3存在時,新形成的顆粒物數濃度與質量濃度均比無NH3條件時顯著提高。Chu等[11]研究了NH3對甲苯SOA形成和增長的影響,結果發(fā)現NH3使甲苯SOA的體積濃度增加了2倍,并且對甲苯/NOx光氧化中顆粒物的生長具有明顯促進作用。但是,Ma等[12]研究NH3對苯乙烯臭氧氧化生成SOA的影響時,發(fā)現NH3的加入可以抑制SOA的生成,是由于過量的NH3能夠與O3反應,降低反應體系內O3的濃度,導致氣態(tài)醛類氧化產物與O3的反應受到競爭,從而降低二級臭氧化物的生成,最終導致SOA產率的降低。
NH3不僅影響SOA的生成量,還會對SOA的化學組成產生影響。Liu等[13]研究發(fā)現在NH3存在條件下,α-蒎烯的臭氧化以及間二甲苯的·OH自由基氧化生成的SOA中有大量含氮有機物(NOC)被檢測到,NOC的形成可能來自NH3與SOA的非均相反應。Huang等[14]研究了NH3對苯SOA老化的影響,發(fā)現NH3與氣態(tài)有機酸反應可以生成有機銨鹽,如乙醛酸銨、6-氧代-2,4-己二烯酸銨;而與二醛類物質反應會生成1H-咪唑、1H-咪唑-2-甲醛及其他咪唑類產物。有機胺和咪唑類物質在近紫外200~400 nm波長范圍內會具有明顯的吸光性,是導致SOA吸光度增加的主要物質。Xu等[15]則發(fā)現NH3首先與氣態(tài)有機酸發(fā)生酸堿中和反應生成有機胺,當有機酸被消耗完全后,NH3再與醛類發(fā)生非均相反應形成咪唑等含氮物質。
芳香烴化合物主要來自燃料不完全燃燒、機動車尾氣排放和溶劑的使用,是大氣中普遍存在的人為源VOCs污染物。大氣中芳香烴占揮發(fā)性有機化合物總量約20%~30%。在長三角地區(qū),芳香族化合物約占非甲烷碳氫化合物的30%[16]。二甲苯是主要的人為源芳香族VOCs之一[17]。因此,本研究以鄰二甲苯與對二甲苯為研究對象,探討不同NH3條件下VOCs光氧化生成SOA的質量濃度、物理特性及化學組成的變化規(guī)律與內在機制,為確定NH3對城市地區(qū)SOA的影響提供實驗依據。
二甲苯光氧化反應在華東師范大學5 m3的室內煙霧箱中進行。煙霧箱具體參數參見之前的研究[3]。煙霧箱反應袋由特氟龍薄膜制作而成,其形狀近似立方體。煙霧箱外側通過反光不銹鋼制成,能夠保證煙霧箱內光照均勻以及光照強度最大化。煙霧箱內安裝中心波長為254 nm的紫外燈,用于光解過氧化氫(H2O2)產生·OH自由基。煙霧箱內溫度維持在(298±2)K,相對濕度約為17%,壓強為一個標準大氣壓。
壁損失是由于煙霧箱內壁吸附作用引起的氣相與顆粒相物質濃度降低的現象,會直接影響對光氧化反應以及SOA生成的定量評估。因此,為了保證所獲得SOA質量濃度的準確性,實驗中對煙霧箱壁損失進行校正。顆粒物的平均壁損失速率常數為2.19×10-3min-1。本研究中所測量到的顆粒物質量濃度使用與Pathak等[18]相同的方法進行校正。校正公式為
式中M′(t)是壁損失校正后的SOA質量濃度,M(t)是儀器測量獲得SOA質量濃度,k是顆粒物壁損失常數。
在每次實驗之前,用凈化的干燥空氣沖洗煙霧箱至少8 h,直到在煙霧箱內檢測不到殘留顆粒物。零空氣由零氣發(fā)生器(model 111-D3N,Thermo ScientificTM,USA)產生,用零空氣充滿煙霧箱。零空氣中沒有可檢測的 NOx(<2.0 μg·m-3)、顆粒物(<1 cm-3),并且 O3濃度(< 2.1 μg·m-3)和相對濕度 (RH,< 20%)均較低。充氣過程中,將已知體積的二甲苯與H2O2溶液注入直徑為0.635 cm的FEP管中,再通過零空氣將其帶入煙霧箱中。一定體積的NH3由鋼瓶取出后直接加入煙霧箱中。實驗中反應物的初始濃度、光照強度盡可能保持一致,以確保NH3是SOA生成量變化的主要原因。具體實驗條件如表1所示,前體物為鄰二甲苯和對二甲苯,分別在初始NH3濃度為0、61.6、123.2、246.4 μg·m-3條件下進行四組對比實驗。煙霧箱充滿以后靜置10 min使反應物混合均勻,開啟紫外燈,二甲苯光氧化反應開始。反應持續(xù)120 min。
