实际大气条件下甲苯二次有机气溶胶生成的烟雾箱模拟

Toluene, a very important secondary organic aerosol (SOA) precursor, is among anthropogenic volatile organic compounds with the highest emissions in China. The atmospheric oxidation mechanism of toluene is still controversial. Moreover, the chamber simulation studies on the SOA formation from atmospheric oxidation of toluene are mostly performed with purified air as matrix; it is wide concern in what extent they might be different from the situations in ambient air, where a variety of gaseous and particulate components preexist. Here we will compare the SOA formation from atmospheric oxidation of toluene in a smog chamber in real urban ambient air matrix with that in purified air matrix. Gas and particle phase products will be analyzed to investigate the atmospheric oxidation mechanism of toluene in ambient air. We will also characterize gas and particle phase species in both ambient air and purified air, and find the major differences between them. The effect of these major different factors on toluene SOA formation will be intensively simulated to identify the key factors. This study will deepen the understanding of SOA formation from atmospheric oxidation of toluene in real atmosphere, and fill the gaps between observations and model simulations on SOA.

甲苯是生成二次有机气溶胶（SOA）的重要前体物，也是我国当前排放量最大的人为源挥发性有机物。目前甲苯的大气氧化机理尚有不确定性，且前期对甲苯大气氧化及SOA生成的烟雾箱模拟研究都是以纯净空气为介质，而实际大气中有大量的气相和颗粒相化合物存在，可能导致纯净空气介质下获得的甲苯大气氧化及SOA生成机制可能难以圆满解释实际大气介质情况。本项目拟直接将实际大气引入烟雾箱中作为反应介质，模拟甲苯SOA的生成，通过分析氧化中间产物和SOA的化学组成，并与纯净空气介质实验结果进行对比，探讨实际大气条件下甲苯大气氧化生成SOA的机理。对比不同空气介质气相、颗粒相化学组成和颗粒物粒径特征，识别具有显著性差异的影响因素，并重点针对这些因素进行模拟验证，探讨这些因素影响实际大气中甲苯生成SOA的关键机制。本研究有助于深化对实际大气条件下甲苯大气氧化生成SOA机制的认识，提升模型对SOA的模拟能力。

甲苯是生成二次有机气溶胶（SOA）的重要前体物，也是我国当前排放量最大的人为源挥发性有机物，厘清甲苯在实际大气中的大气氧化机制对提升空气质量模型模拟能力至关重要。本项目直接将实际大气引入烟雾箱中作为反应介质模拟甲苯SOA的生成，并与纯净空气介质实验结果进行对比。研究发现，当增加纯净空气介质实验中的OH自由基浓度，使其SOA生成量与实际大气介质中相差不大时，两者的SOA产率也较为接近，而且符合气粒分配理论的双产物模型；进一步研究不同相对湿度条件下甲苯SOA的生成，发现在高湿度条件下，甲苯SOA产率远高于低湿度条件下产率。分析其颗粒物组分，高湿度条件下，CHO、CHON、CHOS和CHONS类化合物分别占比约为69.2%、17.7%、11.8%和1.3%；在低湿度条件下，CHO类化合物占比下降至57.8%，CHON类化合物占比上升至28.5%，CHOS类化合物占比变化较小，约为11.2%，CHONS类化合物占比上升至2.5%。且在低湿度条件下，硝基类化合物的生成途径主要是生成C7H6NO3及其进一步氧化后的产物C7H6NO4和C7H5N2O6；而在高湿度条件下，硝基类化合物的生成途径主要是生成C7H6NO3以及其他饱和程度较高的化合物，C7H6NO3进一步氧化后的产物含量较低，可能由于C7H6NO3进一步氧化受到抑制；分析不同湿度条件下甲苯大气氧化的中间产物，发现低湿度条件下甲酚产率为16.5±1.6%，与前人烟雾箱模拟研究中结果一致，与目前MCM模型中使用的产率（18.0%）相差不大，而高湿度条件下，甲酚产率上升至40.7±6.1%，进一步研究发现，可能是由于在高湿度条件下，C7H6NO3发生非均相水解反应，直接生成甲基苯酚，导致甲基苯酚产率增加。