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《上海大学》 2014年
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上海大气颗粒物中极性有机物的组成特征、粒径分布和来源解析

仲勉  
【摘要】:大气颗粒物中的极性有机物因其较强的吸湿性而对大气能见度、全球气候及人体健康有非常重要的影响。气溶胶中的极性有机物有很多来源,其中二次有机气溶胶(SOA)和生物质燃烧是其最主要的两个来源。多种污染物同时大量存在于大气环境中会产生复杂的相互作用,形成大气复合污染和灰霾现象。近年来我国的大气灰霾现象日益严重,珠三角、长三角等大城市群地区尤为突出,灰霾现象已经成为日趋严重的一种新型灾害性天气。灰霾天气与大气的高氧化能力有关,与大气中极性有机物尤其是二次有机气溶胶的形成有关。此外,研究表明非均相反应在对流层气态污染物的转化及二次气溶胶的形成中起核心作用,是促进大气复合污染的重要大气化学过程。系统地开展大气颗粒物组成、粒径分布和来源解析等方面的研究,可以为政府部门制定大气污染的防治法规、预警方案等提供重要的科学依据。 本研究利用微孔撞击式大气采样器(MOUDI-100)采集了上海宝山2012~2013年大气分粒径样品,通过有机碳/元素碳(OC/EC)分析和气相色谱/质谱(GC/MS)分析,研究了颗粒物中极性有机物(SOA示踪物和糖类)的浓度水平、粒径分布和季节变化,对气溶胶中极性有机物的来源、形成方式和它们对灰霾天气的影响进行了探讨。得到如下结论: (1)上海大气颗粒物中碳质组分浓度秋冬季节较高,春夏季较低。OC与EC之间具有良好的相关性(R2=0.68),表明二者具有相似的来源。OC、EC均呈现双峰分布,最高峰在0.32~0.56μm粒径段,次高峰在3.2~5.6μm粒径段。约有68~83%的OC、52~86%的EC集中在细颗粒(1.8μm)中。上海大气颗粒物具有较高的OC/EC比值,二次有机物有显著贡献。不同粒径段OC/EC比值的变化说明OC主要通过气-粒转化过程形成。 (2)SOA示踪物中,异戊二烯氧化产物的浓度相对较高,浓度为31.8~229.5ng/m3;其次是α-蒎烯氧化产物,浓度为1.4~31.5ng/m3;β-石竹烯的二次示踪物β-石竹烯酸浓度为0.09~2.52ng/m3;甲苯二次有机示踪物2,3-二羟基-4-氧代戊二酸浓度为0.39~5.27ng/m3;此外,样品中我们还检测到了对苯二甲酸、丁香酸、苹果酸和2-羟基戊二酸,它们的浓度分别为9.1~69.4、0~0.42、14.1~297.4、0.3~5.1ng/m3。 (3)异戊二烯氧化产物中2-甲基丁四醇和2-甲基甘油酸的粒径分布呈现双峰型,峰值出现在0.32~1.0μm和3.2~5.6μm,非均相反应和液相反应是它们在大气中主要的形成方式;3.2~5.6μm粒径段的峰值表明土壤源可能也对它们有直接贡献。C5烯烃三醇浓度为0.9~105.8ng/m3,呈单峰型分布,最大浓度出现在0.32~0.56μm粒径段,表明C5烯烃三醇主要由大气非均相反应生成。 (4)α-蒎烯氧化的中间产物顺式-蒎酮酸的粒径分布不存在明显的峰型,说明颗粒中的顺式-蒎酮酸可能主要来源于采样过程中膜及膜上颗粒对气态产物的吸附。而其它三种检测到的α-蒎烯氧化产物:3-羟基戊二酸,3-羟基-4,4-二甲基戊二酸和3-甲基-1,2,3-丁基三羧酸均呈现典型的单峰型分布,峰值浓度在0.32~0.56μm,几乎全部(99.7%)存在于细颗粒中,说明它们主要通过大气非均相反应生成。 (5)β-石竹烯酸和2,3-二羟基-4-氧代戊二酸都呈现单峰型粒径分布,几乎全部集中在细颗粒部分,峰值浓度在0.32~0.56μm粒径段,说明它们主要来自于前体物的非均相反应。甲苯氧化产物粒径分布中0.56~1.0μm粒径段的相对强度明显大于β-石竹烯酸,表明云/雾过程(液相反应)对其有较大的贡献,因此,大气湿度对甲苯的二次转化有重要影响。 (6)对苯二甲酸、苹果酸和2-羟基戊二酸的粒径分布与多数SOA示踪物相似,说明它们可能也源于气态前体物的大气非均相反应和液相反应;0.56~1.0μm和1.0~1.8μm粒径段对对苯二甲酸有显著贡献,说明液相反应是对苯二甲酸的重要形成方式,因此,大气相对湿度可能对它的生成有很大影响。 (7)上海市大气颗粒物中共检测出了脱水糖类(左旋葡聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖)、单糖类(葡萄糖、果糖各2种)和糖醇类(阿拉伯醇、山梨糖醇、甘露醇)等10种糖类化合物,其中左旋葡聚糖在糖类中占主导地位。春、夏、秋、冬四季大气颗粒物中左旋葡聚糖的浓度分别为41.8、23.1、189.3和157.5ng/m3。左旋葡聚糖主要存在于细颗粒中,四季浓度均呈现单峰型分布,峰值粒径为0.32~1.0μm。 (8)上海大气颗粒物中单糖和糖醇类浓度冬季明显小于其他季节,与冬季土壤微生物活动减弱相吻合。春、夏季颗粒物中果糖和葡萄糖主要存在于粗颗粒中,来源于土壤的再悬浮;而秋、冬季时一半以上的果糖和葡萄糖存在于细颗粒中,除再悬浮土壤外生物质燃烧也是重要来源。果糖在春、夏季大部分存在于大于10μm的颗粒中,可能主要来自于植物花粉;秋、冬季果糖呈单峰型分布,且大部分存在于细颗粒物中,说明生物质燃烧是其主要来源。阿拉伯醇除春季时主要来源于土壤再悬浮外,其他季节生物质燃烧是其主要来源;山梨糖醇则主要来源于土壤再悬浮,但冬季时生物质燃烧也是其重要来源。
【学位授予单位】:上海大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:X513

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