表1 NH3影響二甲苯·OH光氧化生成SOA的實驗條件Table 1 Photooxidation conditions of xylene with different NH3concentrations
用掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS)檢測二甲苯光氧化生成的SOA粒徑分布以及數量濃度。SMPS包括差分靜電遷移分析儀(DMA model 3082,TSI Inc.,USA)和凝聚粒子計數器(CPC model 3775,TSI Inc.,USA)兩部分組成。顆粒物首先進入DMA中,具有特定空氣動力學粒徑的顆粒物被篩選出,隨后進入CPC中記錄各個粒徑段顆粒物的數濃度。SMPS中的采樣流速與鞘氣流速分別為0.3 L·min-1與3 L·min-1,單次掃描時間為240 s,掃描粒徑范圍為13.8~749.9 nm。SMPS每5 min重復掃描一次。SMPS檢測中SOA被假設為球體。結合SOA在各粒徑范圍內的數濃度,獲得SOA的體積濃度。二甲苯SOA密度約為1.3 g·cm-3,以此將顆粒物體積濃度轉換為質量濃度[19]。SMPS獲得粒徑分布使用TSI AIM v9.0軟件記錄和分析。
使用Aerodyne高分辨率飛行時間氣溶膠質譜儀(HR-ToF-AMS,Aerodyne Research Inc.,USA)在線測量SOA的化學組成。首先,空氣動力學直徑小于1 μm的顆粒物通過AMS進樣口處的空氣動力學透鏡聚焦成窄束后撞擊到約600°C的鎢燈表面并氣化,隨后氣化的物質通過電離能量為70 eV的EI電離源電離,再通過ToF部分(V模式:信噪比m/Δm≈2000)將離子碎片進行分離并被質譜檢測器檢測。各離子碎片的收集效率(CE)基于Middlebrook等的結果[20]。使用標準AMS數據分析工具包SQUIRREL v1.53C和PIKA 1.12C(http://cires.colorado.edu/jimenez-group/ToFAMSResources/ToFSoftware/index.html)基于Igor Pro 6.32分析AMS數據。使用默認的相對電離效率(RIE)值計算質量濃度,硝酸鹽、銨鹽和有機物的RIE分別為1.1、1.2和 1.4。
反應結束后將SOA收集在特氟龍濾膜(Pall life sciences,37 mm,1 mm pore size)上。隨后將濾膜溶解在5 mL甲醇中并使用超聲儀超聲30 min,保證濾膜上樣品全部溶解。
使用紫外-可見分光光度計(UV-3600,Shimadzu,Japan)和1 cm比色皿在200~800 nm的波長范圍內測量不同條件下二甲苯光氧化生成SOA的紫外-可見光吸收光譜。UV-Vis光譜的分辨率為0.5 nm-1。顆粒物在特定波長λ下的吸光度Abs,λ(Mm-1)的計算公式為
式中Abs,λ為SOA在波長λ處計算得到的吸光度,Aλ為儀器檢測得到的在波長λ處的吸光度,A700為光吸收強度背景值(為減少測量誤差,取695~705 nm光吸收強度的平均值作為A700),Vl是溶解SOA的甲醇體積,Va是采樣空氣的體積,L是比色皿的光程長度(1 cm)。在300~700 nm波長范圍內,紫外-可見分光光度計檢測限為0.081 Mm-1,估計不確定度為21%。由于Abs,λ受到所收集SOA量的直接影響,因此使用單位質量吸收系數MAC(m2·g-1)對SOA吸光度進行比較。MAC計算公式為
式中MAC,λ是SOA在λ波長處的單位質量吸收系數,M(μg·m-3)是可溶于甲醇的有機物的質量濃度。
本實驗所需藥品有:鄰二甲苯(Macklin,≥99.59%)、對二甲苯(Aladdin,≥98%)、雙氧水(Sigma-Aldrich,30 wt% in H2O)、NH3(Air Liquid Shanghai,381 mg·m-3NH3in N2)、甲醇 (Aladdin,HPLC grade,>99.8%)。
