水溶性有机气溶胶成分解析及关键形成机制的实验室研究

Water-soluble organic compound is an important part of secondary organic aerosol (SOA). Limited by the traditional analyze methods, most of the chemical composition of Water-soluble organic compound (WSOC) has not yet been identified, and chemical reactions that responsible for the formation of water-soluble organic oligomers are not very clear. China has frequently experienced haze pollutions, an understanding of the WSOC formation mechanism is critical in the development of efficient air pollution control policies based on our country’s conditions. This project supports a comprehensive study of WSOC formed from photo-oxidation of aromatics (e.g. toluene). The experiments will carried out in a smog chamber and a bulk aqueous reaction reactor. The chemical compositions of WSOC will be analyzed using a high resolution mass spectrometry. By the analysis of WSOC formed under different controlled conditions, the effects of water, NO2, pH value and inorganic ion- of NO3- on water-soluble organic oligomers formation will be studied. We aim to determine the key components of WSOC and critical factors and reactions that are responsible for the WSOC from toluene.

水溶性有机物是二次有机气溶胶的重要组成部分。受传统分析方法限制，大多数水溶性低聚物的化学成分仍然未被鉴定和确认，生成水溶性低聚物的反应过程仍然缺乏深入的了解。针对我国区域灰霾频发的极端天气，要进一步了解大气污染过程，并针对我国国情提出相应的污染防控措施，将急需我们充分完整的解析水溶性有机气溶胶的化学组成及其形成过程。本申请项目拟采用烟雾箱实验，并辅助液相控制实验和数值模拟，通过高分辨质谱技术解析不同控制条件（湿度、NO2、pH值和硝酸根离子NO3-）下，甲苯等芳香烃光氧化生成水溶性低聚物的化学组成，揭示不同影响因子在WSOC生成中的作用机制。

水溶性有机物(WSOC)是大气二次有机气溶胶（SOA）的主要组成，对空气质量和气候变化有重要影响。受制于传统解析方法的限制，对气溶胶中水溶性有机物的分子组成和形成机理缺乏了解。依托本项目，我们成功开发了气溶胶原位电离源和高分辨质谱数据处理系统。在此基础上，深入解析了甲苯和苯乙烯的SOA分子组成和主要形成机制，发现甲苯和苯乙烯氧化生成的SOA具有强水溶性，其主要由半挥发性、中等挥发性和低挥发性的含氧有机产物通过气-粒转化生成，而颗粒相生成的低聚物贡献较小。自主研发了可以精细化模拟SOA成核、传质、老化和云雾微物理过程的新型气溶胶核-壳动力学模式（CSVA）。结合烟雾箱实验和CSVA模拟，揭示了SOA与水的相互作用的关键物理和化学机制。首次发现气溶胶-雾相互作用可导致SOA的爆发性增长，其中颗粒水对有机物气-粒转化的促进作用是高湿条件下SOA增长的关键物理机制；而当SOA前体物为烯烃时，高湿度会通过水分子与Criegee自由基的竞争反应而抑制大分子低聚物的生成，此为SOA-水相互作用的关键化学机制。通过该项目的实施，我们建立了解析SOA分子组成的光谱和质谱方法，揭示了WSOC的主要形成机制，并研制成功了一种精细化气溶胶动力学模式，取得了预期的结果。