沙尘气溶胶中铁形态及酸性环境下光溶解研究

本申请项目在前期工作基础上，以对流层沙尘气溶胶潮解、表面液化现象为研究背景，围绕矿物铁海洋输入机制这一大气化学前沿领域进行研究。采用改良CBD萃取法结合低温Mossbauer、CCSEM/EDX等先进分析技术，从分子、原子层面探测沙尘气溶胶铁微观形态。模拟大气相关反应条件，进行酸性溶液中（pH < 3）矿物铁光溶解实验，准确测定铁溶解率、反应常数及光量子效率，建立表观光反应动力学与矿物铁微形态综合相关数学模型。从沙尘气溶胶中铁的赋存状态出发，定量描述光化学体系的特征和行为，揭示尚未被理解的硫酸盐/沙尘混合气溶胶中铁的光溶解过程机理，深入研究酸性环境中矿物铁光溶解机制，全面认识矿物铁形态与其光还原溶解关系规律。本项目的实施，对于完善大气矿物铁的海洋输入模式，理解大气-海洋之间关键生物地球化学相互作用与反馈，认识这一耦合体系对全球气候和环境变化的影响及响应机制具有积极意义。

铁在许多的地球生物化学循环中充当一个中心和重要的角色。铁富含的气溶胶是重要的，因为通过大气沉积到海表面从而影响海洋的初级生产力。到目前为止，气溶胶中铁的溶解过程机制已经引起了世界范围内的关注，是大气科学的研究热点之一。我们首先观察了矿物颗粒物在酸性条件下铁的光溶解机制。结果发现铁的溶解是一个pH控制过程，随着pH的升高，总的溶解铁降低。通过比较不同来源矿尘铁的溶解发现，含有Fe(II)的亚利桑那商业标准矿尘比撒哈拉矿尘和沙特阿拉伯内陆矿尘具有更高的溶解度。实验也表明，在酸性条件下酸的类型对矿尘铁的溶解具有重要的影响。铁的光还原溶解对溶解氧很敏感。我们也研究了燃烧预源颗粒物铁在酸性条件下溶解机制。发现燃烧源颗粒物中铁的溶解远快于标准的黄土样品。所有样品中，油飞灰颗粒产生最高的溶解量。总的溶解铁的比例范围为2.9-74.1%（从初始的总的铁含量）。在悬浮的秸秆生物质燃烧颗粒中，Fe（II）是主要的铁溶解物种；而在油飞灰、煤飞灰和黄土样品中，Fe（III）是主要的铁的溶解物种。生物质颗粒中铁主要是内混在钾富含颗粒中的无定形态，然而铁在煤飞灰中主要是不易溶解的铁玻璃态和氧化物形态。我们的研究表明，不同来源决定的变化的铁的形态是控制铁从气溶胶中溶解的重要因素。这个结论对于我们理解大气传输过程中铁在酸性介质作用下的溶解是很有用的。这些重要的数据已经发表在EST和JGR杂志。