复杂条件下甲苯与矿物气溶胶非均相反应机理的研究

Volatile organic gases (VOCs) are important precursors to atmospheric haze. The emission of VOCs in China has increased year by year. Therefore, the atmospheric oxidation and the impact of VOCs to enviroment both have become increasingly prominent. Mineral aerosols are an important part of atmospheric aerosols that are widespread in the atmosphere. Meanwhile, the research of haze formation mainly focuses on the heterogeneous reaction of single VOC and single component aerosols. The study of gas-solid heterogeneous reaction under complicated conditions is not sufficient. Based on the current situation of atmospheric compound pollution in our country, toluene is chosen as the representative gas of VOCs to investigate the heterogeneous reaction mechanism of toluene on mineral aerosols. Furthermore, combine with the experiments results and the atmospheric observation data, the microscopic process of formation of haze will be deeply understood. In this study, mineral aerosols are chosen from single-component mineral aerosols to natural mineral aerosols to composite natural dusts such as Asian dust. The heterogeneous reactions between toluene and mineral aerosols are carried out at variety of gases, different humidity and light. In-situ infrared spectroscopy is used to practical explore the heterogeneous reaction mechanism. Ambient environment X-ray photoelectron spectroscopy and other instruments are used to observe the valence changes and morphological changes of mineral aerosol itself during heterogneous reactions.The research is of great academic and practical significance for the scientific control of haze.

挥发性有机气体（VOCs）是大气灰霾的重要前体物。我国VOCs排放量逐年增加，大气氧化性随之增强，对环境影响日益突出。矿物气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，在大气中广泛存在。目前关于灰霾成因的研究主要集中在单一VOC与单一成分气溶胶的非均相反应过程，而在复杂条件下的气固非均相反应研究还不充分。基于我国大气复合污染现状，本研究以甲苯作为VOCs的代表性气体，研究甲苯在矿物气溶胶上的非均相反应机理，同时结合大气观测数据，深入了解灰霾形成的微观过程。从单一成分的矿物气溶胶到天然矿物气溶胶，再到诸如亚洲尘的复合天然尘。利用原位红外光谱和原位X射线光电子能谱等仪器，动态探讨甲苯和矿物气溶胶在多种气体、不同干湿和有无光照等条件下的非均相反应路径及在此过程中矿物气溶胶本身的价态变化和形貌改变。该研究对于科学控制灰霾具有重要的学术意义和现实意义。

矿物气溶胶是大气中重要的颗粒物质，它们的化学成分与地壳岩石相似。这些气溶胶被强风带入到大气中进而参与了大气的非均相反应过程。矿物气溶胶在全球能量平衡和大气化学中起着至关重要的作用，它们分别与阳光、温湿度和有机无机气体，自由基等非均相化学反应有关。矿物气溶胶通过提供活性中心和活性表面，为多种大气痕量气体提供汇通道。随着紫外线照射、水和热，矿物气溶胶和气体之间的非均相反应变得更加复杂。在之前的研究中，宏观的均相反应是大气化学的重点，对于微观的非均相反应涉及较少。因此，微观的非均相反应及在大气中大量存在的矿物气溶胶，需要进一步探索。在矿物气溶胶的传输过程中，与有机无机气体反应，接触到城市的污染源，例如甲苯，氮氧化物和硫氧化物等。带来了雾霾，给人民的生活带来了困扰。矿物气溶胶、甲苯和其他无机气体的非均相反应过程需要有深入的研究，这不但关系到本学科的深入探讨，还涉及到大气模型的建立和雾霾的预报等宏观的研究。.在本研究中，经过原位红外光谱对甲苯，矿物气溶胶以及无机酸性气体，在有光和黑暗条件下的探讨，得知甲苯在这一过程中，是甲基首先发生了反应，生成了羰基。大气中的酸性气体（NO2和SO2），有光催化能力的矿物气溶胶，诸如含有铁钛的矿物气溶胶，促进了甲苯的氧化。在本研究中TiO2和伊利石有比较强的光催化作用，而氧化铁和绿泥石的光催化作用没有或很弱。研究利用二维红外分析手段，对时域的红外光谱进行了傅里叶转换，在频域的空间对红外光谱进行了分析。从而获得了比时域红外光谱更多的信息。可以为催化类研究多提供了一种分析催化过程的工具，更加深入了解官能团的生成过程。