不同初始NH3濃度下,鄰二甲苯與對二甲苯光氧化生成SOA的質量濃度隨反應時間的變化如圖1所示。SOA所有質量濃度均經過壁損失校正。在無NH3的時候,臨二甲苯SOA的質量濃度為59.7 μg·m-3;對二甲苯SOA的質量濃度為39.1 μg·m-3,是鄰二甲苯SOA生成量的66%。兩者SOA生成量的不同說明前體物的分子結構能夠影響SOA的生成。鄰二甲苯相較于對二甲苯具有更高的極性,可能是導致鄰二甲苯更有利于SOA生成的原因。Li等[21]研究分子結構對SOA生成量的影響發(fā)現,芳香烴上具有鄰位的官能團能夠促進SOA的形成,而官能團在對位則會抑制SOA的形成。
圖1 不同初始NH3濃度下二甲苯光氧化生成SOA的質量濃度隨反應時間的變化。(a)鄰二甲苯;(b)對二甲苯Fig.1 Evolution of the mass concentration of SOA produced by photo-oxidation of xylene with reaction time under different NH3concentrations.(a)o-xylene;(b)p-xylene
向煙霧箱內加入NH3,鄰二甲苯與對二甲苯光氧化產生的SOA質量濃度均出現明顯上升,說明NH3對SOA的生成具有促進作用。徐俊等[22]在研究甲苯光氧化反應時同樣發(fā)現NH3的加入能夠顯著促進SOA質量濃度的增長。VOCs光氧化過程中形成的有機酸與NH3發(fā)生酸堿中和反應形成低揮發(fā)性物質是導致NH3促進SOA生成量顯著增長的主要原因;此外,NH3還能夠與醛類物質發(fā)生美拉德反應生成咪唑和吡啶等雜環(huán)化合物同樣是導致SOA生成量增加的重要原因。Jiang等[8]還指出NH3可以被新生成的SOA吸收并存在于顆粒物表面,隨后與氣態(tài)氧化產物繼續(xù)發(fā)生非均相反應,進一步促進SOA的生成。
實驗中NH3對鄰二甲苯與對二甲苯的促進作用出現明顯的區(qū)別。加入61.6 μg·m-3的NH3以后,鄰二甲苯光氧化產生SOA的質量濃度迅速增加至209.9 μg·m-3,是無NH3加入時的3.5倍。隨著NH3初始濃度的繼續(xù)增加,鄰二甲苯光氧化產生SOA的質量濃度并無明顯變化。煙霧箱內初始NH3濃度為123.2 μg·m-3和 246.4 μg·m-3時,SOA 質量濃度分別為 238.5 μg·m-3與 253.1 μg·m-3。在對二甲苯光氧化反應中,向煙霧箱內加入 61.6 μg·m-3與 123.2 μg·m-3的 NH3以后,SOA 質量濃度分別為 176.8 μg·m-3與 462.6 μg·m-3。而當初始NH3濃度繼續(xù)增加至246.4 μg·m-3時,NH3對SOA生成的促進作用明顯降低,其質量濃度僅增長至502.5 μg·m-3。由上可知,NH3對對二甲苯SOA的促進作用更明顯,這可能是由于兩種二甲苯分子結構不同導致光氧化生成的氣態(tài)氧化產物不同所致。當NH3的濃度在鄰二甲苯光氧化實驗中超過61.6 μg·m-3,在對二甲苯的實驗中超過123.2 μg·m-3,其對SOA生成的促進作用并不明顯,說明此時的NH3相較于能夠與之反應的氣態(tài)氧化產物來說是過量的,NH3不再是影響SOA生成的限制因素。
NH3不僅影響SOA的生成量,對其他理化性質同樣具有一定影響。下面進一步探討NH3對兩種二甲苯生成SOA吸光性的影響。不同初始NH3條件下,鄰二甲苯與對二甲苯光氧化生成SOA的MAC值如圖2所示。當煙霧箱內無NH3加入時,鄰二甲苯SOA的MAC值為0.22 m2·g-1,對二甲苯SOA的MAC值為0.09 m2·g-1,僅為鄰二甲苯的41%,說明芳香烴類物質取代基的位置能夠影響其SOA的光學特性。結合2.1結果可知,芳香族化合物的位置對其SOA吸光度的影響比對SOA生成量的影響更加明顯。
