大气微纳米颗粒物界面反应与矿物协同演化意义

综述了大气气溶胶颗粒物的特征、颗粒物的界面反应与矿物协同演化意义;重点介绍了大气颗粒物粒径分布和矿物成分,以及常见有毒有害气体的界面反应产物特征与关键化学过程;总结了矿物颗粒在大气气溶胶形成过程中汇聚、调控、催化的作用,以及颗粒物与大气中SO₂、NO_x的协同反应机制;分析了微纳米颗粒对二次有机气溶胶形成的影响,以及大气矿物相颗粒界面反应产物组合及协同演化作用.可为进一步研究大气颗粒物与大气中痕量污染气体反应形成二次气溶胶进而影响大气化学组成的过程提供指导,对深入探讨大气矿物颗粒表面特性在复合污染物中多介质反应的微界面化学过程,矿物尘-污染物气溶胶体系在雾-霾形成、转换、新生粒子和阻断行为的复合作用具有重要的环境学意义.      

XRD技术在大气颗粒物研究中的应用

矿物沙尘气溶胶作为大气气溶胶的重要组成,全球年排放量高达约2000 Tg,主要分布在非洲、亚洲和北美等地沙漠区域。以往研究表明,不同源区的沙尘矿物组分往往存在一定差异,表现为不同源区形成的矿物气溶胶在大气中的理化性质存在差异,如吸湿性、光学性质以及云凝结核活性等,导致沙尘在传输、降尘的过程中对环境、气候以及生物地球化学循环产生不同的重要影响。此外,不同的矿物沙尘颗粒,会引起各种呼吸系统疾病以及皮肤病等,对人体健康产生极大危害。现阶段对于大气颗粒物矿物组成主要的检测手段包括X射线衍射(XRD)光谱、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等。其中XRD技术能够高效、准确、快速和无损害地完成对样品的物相鉴定,是现阶段检测矿物相的主要技术手段,伴随其分析方法及软件的不断改进,检测结果更加精准。本次工作综述了XRD应用于大气颗粒物研究的具体分析方法以及在亚洲、北非等地沙尘颗粒的研究进展,同时汇总了各种物相鉴定方法以及存在的问题,旨在为大气颗粒物的矿物组成识别手段建立一定的选择依据。     

天山乌鲁木齐河源1号冰川大气气溶胶的微观形貌及元素组成分析

为研究冰川区大气气溶胶单颗粒物的物理化学特征,使用带能谱的扫描电镜(SEM-EDX)对2007年在天山乌鲁木齐河源1号冰川东支积累区海拔4 130m(86°49′E,43°06′N)处采集的38个气溶胶样品中的38 861个单颗粒物进行了微观形貌和元素组成的分析.结果表明:天山乌鲁木齐河源1号冰川区大气气溶胶主要以粒径在0.6～2.5μm之间的不规则的非圆形矿物颗粒为主,其中以富含Si、Ca的粘土矿物颗粒为主,与人类活动密切相关的含S颗粒物及烟尘飞灰等含量较少.这与其它沙尘源区的气溶胶特征相似,其中含Ca颗粒多于其它沙尘源区,主要受西风带的影响.气团轨迹显示,来自于西面中亚地区的高空气流影响了1号冰川区的大气环境,表明天山乌鲁木齐河源1号冰川区的气溶胶主要代表了中亚沙尘源区对流层中上部大气的本底状况.     

拉萨市夏季大气降尘单颗粒矿物组成及其形貌特征

应用带能谱的电子扫描电镜(SEM-EDX)对拉萨市夏季正常天气下收集的大气自然沉降气溶胶样品进行分析,研究了拉萨市大气降尘矿物组成和各种物相形貌特征信息。拉萨市大气颗粒物含有硅酸盐颗粒、富钙颗粒、富铁颗粒、富碳颗粒(燃煤飞灰颗粒和燃油飞灰颗粒)和植物残体颗粒。根据颗粒物数量统计发现拉萨市大气颗粒物以硅酸盐颗粒为主,富钙颗粒和富铁颗粒次之,需要指出的是以燃油飞灰为主的富碳颗粒已占到一定比重,说明以燃油为主的机动车尾气对拉萨大气污染在加强。研究结果表明,大气降尘矿物成分及其形貌特征可以用作判定污染物来源的重要标志,拉萨大气中颗粒来源的多样性决定了治理措施也应综合进行。     

运用单颗粒气溶胶质谱技术表征广州市大气含铅颗粒的污染特征

运用单颗粒气溶胶质谱仪研究了广州市不同季节大气中含铅颗粒的类型、混合状态和来源。结果表明,广州市大气含铅颗粒不同季节的占比分别为:3.6%(夏季)、2.4%(冬季)、1.8%(秋季)、1.0%(春季)。基于质谱特征,将含铅颗粒分为K-Pb、EC-Pb、Pb-rich、Metal-Pb和Dust-Pb五种类型,主要来源是燃煤、钢铁和金属冶炼厂以及沙尘。不同类别颗粒物与二次气溶胶的混合状态不同。Pb-rich和Dust-Pb主要与硝酸盐混合,而其余三类与硫酸盐和硝酸盐均有混合。四个季节中含铅颗粒都是K-Pb占比最大(超过50%),其次是Pb-rich(约15%)和Metal-Pb(5%~10%)。比较特别的是EC类型在春季的比重远高于其余季节。在冬季存在含量较低的Dust类型,主要受携带沙尘的中国北部气流的影响。采样期间发生过一次含铅颗粒的污染事件(日均占比最高达14%),主要是受来自广州北部和东北部的钢铁和金属冶炼厂排放的铅颗粒影响。本研究为评估大气中含铅颗粒的生态健康效应提供了参考依据。     

