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科學專欄
  Science column
碳氣溶膠的監測及應用
編輯:賽克瑪瀏覽次數:4009 時間:[16-06-13]


  • 前言
  1. 含碳氣溶膠研究意義

大氣氣溶膠(Atmosphere Aerosol)是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系,主要包括碳氣溶膠、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和礦物元素等。

含碳氣溶膠是大氣顆粒物的重要組分,一般占TSP濃度的15%~20%,占PM10濃度的25%~35%,占PM2.5濃度的20%~60%。是大氣復合污染的關鍵物種之一,由于其對環境、氣候、能見度、健康等都能產生不良影響,因此成為當前國際氣溶膠研究領域的熱點與前沿。

含碳氣溶膠分類

含碳氣溶膠分為有機碳(OC)、元素碳(EC)、碳酸鹽碳(CC)。

有機碳OC

有機化合物的混合體,包括脂肪類、芳香族類化合物、有機酸等(Rogge et al., 1993),也包括多環芳烴、正構烷烴、酞酸脂、醛酮類羥基化合物等有毒有害物質。

元素碳(EC

EC是一種高聚合的、黑色的、在400以下很難被氧化的物質,常溫下表現出相當的惰性、憎水性,不溶于任何溶劑。在實際大氣研究中都認為EC是惰性的, 這種惰性決定了EC的轉換和清除機制都是物理過程。

碳酸鹽碳(CC

在普通天氣的PM10 、PM2.5CC 含量很少,不超過5%,且它只能通過風蝕過程進入大氣,因此在氣溶膠含碳組分的分析中一般不予考慮。

  • 含碳氣溶膠測定方法

1.熱分解法:間接法(如滴定法、溶劑萃取法)和直接法(熱氧化法)等;

即采集大氣顆粒物的石英濾膜經溶劑萃取或硝解分析后再在一定的氧化條件下程序加熱,將含碳物質轉化為CO2CH4進行測定。

另一種是直接熱分析測定法,即采集大氣顆粒物的石英濾膜程序升溫加熱,顆粒物中的含碳物質依次從膜上逸出,在高溫的后燃室氧化,氧化產物通過紅外光譜儀測定或再還原后通過FID檢測器測定;

2.熱分解-光學分析法:

熱光反射法(TOR

將光學測定法與熱學測定法相結合,更準確的更準確的測定顆粒物中含碳物質的方法。該方法的前提是認為EC是唯一的吸光物質,利用光反射率的改變來判斷EC、OC的分界點。通過從惰性氣氛到氧化性氣氛的切換將EC、OC進行分離,通過測定CH4的濃度來得到EC、OC的濃度。

熱光透射法(TOT

熱光反射法與透射法基本相同,主要區分在于將界定EC、OC的分界點的反射光改為透射光。


  • 含碳氣溶膠監測

1.監測原理

  • 美國沙漠研究所(DRI)技術;

  • 測定濾膜上沉積的OC、EC;

  • 在Model 2001 碳分析系統的基礎上進行拓展和升級;

  • 儀器采用熱光反射法(TOR);

  • 采用高精度七波段光源用來界定OC、EC分界點;

  • 使用NDIR CO2檢測器;

  • 使用IMPROVE_A、EUSAAR等分析方法,并可根據需求更改。

2.技術優勢

  • 儀器內部自帶的IMPROVE_A溫度分析法,在美國城市顆粒物化學物種監測網(CSN)和郊區保護視覺組織網絡(IMPROVE)中廣泛應用,并且在其他國家的監測網絡也有應用;

  • 七波段光源,對于OC、EC的界定更加精準,并且對棕碳的研究有重要意義;

  • 高精度光源,對透射和反射信號的垂直測量,最大化的提高光學測量靈敏度;

  • DRI Model 2015多波段有機碳/元素碳分析儀使用NDIR CO2檢測器,不需要FID檢測器所需的甲烷轉化器和氫氣氣體;

  • 氦氣消耗量減少;

  • 質量流量控制可確保測量過程中的準確性。

3.應用案例

14城市冬季、夏季PM2.5中OC、EC含量J. J. Cao,S. C. Lee,et al. Spatial and seasonal distributions of carbonaceous aerosols over China.

在所有研究城市中OC和EC表現為夏季濃度較低,而冬季濃度較高的特征,冬季OC、EC的濃度將近為夏季的2~4倍,說明冬季燃煤相關氣溶膠的原始排放增加了OC的排放。由于EC具有吸光特性,OC/EC比例影響顆粒物對光的光散射和吸收,輻射傳輸過程中通常假定OC/EC比例是恒定的,本應用案例中OC/EC比例為4.0,而4.0則被認定為化石燃料燃燒排放占主導。

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