圖2 不同初始NH3濃度條件下二甲苯光氧化生成SOA的MAC值。(a)鄰二甲苯;(b)對二甲苯Fig.2 MAC value of SOA generated through xylene photo-oxidation under different initial NH3concentration conditions.(a)o-xylene;(b)p-xylene
鄰二甲苯SOA的MAC值隨煙霧箱內初始NH3的濃度上升而增加,但是對二甲苯SOA的MAC值隨NH3濃度上升無明顯變化。Li等[21]指出對二甲苯相較于鄰二甲苯更容易形成酮類氧化產物,而不是醛類物質。
NH3與醛發(fā)生美拉德反應能夠生成雜環(huán)類物質(咪唑、吡咯)從而促進鄰二甲苯SOA的吸光度[23]。所以在鄰二甲苯光氧化體系中,通過NH3引發(fā)的美拉德反應對SOA的促進作用更明顯。而對于對二甲苯來說,NH3與羧酸的中和反應可能是促進SOA生成的更主要因素,因此導致增加NH3對對二甲苯SOA的MAC沒有明顯促進作用。隨著NH3濃度的持續(xù)增加,鄰二甲苯SOA的MAC值也無明顯增長。當NH3初始濃度為 61.6 μg·m-3時,鄰二甲苯 MAC 值為 0.37 m2·g-1;當 NH3初始濃度增加至 246.4 μg·m-3時,其 MAC值僅增加10%,為0.40 m2·g-1。該現象與鄰二甲苯SOA生成量變化一致,說明繼續(xù)增加NH3的濃度,NH3對SOA形成的促進作用是過量的,反應體系內無更多氣相醛類產物與NH3反應,從而無法進一步促進鄰二甲苯SOA的MAC值的增長。
在分子水平上研究二甲苯光氧化生成SOA的化學組成,有助于更好地理解SOA生成量和吸光度隨NH3濃度的演變。圖3顯示在有無NH3加入的條件下二甲苯SOA的AMS質譜圖。根據AMS質譜碎片的元素組成將其分為CH(離子碎片只有C元素與H元素)、CHO(離子碎片只含有C、H、O元素且O原子數量為1)、CHOx(離子碎片只含有C、H、O元素且O原子數量大于1)、CHN(離子碎片只含有C、H、N元素)、CHON(離子碎片只含有C、H、N、O四種元素)五大組分。其中CHO組中質荷比(m/z)28(CO+)、43(C2H3O+)以及CHOx組中m/z 44(CO2+)的碎片在AMS譜中占主導地位。m/z 43離子碎片主要來自于羰基,是低氧化程度物質的主要示蹤信號,而m/z 44離子碎片主要來自于羧基,是高氧化程度物質的主要示蹤信號。
圖3 不同NH3條件下鄰二甲苯和對二甲苯光氧化生成SOA的質譜圖。(a)鄰二甲苯;(b)鄰二甲苯+NH3;(c)對二甲苯;(d)對二甲苯+NH3Fig.3 Mass spectrum of o-xylene and p-xylene SOA formed with different NH3concentrations.(a)o-xylene;(b)o-xylene+NH3;(c)p-xylene;(d)p-xylene+NH3
對于鄰二甲苯SOA,m/z 43與44的信號強度幾乎相等,但是對二甲苯SOA中m/z 43的信號強度要略高于m/z 44,說明鄰二甲苯光氧化生成的SOA具有更多有機酸類物質。相較于醛酮類物質,有機酸具有更高的氧化狀態(tài)和更低的飽和蒸氣壓,因此更容易進入到顆粒相,從而導致鄰二甲苯光氧化過程中有比對二甲苯氧化過程中更高的SOA生成量。向煙霧箱中加入NH3以后生成的SOA中m/z 43明顯增加,說明NH3促進醛酮類物質進入顆粒相,是導致SOA生成量隨NH3增加的重要原因。而在NH3存在時,對二甲苯SOA中m/z 43的信號更加明顯,說明更多的羰基化合物進入顆粒相,這與2.1中NH3對對二甲苯SOA的促進作用更明顯的結果一致。
