大气汞的气固分配及机理研究

The gas-particle partitioning of atmospheric mercury is important to understand the global geochemical cycle of mercury as well as atmospheric mercury pollution characteristics in China. However, study on the process and mechanism of gas-particle partitioning of atmospheric mercury is very limited. To improve the understand of gas-particle partitioning process of atmospheric mercury and the cause of high proportion of particulate-bound mercury (PBM) in China, this study will identify the gas-particle partitioning characteristics of atmospheric mercury in different seasons by carrying out continuous observation. Then we will use the principle component analysis (PCA) method to analyze the relationship between gas-particle partitioning of atmospheric mercury and other trace species (including other air pollutants and particles of different chemical compositions), meteorological factors. Finally, we will investigate the gas-particle partitioning characteristics of atmospheric mercury under multiple influential factors in the smog chamber, analyze the key influential factors, and identify corresponding chemical reaction mechanism. The study results are expected to provide new insights into chemical reactions of atmospheric mercury and theoretical support for the improvement of the transmission model of atmospheric mercury.

大气汞的气固分配是认识汞的地球化学循环的重要基础，也是探讨我国特殊大气环境下大气汞污染特征的重要依据。然而，当前研究对大气汞气固分配过程及机理的认识非常有限。为深入认识大气汞的气固分配过程并揭示导致我国大气汞中颗粒汞比例显著偏高的内在原因，本研究拟通过开展大气分形态汞的连续在线观测，确定不同季节大气汞气固分配特征；利用因子分析法分析大气汞气固分配特征与痕量组分（其他大气污染物、大气颗粒物化学组分）、气象因子的相关关系；通过烟雾箱实验研究多因素影响下大气汞的气固分配特征，解析关键影响因素并构建气固分配过程的化学反应机制。本项目研究成果将为认识大气汞的迁移转化过程提供重要科学依据，为完善大气汞的传输模型提供重要理论支撑。

为了开展大气汞气固分配研究，对北京城区大气分形态汞进行在线观测，结果表明气态元素汞（GEM）、活性气态汞（GOM）和颗粒态汞（PBM）的年均浓度分别为4.40±2.02 ng m-3、44.91±31.40 pg m-3和112.71±130.98 pg m-3，均高于北半球背景值。北京城区GEM季节变化特征受到自然源排放的影响，夏季较高，冬季较低。GEM和GOM受到边界层高度影响，日变化特征为白天较低，晚上较高。PBM在春夏季日变化不明显，而秋冬季节PBM白天浓度较高。相关性分析和轨迹模型分析结果表明，北京冬季大气汞的主要来源是民用燃煤，而在夏季受自然源影响大。后向轨迹聚类结果表明京津冀区域传输也会对北京城区大气汞浓度产生影响，潜在源贡献因子分析结果显示GEM主要的传输通道位于北京西南郊区。GOM受到光化学反应影响，夏季较高冬季较低。PBM受到PM2.5浓度的影响，在秋冬季节较高。基于分型态汞观测结果进一步分析大气汞在气固间分配的特征，分析结果表明，北京市大气汞的气固分配不仅受到温度的影响，还受到气象条件和颗粒物组分的影响。当湿度增加时，大气汞气固分配平衡受到颗粒物非均相反应和增长的颗粒物比表面积影响，由气相向固相移动；当颗粒物粒径减小时，大气汞气固分配平衡由气相向固相移动；当大气颗粒物中二次有机碳增加时，大气中氧化态汞也会更多地聚集在颗粒相中。因此，在北京冬季高湿度、二次有机物增高，颗粒物粒径减小时，颗粒态汞更容易快速增长并快速沉降，从而减少零价汞在大气中的停留时间，加快大气汞的循环过程。采用统计模型开展大气汞气固分配模型的建立，同时解释相对湿度、硝酸根、硫酸根和铵根为大气汞气固分配的决定因素。研究结果对认识大气汞的归趋具有重要意义，未来将用于大气汞传输模型中。