大气颗粒物吸湿性研究探究_王宗爽新
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［11-12 ］ 、 率粒 径 分 析 仪 ） 电 动 天 平 法 （ electrodynamic ［13 ］ balance， EDB ） 、 气溶胶流动管反应器 （ aerosol flow
， 湿沉降 ） 模式 而且还影响其在人体呼吸道内的 沉积 ． 吸 湿 性 强 的 颗 粒 物 容 易 成 核 并 通 过 云 水 去 并且其随 RH 增加而生长 、 变大并加速沉降 ， 易 除， 在人体呼吸道和肺部这类 RH 接近饱和的微环境中 影响人体健康 沉积 ，
［7］ 观 测 表 明 ，RH 为 90% 时 ，吸 湿 性 很 强 的 （ NH 4 ） 2 SO 4 颗粒物光散射性比在低 RH 下高 5 倍 ． 再次 ， 吸湿性不但影响颗粒物在大气中的沉降 （ 干 、 ［5］
大气降水 ． 这是因为吸湿性颗粒物是大气中云凝结 核的重 要 来 源 ， 而云凝结核具有很强的吸湿性特 颗粒物的 吸 湿 性 越 强 ， 越易形成云凝结核并促 征， ［10］ 进大气降水发生 ． 此外 ， 颗粒物吸湿性能够近似 反映出颗粒物的化学组成 ， 尽管吸湿生长并不和化 学组成完全线性相关 ， 但却能够用来定性单颗粒物 可溶性和不溶性物质的丰度 ． 虽然国外对大气颗 但国内对大气颗粒 粒物的吸湿性研究开展得较早 ， 物吸湿性研究也取得了显著进展 ． 笔者对 20 多年 来国内外的研究进行了深入总结 ， 以期为我国进一 步开展大气颗粒物吸湿性研究提供参考 ．
［9］
［7-8］
tube reactor） 和颗粒物显微镜 － 傅里叶红外光谱系统 （ Aerosol MicroscopeFTIR） ［14］等， 其中最为常用的是 HTDMA 系统（ 见图 1 ） ．
． 最后 ， 颗粒物的吸湿性影响
注： CPC 为凝结粒子计数器； DMA 为差分迁移分析仪； N 为颗粒物数浓度．
收稿日期： 2012 － 12 － 10 修订日期： 2013 － 02 － 01
“十二五 ” 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 21277132 ） ； 国家 科技 支撑计划项目（ 2012BAC10B01 ） 作者简介： 王宗爽（ 1978 － ） ， 男， 河南泌阳人， 助理研究员， 主要从事环 境 保 护 标 准、 大 气 环 境 污 染 防 治 和 环 境 健 康 研 究， wang_zs@ craes． org． cn． * 通信作者， 武雪芳（ 1965 － ） ， 男， 山西太原人， 研究员， 博士， 主要从事 wuxf@ craes． org． cn 环境保护标准制修订理论方法及环境管理研究，
Research Progress of the Hygroscopicity of Atmospheric Particles
2 WANG Zongshuang1， ，FU Xiao1 ，WANG Zhanshan2 ，XU Shu2 ，CHEN Jianhua2 ，WU Xuefang2 ，WU Gang1
图1
HTDMA 系统示意图［7］
Fig. 1 Sketch for the HTDMA system
1978 年 LIU 等［11］ 为研究颗粒物粒径的变化提 出 了 气 溶 胶 迁 移 色 谱 仪 （ aerosol mobility 3］指 出， 1986 年 chromatograph） 测 量 系 统． 文 献 ［ Rader 等为该系统引入了 TDMA 术语， 指出采用该系
大气颗粒物污染及其引起的系列环境问题已经 ［1-2 ］ ． 深入探索颗 成为国际社会和科学家关注的焦点 必须对其理化性质 粒物引起环境问题的内在驱动力 ， 进行研究， 而颗粒物吸湿性就是其中的一个重要方 面． 颗粒物的吸湿性是指在增加周围环境 RH （ 相对 ［3-4 ］ ， 湿度） 时颗粒物的吸水性能 其计算公式：
1． State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Centre for EcoEnvironmental Sciences， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085 ，China 2． Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012 ，China Abstract： From the view of healthy and environmental effects of particles，it is necessary to research the hygroscopicity of atmospheric particles，since it is an important factor to reflect their physical and chemical properties． The studies about the hygroscopicity in recent years were reviewed in this study． The typical equipment for hygroscopicity was hygroscopicity tandem differential mobility analyzer （ HTDMA） or improved HTDMA． The G f （ observed growth factor ） exhibited the single peak，two peaks or even multiple peaks． According to G f ，the particles could be divided into four types including pure insoluble，mixed insoluble，mixed soluble and pure soluble particles． The G f