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气溶胶的吸湿性不仅影响着大气能见度、辐射强迫、云凝结核过程以及大气颗粒物的沉降和去除,从而对气候变化起到重要的影响;而且由于气溶胶吸湿性增长还决定了颗粒物在呼吸道的位置和沉降速率,可能会引发肺部疾病,也直接影响着人类健康;所以气溶胶吸湿性研究对环境以及人体健康都具有重要的意义。本论文基于自制的加湿型串联差分迁移率分析系统(Hygroscopic-TandemDifferentialMobilityAnalyzer,H-TDMA),联合实验室气溶胶发生器系统和烟雾箱模拟系统研究了无机盐、有机酸、内混合体系、二次有机气溶胶(SecondOrganicAerosol,SOA)的吸湿性。
首先设计和搭建了一套气溶胶吸湿性检测系统H-TDMA,该系统能够将粒径范围在40nm-500nm的气溶胶干燥至其相对湿度(RelativeHumidity,RH)<5%,同时实现20%-90%RH大范围加湿生长。并利用氯化钠和硫酸铵无机盐气溶胶作为测试体系,通过和国内外相关实验研究结果以及K(o)hler理论计算结果相对照,验证了该H-TDMA实验系统的稳定性和可靠性,可以满足实验室对气溶胶吸湿性的研究。其次根据现有气溶胶吸湿性理论计算模型,运用Labview开发了一个处理吸湿性实验数据和理论计算的软件,能够快速绘制气溶胶吸湿性生长因子的实验与理论变化曲线,并能够计算气溶胶的潮解点和风化点。测试结果表明该软件具有很好的准确性,软件的应用大大提高了实验数据的处理和理论模型计算的效率。
在具体的气溶胶研究工作中,我们首先利用H-TDMA装置和气溶胶发生器,分别研究了无机盐、有机酸、内混合体系气溶胶的吸湿性。
在碳酸铵和碳酸氢铵等弱酸铵盐气溶胶的吸湿性研究中,发现弱酸铵盐的吸湿性生长因子均小于1,在实验观察范围内不存在潮解点,并随着湿度的增加而不断减小,这可能是其所具有的挥发性和存在的化学平衡受到湿度的影响的结果。同时发现弱酸铵盐吸湿性对初始粒径具有一定的敏感性,初始粒径越小,吸湿性生长因子也变小。
对柠檬酸和草酸等有机酸气溶胶的吸湿性研究,发现柠檬酸气溶胶的吸湿性生长因子随着湿度的增加而不断增大,但没有发现潮解点,与弱酸铵盐不同,柠檬酸气溶胶吸湿性不受初始粒径的影响,属于弱吸湿性气溶胶。草酸气溶胶的吸湿性生长因子基本保持为1,属于疏水性气溶胶。
而在氯化钠和碳酸铵内混合气溶胶的吸湿性研究中,发现混合气溶胶的吸湿性生长曲线出现了与氯化钠相同的潮解点。在潮解点之前,由于氯化钠吸湿性生长因子不变为1,混合气溶胶的吸湿性主要受到碳酸铵的影响,吸湿性生长因子小于1,并随着湿度的增加而减小。当湿度达到潮解点时,吸湿性生长因子陡增至大于1。而在潮解点之后,混合气溶胶的吸湿性主要受到氯化钠的影响,生长因子大于1并随着湿度的增加而增大。同时混合气溶胶的吸湿性受到混合比的影响,如随着碳酸铵混合比例的增加而趋向于碳酸铵吸湿性生长曲线。
最后我们还利用H-TDMA装置结合实验室烟雾箱模拟系统研究了苯乙烯和臭氧暗反应生成的SOA的吸湿性,分别对没有种子气溶胶的纯SOA和存在硫酸铵种子气溶胶时的包裹SOA的吸湿性生长因子进行检测。结果表明纯SOA的吸湿性生长因子在反应开始阶段小于1,并随着湿度的增加而不断增大,最终大于1,说明反应初始阶段主要生成高挥发性低吸湿性的组分,而后续的复杂理化过程有利于低挥发性强吸湿性的组分的产生。受到硫酸铵强吸湿性的影响,包裹SOA的吸湿性生长因子都比纯SOA的大,但比硫酸铵气溶胶的吸湿性生长因子小得多,表明包裹性SOA的吸湿性虽然受到硫酸铵的影响,但主要决定于外层包裹的有机组分。