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科学专栏
  Science column
碳气溶胶的监测及应用
编辑:赛克玛浏览次数:3591 时间:[16-06-13]


  • 前言
  1. 含碳气溶胶研究意义

大气气溶胶(Atmosphere Aerosol)是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系,主要包括碳气溶胶、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和矿物元素等。

含碳气溶胶是大气颗粒物的重要组分,一般占TSP浓度的15%~20%,占PM10浓度的25%~35%,占PM2.5浓度的20%~60%。是大气复合污染的关键物种之一,由于其对环境、气候、能见度、健康等都能产生不良影响,因此成为当前国际气溶胶研究领域的热点与前沿。

含碳气溶胶分类

含碳气溶胶分为有机碳(OC)、元素碳(EC)、碳酸盐碳(CC)。

有机碳OC

有机化合物的混合体,包括脂肪类、芳香族类化合物、有机酸等(Rogge et al., 1993),也包括多环芳烃、正构烷烃、酞酸脂、醛酮类羟基化合物等有毒有害物质。

元素碳(EC

EC是一种高聚合的、黑色的、在400以下很难被氧化的物质,常温下表现出相当的惰性、憎水性,不溶于任何溶剂。在实际大气研究中都认为EC是惰性的, 这种惰性决定了EC的转换和清除机制都是物理过程。

碳酸盐碳(CC

在普通天气的PM10 PM2.5CC 含量很少,不超过5%,且它只能通过风蚀过程进入大气,因此在气溶胶含碳组分的分析中一般不予考虑。

  • 含碳气溶胶测定方法

1.热分解法:间接法(如滴定法、溶剂萃取法)和直接法(热氧化法)等;

即采集大气颗粒物的石英滤膜经溶剂萃取或硝解分析后再在一定的氧化条件下程序加热,将含碳物质转化为CO2CH4进行测定。

另一种是直接热分析测定法,即采集大气颗粒物的石英滤膜程序升温加热,颗粒物中的含碳物质依次从膜上逸出,在高温的后燃室氧化,氧化产物通过红外光谱仪测定或再还原后通过FID检测器测定;

2.热分解-光学分析法:

热光反射法(TOR

将光学测定法与热学测定法相结合,更准确的更准确的测定颗粒物中含碳物质的方法。该方法的前提是认为EC是唯一的吸光物质,利用光反射率的改变来判断ECOC的分界点。通过从惰性气氛到氧化性气氛的切换将ECOC进行分离,通过测定CH4的浓度来得到ECOC的浓度。

热光透射法(TOT

热光反射法与透射法基本相同,主要区分在于将界定ECOC的分界点的反射光改为透射光。


  • 含碳气溶胶监测

1.监测原理

  • 美国沙漠研究所(DRI)技术;

  • 测定滤膜上沉积的OC、EC;

  • 在Model 2001 碳分析系统的基础上进行拓展和升级;

  • 仪器采用热光反射法(TOR);

  • 采用高精度七波段光源用来界定OC、EC分界点;

  • 使用NDIR CO2检测器;

  • 使用IMPROVE_A、EUSAAR等分析方法,并可根据需求更改。

2.技术优势

  • 仪器内部自带的IMPROVE_A温度分析法,在美国城市颗粒物化学物种监测网(CSN)和郊区保护视觉组织网络(IMPROVE)中广泛应用,并且在其他国家的监测网络也有应用;

  • 七波段光源,对于OC、EC的界定更加精准,并且对棕碳的研究有重要意义;

  • 高精度光源,对透射和反射信号的垂直测量,最大化的提高光学测量灵敏度;

  • DRI Model 2015多波段有机碳/元素碳分析仪使用NDIR CO2检测器,不需要FID检测器所需的甲烷转化器和氢气气体;

  • 氦气消耗量减少;

  • 质量流量控制可确保测量过程中的准确性。

3.应用案例

14城市冬季、夏季PM2.5中OC、EC含量J. J. Cao,S. C. Lee,et al. Spatial and seasonal distributions of carbonaceous aerosols over China.

在所有研究城市中OC和EC表现为夏季浓度较低,而冬季浓度较高的特征,冬季OC、EC的浓度将近为夏季的2~4倍,说明冬季燃煤相关气溶胶的原始排放增加了OC的排放。由于EC具有吸光特性,OC/EC比例影响颗粒物对光的光散射和吸收,辐射传输过程中通常假定OC/EC比例是恒定的,本应用案例中OC/EC比例为4.0,而4.0则被认定为化石燃料燃烧排放占主导。