showed higher values for particles in urban background sites than those for urban sites． The G f for particles in urban area was higher in summer than that in winter and was higher during the daytime than that during the nighttime． The hygroscopicity of particles mainly depended on their chemical compositions and shapes． The G f for pure soluble salt particles was usually higher． Fresh particles from diesel combustion showed less hygroscopic with low G f ，while their G f could be enhanced with the particle aging and the fuel sulfur content increase． The G f for particles from biomass burning was high and had obvious spatial variation． According to the domestic hygroscopic research status of atmospheric particulate matter，a key research direction was suggested for the future． Key words： atmospheric particles； hygroscopicity； growth factor； hygroscopicity tandem differential mobility analyzer （ HTDMA ） ； combustion sources
［6］
1
1. 1
大气颗粒物吸湿性分析方法
吸湿性串联差分电迁移率粒径分析仪 （ HTDMA ）
为研究颗粒物的吸湿性， 国外研究人员开发了多 TDMA （ hygroscopicity tandem 种 测 试 系 统，如 Hdifferential mobility analyzer， 吸湿性串联差分电迁移
342
环
Biblioteka Baidu
境
科
学
研
究
第 26 卷
G f = D r D0 式中： G f 为吸湿性生长因子； D0 和 D r 分别为吸湿前、 nm 或 μm． 后颗粒物的粒径， 颗粒物的吸湿性之所以重要 ， 是因为其能够反 映颗粒物 的 理 化 性 质 并 左 右 相 应 的 环 境 效 应 ． 首 先， 吸湿性影 响 颗 粒 物 表 面 的 非 均 相 反 应 速 率 ， 进 而影响其周 围 气 相 物 质 的 去 除 和 大 气 微 量 成 分 的 改变 ． 如吸湿 性 强 的 颗 粒 物 可 促 进 N 2 O 4 等 氮 氧 化 从而促进大气除氮 ． 其次 ， 吸湿性影响 物的水解 ， ［6］ ． 大气辐射强迫 吸湿性强的颗粒物因含有较多的 水分可使其 比 吸 湿 性 弱 的 颗 粒 物 散 射 更 多 的 太 阳 光， 降低大气 能 见 度 和 大 气 温 度 ， 并可能影响区域 而这种变化又可 甚至世界的能量分配和气候变化 ， 以进一步影响大气化学反应 ， 改变光解速率 ． 大量
大气颗粒物吸湿性研究
1， 2 王宗爽 ，付 1 2 晓 ，王占山 ，徐 2 2 2 * 舒 ，陈建华 ，武雪芳 ，吴
钢
1
1． 中国科学院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085 2． 中国环境科学研究院，北京 100012 摘要： 大气颗粒物吸湿性是反映颗粒物理化性质的重要指标， 吸湿性研究对深入了解颗粒物的环境和健康效应具有重要意义 ． TDMA （ 吸湿性串联差分电迁移率粒 总结了国外近年来大气颗粒物吸湿性研究进展： ①典型的大气颗粒物吸湿性分析方法为 H径分析仪） 系统及其优化方法． ②大气颗粒物吸湿性呈单峰 、 双峰甚至多峰分布； 根据 G f （ 吸湿性生长因子） 随粒径变化的模式， 可将大气颗粒物分为强吸湿性和弱吸湿性 2 类， 也可分为纯不溶性、 混合不溶性、 混合可溶性和纯可溶性 4 类． ③ 城市背景点颗 粒物的 G f 比城市观测点高； 城市观测点的颗粒物 G f 分布呈夏季高、 冬季低， 白天高、 晚上低的特征． ④颗粒物吸湿性与其化学组 G f 非常小， 成和形态密切相关， 纯可溶性盐颗粒物的 G f 通常较高． ⑤柴油燃烧源新排放的颗粒物属于弱吸湿性颗粒物， 但在其 但存在区域差异性． 针对国内 表面老化后或随燃料中硫含量的增加 G f 会明显变大． ⑥生物质燃烧排放颗粒物的 G f 相对较高， 大气颗粒物吸湿性研究现状， 提出了未来重点研究方向 ． 关键词： 大气颗粒物； 吸湿性； 生长因子； 串联差分电迁移率粒径分析仪； 燃烧源 中图分类号： X591 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 6929 （ 2013 ） 04 － 0341 － 09
第 26 卷 第 4 期 2013 年 4 月
环 境 科 学 研 究 Research of Environmental Sciences
Vol． 26 ， No． 4 2013 Apr． ，
J］． 环境科学研究， 2013 ， 26 （ 4 ） ： 341349． 王宗爽， 付晓， 王占山， 等． 大气颗粒物吸湿性研究［ FU Xiao， WANG Zhanshan， et al． Research progress of the hygroscopicity of atmospheric particles［J］ ． Research of Environmental WANG Zongshuang， Sciences， 2013 ， 26 （ 4 ） ： 341349．