為了更好地了解二甲苯光氧化形成SOA的總體化學組成受NH3的影響,將NH/C作為生成SOA中含有H元素個數和C元素個數的比值,NO/C作為生成SOA中含有O元素個數和C元素個數的比值,不同實驗條件下二甲苯SOA的氫碳比NH/C和氧碳比NO/C的演化規(guī)律如圖4所示。范克里弗倫(VK)圖是評價SOA化學組成及其演變過程的重要工具。在VK圖中,以NO/C表示橫坐標,NH/C表示縱坐標。VK圖中四條右下傾斜虛線中,當斜率K=0時,說明SOA的分子中形成醇或過氧化物,在此情況下只增加氧原子數量,氫原子數量不變;K=-0.5時,說明SOA的分子中形成羧酸同時伴隨著C鏈發(fā)生斷裂;K=-1時,說明SOA的分子中形成羧酸,在此情況下每增加一個氧原子,同時會損失一個氫原子;K=-2時,表示在SOA中形成羰基類物質,分子中每增加一個氧原子就會損失兩個氫原子[24]。VK圖中的五條平行虛線則表示SOA的氧化狀態(tài)(Osc=2NO/C-NH/C)。由圖4可知,在相同NH3條件下,鄰二甲苯SOA的氧化狀態(tài)更高。氧化狀態(tài)高的物質往往具有更低的飽和蒸汽壓[25]。因此鄰二甲苯SOA更容易凝結進入顆粒相,這就解釋了為什么鄰二甲苯SOA生成量比對二甲苯更高。隨著NH3的增加,兩種前體物SOA均向著氧化狀態(tài)更低的方向移動,說明NH3的加入有利于揮發(fā)性較高的物質進入顆粒相,從而導致顆粒物生成量的增加。而且在NH3存在條件下,SOA主要分布于VK圖中K=-0.5的虛線所在位置,說明更多發(fā)生碎片化的氧化產物進入到顆粒相,同樣說明NH3能夠與小分子物質反應降低其揮發(fā)性,從而使其進入顆粒相并最終導致SOA生成量的增加。需要注意的是,鄰二甲苯與對二甲苯SOA的NH/C相比于NO/C隨NH3的變化規(guī)律略有不同。鄰二甲苯SOA的NH/C隨著加入NH3而逐漸升高,NO/C幾乎不變,但是對二甲苯SOA的NH/C隨著NH3濃度增加而逐漸升高的同時,NO/C也逐漸降低。這可能是由于二者光氧化反應生成的氣態(tài)氧化產物的化學組成導致的。Li等[21]在探究不同分子結構對芳香化合物光氧化SOA的影響時指出,含有對位取代基的芳香烴在光氧化過程中相較于具有鄰位取代基的芳香烴類物質更不易被氧化,生成的產物具有更低的NO/C以及更高的NH/C。
圖4 不同NH3條件下二甲苯光氧化生成SOA的VK圖。(a)鄰二甲苯;(b)對二甲苯Fig.4 VK diagram of SOA generated by photo-oxidation of xylene under different NH3concentration.(a)o-xylene;(b)p-xylene
同時分析不同NH3條件下SOA各組分的相對分布情況,如圖5所示。向煙霧箱中加入NH3,SOA中含氮組分(CHON與CHN)明顯增加。但是隨著NH3濃度的繼續(xù)增加,鄰二甲苯SOA中的含氮組分的含量無明顯變化;對二甲苯SOA中的含氮組分只是略有增加。鄰二甲苯與對二甲苯SOA中含氮組分含量與SOA質量濃度的增長具有比較好的相關性,說明含氮有機物的生成是導致二甲苯SOA生成量增加另一重要原因。
圖5 不同NH3條件下鄰二甲苯與對二甲苯光氧化生成SOA的化學組成。(a)鄰二甲苯;(b)對二甲苯Fig.5 Chemical composition of SOA generated by photo-oxidation of xylene under different NH3concentrations.(a)o-xylene;(b)p-xylene
探討了不同NH3條件下兩種二甲苯光氧化形成SOA的質量濃度以及理化性質。低濃度NH3能夠顯著促進二甲苯SOA的生成,揮發(fā)性氧化產物與NH3反應生成低揮發(fā)性物質是導致SOA濃度增加的主要原因。隨著NH3濃度進一步升高,SOA生成量無明顯變化,說明揮發(fā)性氧化產物已經被NH3消耗,NH3不再是限制SOA生成的因素。根據SOA質譜可知,NH3的加入使SOA中醛酮類物質(m/z 43)與含氮有機物的信號都明顯增強,說明NH3促進醛酮類物質進入顆粒相和含氮有機物的生成是導致SOA生成量增加的主要原因。
與此同時,NH3能夠顯著促進鄰二甲苯SOA的MAC值,但是對對二甲苯無明顯影響。NH3與醛類物質發(fā)生美拉德反應是導致SOA吸光度增加的主要原因。在光氧化過程中,兩種二甲苯光氧化產物不同,鄰二甲苯生成更多醛類物質,對二甲苯則更易形成酮類物質,是導致二者MAC隨NH3變化規(guī)律不同的主要原因。