红外光谱研究气溶胶颗粒爆发式增长与环境相对湿度的相关性

Second organic aerosols are present focus in atmosphere field. The key factor is how the relative humidity, especial high relative humidity (RH) and low supersaturation degree, affects the transformation of volatile organic compounds (VOCs) to semi- volatile organic compounds (SVOCs), which allows the condensation of VOCs, leading to burst of new particles and acceleration of particle growth. In this project, the synchronous RH-extinction spectroscopy technology is constructed in order monitor the ambient RH and particle extinction in the scale of micro-second. In experiment measurement, the step-scan FTIR technology combining with the pulsed RH tube is used to study the gas/particle transformation of SVOCs, gas/particle partition, the aerosol growth and activity dependent upon the RH in the smog chamber. The time scale of step-scan FTIR is in the range of microsecond-nanosecond. By the pulsed RH tube the RH can reach above 90% and then till 103%, which can lead the explosive growth PM2.5. By analysis the FTIR with the high spectral resolution, the dynamic process of aerosol nucleation, growth and activity can be understood. By FTIR-ATR technique，the gas/particle partition process is investigated during the particle growth. At last, Micro-FTIR spectroscopy is utilized to analysis the effect of the morphology, size, RH to the aging for a single particle.

本项目设计搭建相对湿度协同颗粒物消光的在线装置，实现对大气颗粒以及环境湿度在微秒尺度的外场、实时、同步监测，揭示颗粒物增长与湿度的相关性。建立真空步进扫描－烟雾箱－湿度脉动联合装置，监测高湿度（90%－103%）和低饱和度瞬间气-粒转化、气-粒分配、气溶胶生长和活化的动态过程，全面理解高湿度和低饱和度条件下颗粒物爆发式增长的物理化学过程，获取相应的参数，完善相关的气-粒转化机理，气-粒分配模型和气溶胶生长和活化的相关理论。利用傅立叶变换红外衰减全反射（FTIR-ATR）技术研究气溶胶颗粒在生长过程中，SVOCs的气粒分配与相对湿度的相关性；显微红外技术监测气溶胶单颗粒老化过程中气溶胶颗粒形貌、尺度以及相对湿度的协同作用，为揭示雾霾的形成和增长提供理化数据。

雾霾的爆发式增长与颗粒物组成、温度、尤其湿度之间的变化密不可分。其中低挥发性有机物的气－粒分配问题，挥发性与吸湿性的关系以及高PM2.5污染与环境高湿度的关系是我国雾霾的关键科学问题之一。红外光谱可以进行颗粒物内组成，相态，分子间作用以及含水量等各种信息的实时原位监测，是研究湿度-颗粒物生长相关性的重要技术手段。本课题主要通过显微红外技术基于米氏散射原理计算了微米级颗粒物的消光系数，开展了不同组成的颗粒物其吸湿性的改变与组分的相互关系。运用真空红外手段，记录了湿度发生脉冲式下降的过程中混合物颗粒的分步结晶，实现了颗粒物的部分结晶控制。研究了在炭黑表面和-Al2O3表面硫酸盐的生成以及异戊二烯的氧化过程，获得了相应的动力学数据。将有机酸盐和铵盐进行不同比例的混合，研究了颗粒物的含水量在湿度变化过程中的改变，结合特征红外光谱，分析了颗粒物内组分演变—吸湿性—挥发性物质释放的相关，这个结果为模型校正提供了关键的理化数据，有助于理解颗粒物对大气氨循环的作用。改变气溶胶颗粒物的酸度，结果表明酸度对于颗粒物内组分的演变速度以及潮解风化点都具有显著改变。本课题在三年研究期间，培养了四名硕士研究生，辅助培养博士生3名，硕士研究生3名。