， 湿沉降 ） 模式 而且还影响其在人体呼吸道内的 沉积 ． 吸 湿 性 强 的 颗 粒 物 容 易 成 核 并 通 过 云 水 去 并且其随 RH 增加而生长 、 变大并加速沉降 ， 易 除， 在人体呼吸道和肺部这类 RH 接近饱和的微环境中 影响人体健康 沉积 ，
［7］ 观 测 表 明 ，RH 为 90% 时 ，吸 湿 性 很 强 的 （ NH 4 ） 2 SO 4 颗粒物光散射性比在低 RH 下高 5 倍 ． 再次 ， 吸湿性不但影响颗粒物在大气中的沉降 （ 干 、 ［5］
大气降水 ． 这是因为吸湿性颗粒物是大气中云凝结 核的重 要 来 源 ， 而云凝结核具有很强的吸湿性特 颗粒物的 吸 湿 性 越 强 ， 越易形成云凝结核并促 征， ［10］ 进大气降水发生 ． 此外 ， 颗粒物吸湿性能够近似 反映出颗粒物的化学组成 ， 尽管吸湿生长并不和化 学组成完全线性相关 ， 但却能够用来定性单颗粒物 可溶性和不溶性物质的丰度 ． 虽然国外对大气颗 但国内对大气颗粒 粒物的吸湿性研究开展得较早 ， 物吸湿性研究也取得了显著进展 ． 笔者对 20 多年 来国内外的研究进行了深入总结 ， 以期为我国进一 步开展大气颗粒物吸湿性研究提供参考 ．
［9］
［7-8］
tube reactor） 和颗粒物显微镜 － 傅里叶红外光谱系统 （ Aerosol MicroscopeFTIR） ［14］等， 其中最为常用的是 HTDMA 系统（ 见图 1 ） ．
． 最后 ， 颗粒物的吸湿性影响
注： CPC 为凝结粒子计数器； DMA 为差分迁移分析仪； N 为颗粒物数浓度．
收稿日期： 2012 － 12 － 10 修订日期： 2013 － 02 － 01
“十二五 ” 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 21277132 ） ； 国家 科技 支撑计划项目（ 2012BAC10B01 ） 作者简介： 王宗爽（ 1978 － ） ， 男， 河南泌阳人， 助理研究员， 主要从事环 境 保 护 标 准、 大 气 环 境 污 染 防 治 和 环 境 健 康 研 究， wang_zs@ craes． org． cn． * 通信作者， 武雪芳（ 1965 － ） ， 男， 山西太原人， 研究员， 博士， 主要从事 wuxf@ craes． org． cn 环境保护标准制修订理论方法及环境管理研究，
Research Progress of the Hygroscopicity of Atmospheric Particles
2 WANG Zongshuang1， ，FU Xiao1 ，WANG Zhanshan2 ，XU Shu2 ，CHEN Jianhua2 ，WU Xuefang2 ，WU Gang1
图1
HTDMA 系统示意图［7］
Fig. 1 Sketch for the HTDMA system
1978 年 LIU 等［11］ 为研究颗粒物粒径的变化提 出 了 气 溶 胶 迁 移 色 谱 仪 （ aerosol mobility 3］指 出， 1986 年 chromatograph） 测 量 系 统． 文 献 ［ Rader 等为该系统引入了 TDMA 术语， 指出采用该系
大气颗粒物污染及其引起的系列环境问题已经 ［1-2 ］ ． 深入探索颗 成为国际社会和科学家关注的焦点 必须对其理化性质 粒物引起环境问题的内在驱动力 ， 进行研究， 而颗粒物吸湿性就是其中的一个重要方 面． 颗粒物的吸湿性是指在增加周围环境 RH （ 相对 ［3-4 ］ ， 湿度） 时颗粒物的吸水性能 其计算公式：
1． State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Centre for EcoEnvironmental Sciences， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085 ，China 2． Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012 ，China Abstract： From the view of healthy and environmental effects of particles，it is necessary to research the hygroscopicity of atmospheric particles，since it is an important factor to reflect their physical and chemical properties． The studies about the hygroscopicity in recent years were reviewed in this study． The typical equipment for hygroscopicity was hygroscopicity tandem differential mobility analyzer （ HTDMA） or improved HTDMA． The G f （ observed growth factor ） exhibited the single peak，two peaks or even multiple peaks． According to G f ，the particles could be divided into four types including pure insoluble，mixed insoluble，mixed soluble and pure soluble particles． The G f showed higher values for particles in urban background sites than those for urban sites． The G f for particles in urban area was