颗粒物有机无机交互作用特性及其对颗粒物吸湿性和挥发性的影响

The hygroscopicity and volatility of aerosols are two important physico-chemical properties of atmospheric particles, which play key roles in regional air quality and global climate change. Recent studies estimated the hygroscopicity and volatility of ambient aerosols by summing up the volume weighted hygroscopicity and volatility of their each individual component. However, the interactions between each component were not considered. Therefore, it brought large uncertaities in regional and global models when using the estimated parametrization for these two properties. Hence, it is necessary to systematically evaluate the interactions between the coexisting components in the aerosols, especially the inorganic and organic species, which should well represent the characteristics of ambient aerosols. In this study, we propose to measure the hygroscopicity and volatility of different mixtures consisting of inorganic and organic species, selected among 5 different organic groups and 2 common inorganic compounds by using a Hygroscopicity Tandem Differential Mobility Analyzer (HTDMA) and a Volatility Tandem Differential Mobility Analyzer (VTDMA). The measured hygroscopicity and volatility of each mixture will be compared with the calculated ones utilizing Zdanovskii-Stokes-Robinson (ZSR) mixing rule, Aerosol Inorganic/Organic Mixtures Functional groups Activity Coefficients (AIOMFAC) model and Kinetic evaporation model, respectively. Hence, the characteristics of the interaction between inorganic compound and organic compound within aerosol phase is deduced and the corresponding effect on the prediction of the hygroscopicity and volatility of ambient aerosols will be estimated.

颗粒物吸湿性和挥发性是大气气溶胶的两种重要物理化学属性。目前，预测混合颗粒物的吸湿性和挥发性往往忽略颗粒物种有机/无机组分之间的交互作用，假设其吸湿性和挥发性是其各组分对应属性的体积加和。利用这种预测结果模拟区域和全球气候变化往往会引入较大计算误差。因此，需要对真实反映大气颗粒物的各种有机无机组分间的交互作用进行系统的研究。本项目拟利用吸湿串联差分迁移分析仪和挥发串联差分迁移分析仪,分别对不同种有机物与两种常见无机物组成的混合体系的气溶胶的吸湿性和挥发性进行测量，并与理论和模式计算得到的混合体系的气溶胶的吸湿性和挥发性进行比较，研究颗粒物中有机无机交互作用的特性及其限制因子。并进一步评估这种交互作用对于预测真实大气颗粒物的吸湿性和挥发性的影响。

气溶胶的吸湿性和挥发性是估算气溶胶辐射强迫，寿命以及全球气候变化的关键参数。 在本研究中，我们使用挥发性吸湿性串联差分分析仪（VH-TDMA）研究了实验室产生的和环境中的气溶胶的吸湿性和挥发性。这台仪器可以分为两部分：H模式-测量吸湿属性（HTDMA），V-模式测量挥发性 （VTDMA）。我们用HTDMA测量了包括羧酸、氨基酸、糖、醇等四类物质在内的共23种具有不同化学属性的有机物的吸湿性。具有不同分子官能团的有机化合物表现出明显不同的吸湿性。总体来说，有机物的吸湿性随官能团增加的顺序为：(-CH3/-NH2) < (-OH) < (-COOH/C=C/C=O)。我们也研究了三种氨基酸及其与硫酸铵（AS）混合的混合物的吸湿性，结果表明，气溶胶中各组分之间的相互作用对混合颗粒的相态有重要影响。在2016年夏末，在珠江三角洲地区的一个郊区站点进行了气溶胶吸湿性和粒子化学成分的同时测量。闭合分析表明，积聚模态颗粒物中有机物质的吸湿增长因子（HGForg）为1.26。与其他环境的结果相比，通过我们的测量获得的HGForg似乎对其氧化水平的敏感性较低，但这与我国其他大城市的观测结果相似。这一发现表明，中国郊区和城市大气的人为前体物或光氧化机制可能与其他环境背景有显著差异。此外，我们对11种糖和糖醇的蒸发特性进行了实验研究，只有木糖醇、果糖、阿糖醇（Xylitol, Fructose, L-Arabitol）表现出可见的挥发和粒径缩小现象。根据Clausius-Clapeyron关系，我们分别计算出Xylitol，Fructose和L-Arabitol这三种物质的饱和蒸气压是 pi (298K) = [1.09E-5, 1.20E-6, 6.45E-7] Pa。Xylitol和L-Arabitol之间的饱和蒸气压几乎相差15倍，这证实了分子中羟基官能团（-OH）的位置会强烈影响其挥发性。氯化钠（Nacl）与Xylitol或者与L-Arabitol相混的混合物的挥发性实验结果表明，有机和无机化合物之间的颗粒相反应可能可以形成低挥发性物质，并通过抑制颗粒挥发性等方式显著改变气溶胶的化学性质。