多污染物共存在二次无机颗粒形成过程中的复合效应研究

The complex characteristics of air pollution have emerged in China. The secondary particles has become a major component of atmospheric fine particles. At present, the synergistic effects of multiple pollutants were reported in many researches. These synergistic effects played an important role in the formation of secondary particles. However, quantitative evaluation of these synergistic effects under conditions close to the real atmosphere was rarely reported, resulting in high uncertainty for the synergistic effects in haze formation. Therefore, this study investigate the interface reaction of multiple pollutants on the surface of particles, using both research methods for micro interface process (i.e. infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, and Knudsen cell mass spectrometry) and smog chamber simulation technology. The synergistic effects among NOx, SO2, and volatile organic compounds (VOCs) when they react together, the quantitative relationship between the co-existed pollutant gases and the formation of secondary inorganic particles, including both sulfate and nitrate, the key species and controlling factors that affect the formation of secondary inorganic particles in interface processes will be investigated. Based on these studies, we expect to finally understand the formation mechanism and kinetics of secondary inorganic particles in complex air pollution. This results will provide valuable parameters and theoretical basis for improving the accuracy of simulation of inorganic secondary particles in air quality model and helping to evaluate the synergistic effects of multiple pollutants on haze formation.

我国大气污染呈现出明显的复合污染特征，二次颗粒物已经成为大气细颗粒物的主要组成部分。目前，众多研究报道了多污染物共存的复合效应对于二次颗粒生成具有非常重要的影响。然而，在接近大气真实条件下对这些复合效应的定量评估还少有报道，实际大气条件下复合效应对于颗粒物生成的贡献还有很大的不确定性。因此，本项目以多污染物在颗粒物表面的二次无机颗粒物生成过程为主要对象，将红外光谱、拉曼光谱和努森池质谱等界面反应研究方法和烟雾箱模拟方法相结合，研究NOx、SO2、挥发性有机物等多种气体同时反应过程中的复合效应，考察共存气体和二次无机颗粒物（硫酸盐、硝酸盐）生成之间的定量响应关系；识别界面反应过程中影响二次无机颗粒物生成的关键物种和控制因素；探索复合污染条件下二次无机颗粒物生成机制和动力学特征。该研究对于提高数值模式模拟二次无机颗粒物的准确性，评估污染物之间的复合效应对于灰霾形成的影响，具有重要的意义。

空气污染问题是我国目前最严重的环境问题之一，其中二次颗粒物生成是灰霾等大气污染问题的主要原因。在我国高度复合污染的条件下，二次颗粒物生成过程中污染物之间往往存在明显的复合效应，但这些效应的具体机制还不清晰，且缺乏系统性的定量研究。.本项目研究了矿质氧化物表面二次无机气溶胶(SIA)非均相形成过程，并提出了可能的反应机制，发现过渡金属氧化物的催化氧化对硫酸盐的生成具有重要作用，同时SO2和NOx以及SO2和NH3在矿质氧化物表面存在明显复合效应。具体来说，在酸性的γ-Al2O3、TiO2表面，NH3存在主要促进了亚硫酸盐的生成；在碱性的MgO和氧化还原性质的α-Fe2O3表面，则主要促进了硫酸盐的生成；反过来，表面酸性物种的形成又会进一步促进铵盐的生成，从而产生明显的协同效应。NOx对颗粒物表面硫酸盐生成过程有显著的促进作用，并且这种复合效应在烟雾箱实验以及外场观测中得到了验证。在挥发性有机物（VOCs）光氧化体系中，获得了VOCs种类和浓度、SO2和NOx浓度梯度和SIA生成的定量响应关系，发现富氨条件下，SO2浓度增加会与其他污染物产生明显的协同效应，导致硝酸盐、铵盐和二次有机气溶胶（SOA）的增加高于硫酸盐本身，SO2和NH3的存在还会明显的促进含氮有机物的生成，提高VOCs的SOA产率。.因此，本项目通过研究SO2、VOCs和NOx在SIA生成过程中的复合效应，揭示了不同颗粒物表面微观界面反应过程中硫酸盐的生成机制，提出了NOx、NH3等在硫酸盐生成中的协同作用机制，获得了复合污染条件下硫酸盐生成的动力学数据，并已经开始用于大气空气质量模式中硫酸盐模拟的改进。结合外场观测数据，指出污染物之间的协同效应加速了气态污染物向颗粒物的转化，并导致单一污染物的大气环境容量下降，这可能是我国东部地区灰霾频发的重要原因。.在项目实施过程中，已发表SCI论文8篇（其中第一标注4篇，第二标注3篇）；以本项目为主要研究内容的2位博士和2位硕士获得了相应学位；负责本项目的2位助理研究员晋升为副研究员。