higher in summer than that in winter and was higher during the daytime than that during the nighttime． The hygroscopicity of particles mainly depended on their chemical compositions and shapes． The G f for pure soluble salt particles was usually higher． Fresh particles from diesel combustion showed less hygroscopic with low G f ，while their G f could be enhanced with the particle aging and the fuel sulfur content increase． The G f for particles from biomass burning was high and had obvious spatial variation． According to the domestic hygroscopic research status of atmospheric particulate matter，a key research direction was suggested for the future． Key words： atmospheric particles； hygroscopicity； growth factor； hygroscopicity tandem differential mobility analyzer （ HTDMA ） ； combustion sources
［6］
1
1. 1
大气颗粒物吸湿性分析方法
吸湿性串联差分电迁移率粒径分析仪 （ HTDMA ）
为研究颗粒物的吸湿性， 国外研究人员开发了多 TDMA （ hygroscopicity tandem 种 测 试 系 统，如 Hdifferential mobility analyzer， 吸湿性串联差分电迁移
342
环
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境
科
学
研
究
第 26 卷
G f = D r D0 式中： G f 为吸湿性生长因子； D0 和 D r 分别为吸湿前、 nm 或 μm． 后颗粒物的粒径， 颗粒物的吸湿性之所以重要 ， 是因为其能够反 映颗粒物 的 理 化 性 质 并 左 右 相 应 的 环 境 效 应 ． 首 先， 吸湿性影 响 颗 粒 物 表 面 的 非 均 相 反 应 速 率 ， 进 而影响其周 围 气 相 物 质 的 去 除 和 大 气 微 量 成 分 的 改变 ． 如吸湿 性 强 的 颗 粒 物 可 促 进 N 2 O 4 等 氮 氧 化 从而促进大气除氮 ． 其次 ， 吸湿性影响 物的水解 ， ［6］ ． 大气辐射强迫 吸湿性强的颗粒物因含有较多的 水分可使其 比 吸 湿 性 弱 的 颗 粒 物 散 射 更 多 的 太 阳 光， 降低大气 能 见 度 和 大 气 温 度 ， 并可能影响区域 而这种变化又可 甚至世界的能量分配和气候变化 ， 以进一步影响大气化学反应 ， 改变光解速率 ． 大量
大气颗粒物吸湿性研究
1， 2 王宗爽 ，付 1 2 晓 ，王占山 ，徐 2 2 2 * 舒 ，陈建华 ，武雪芳 ，吴
钢
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1． 中国科学院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085 2． 中国环境科学研究院，北京 100012 摘要： 大气颗粒物吸湿性是反映颗粒物理化性质的重要指标， 吸湿性研究对深入了解颗粒物的环境和健康效应具有重要意义 ． TDMA （ 吸湿性串联差分电迁移率粒 总结了国外近年来大气颗粒物吸湿性研究进展： ①典型的大气颗粒物吸湿性分析方法为 H径分析仪） 系统及其优化方法． ②大气颗粒物吸湿性呈单峰 、 双峰甚至多峰分布； 根据 G f （ 吸湿性生长因子） 随粒径变化的模式， 可将大气颗粒物分为强吸湿性和弱吸湿性 2 类， 也可分为纯不溶性、 混合不溶性、 混合可溶性和纯可溶性 4 类． ③ 城市背景点颗 粒物的 G f 比城市观测点高； 城市观测点的颗粒物 G f 分布呈夏季高、 冬季低， 白天高、 晚上低的特征． ④颗粒物吸湿性与其化学组 G f 非常小， 成和形态密切相关， 纯可溶性盐颗粒物的 G f 通常较高． ⑤柴油燃烧源新排放的颗粒物属于弱吸湿性颗粒物， 但在其 但存在区域差异性． 针对国内 表面老化后或随燃料中硫含量的增加 G f 会明显变大． ⑥生物质燃烧排放颗粒物的 G f 相对较高， 大气颗粒物吸湿性研究现状， 提出了未来重点研究方向 ． 关键词： 大气颗粒物； 吸湿性； 生长因子； 串联差分电迁移率粒径分析仪； 燃烧源 中图分类号： X591 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 6929 （ 2013 ） 04 － 0341 － 09
第 26 卷 第 4 期 2013 年 4 月
环 境 科 学 研 究 Research of Environmental Sciences
Vol． 26 ， No． 4 2013 Apr． ，
J］． 环境科学研究， 2013 ， 26 （ 4 ） ： 341349． 王宗爽， 付晓， 王占山， 等． 大气颗粒物吸湿性研究［ FU Xiao， WANG Zhanshan， et al． Research progress of the hygroscopicity of atmospheric particles［J］ ． Research of Environmental WANG Zongshuang， Sciences， 2013 ， 26 （ 4 ） ： 341349．