北京、郑州和深圳三城市空气中气溶胶单颗粒特征的扫描电镜分析

分别采集北京、深圳和郑州3个城市气溶胶样品,使用场发射扫锚电镜-能谱仪观察气溶胶单颗粒的显微形貌和元素组成,并利用图像分析系统对PM2.5的粒径进行了分析。结果表明,城市气溶胶单颗粒类型以矿物颗粒、烟尘和球形颗粒(飞灰和二次粒子)为主。对比3个城市气溶胶中不同颗粒类型数量百分比发现,矿物颗粒数量最多的城市是北京,飞灰和烟尘数量最多的城市是郑州,而规则矿物颗粒数量最多的城市是深圳。3个城市气溶胶单颗粒的数量-粒径分布均呈单峰分布。深圳气溶胶中颗粒物的粒径相对较小,其次为郑州、北京。3个城市气溶胶中颗粒物来源不同程度上都受到交通污染源影响,而燃煤源对北京和郑州气溶胶中颗粒物来源影响仍然不容忽视。     

沙尘气溶胶与气候变化

沙尘气溶胶通过吸收和散射太阳辐射与长波辐射影响地球辐射收支和能量平衡,从而影响气候变化。另一方面,气候变化,土地利用、沙漠化和城市化等人类活动都是可能导致大气中矿物沙尘气溶胶的改变。沙尘气溶胶在全球及区域尺度气候和环境变化中起着十分重要的作用。     

大气颗粒物矿物相组成与微观形貌研究进展

矿物颗粒是大气颗粒物的重要组成部分,其物相组成和微观形貌等特征既对人体危害的机理研究具有重要意义,同时蕴藏着颗粒物来源及变化等有用信息。自上个世纪80年代至今,大气颗粒物中矿物颗粒物相组成及微观形貌的研究大致经历了3个阶段,主要体现在研究方法和手段的不断探索与进步,研究对象由总悬浮颗粒向PM2.5甚至更细颗粒物以及由全颗粒分析向单颗粒分析转移,不断重视原生矿物变化及次生矿物生成机理研究。本文提出发生硫化现象的原生矿物及二次成因硫酸盐颗粒是未来研究的重要方向之一。     

基于加密探空观测的成都市一次重霾污染过程中大气边界层气溶胶垂直结构分析

基于2017年1月4日至7日成都市一次重霾污染过程的系留汽艇探测的低层大气气象要素和大气颗粒物垂直探空加密观测资料,分析了大气边界层结构及气溶胶垂直分布。结果表明,此次重霾污染期间,大气边界层昼夜变化特征基本消失。稳定边界层结构出现25次,对流边界层结构仅出现3次,大气边界层结构趋于稳定,边界层高度普遍在700 m以下。霾污染发生、维持及消散阶段大气边界层气溶胶垂直结构具有明显差异。霾污染发生阶段,大气边界层气溶胶粗、细粒子主要集中在300m高度以下,近地面层大气气溶胶粒子累积触发霾污染事件;霾维持阶段,大气颗粒物粒子浓度数垂直方向趋于一致,大气边界层稳定结构中存在强的大气垂直混合作用;在霾消散阶段,较高处的气溶胶粒子浓度最先下降,且下降幅度最大,表明对流层自由大气作用对霾污染消散具有影响。大气边界层风速的增大加剧了大气传输扩散。温度与大气颗粒物浓度在近地层呈负相关关系,在100m高度以上呈正相关关系。大气边界层低层偏冷,高层偏暖的稳定大气热力层结减弱了大气污染物的垂直扩散。相对湿度的增加有利于气溶胶粒子的吸湿增长和液相化学反应,加剧了霾污染。     

典型城市环境空气中总悬浮颗粒物源项分析实例研究

采用回归分析和假设检验结合的方法,分采暖期和非采暖期对吉林省4个典型城市环境空气中总悬浮颗粒物和各类污染源中的无机组分进行了研究。结果表明:受体与污染源具有同源性。在采暖期,吉林市、白城市、通化市和四平市大气污染的主要来源是道路尘和土壤风沙尘,而建筑尘和煤灰对空气质量的影响较小;在非采暖期,4个城市的主要污染源分别是道路尘、土壤风沙尘和扬尘,而煤灰和建筑尘对4个城市空气质量的污染较小。研究结果有利于制定相应的大气颗粒物污染防治规划,以便提高污染防治的针对性、科学性和有效性,为大气污染防治规划提供科学依据。     

Sr and Nd isotope compositions of atmospheric mineral dust at the summit of Mt. Sefuri, north Kyushu, southwest Japan: A marker of the dust provenance and seasonal variability

We analyzed Rb-Sr-Nd isotope ratios of mineral dust in total aerosol load collected with rainwater continuously from 1998 to 2006 at the summit of Mt. Sefuri, northern Kyushu, southwestern Japan. During this period, the total mass of the dust generally increased in late winter, peaked in early spring, and then decreased.⁸⁷Sr/⁸⁶Sr in atmospheric mineral dust varied from 0.7096 to 0.7180, and εNd(0)_CHUR from −19.9 to −3.5. During heavy deposition periods, the dust had high ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr isotope ratios and low to middle εNd(0)_CHUR values, respectively. These compositions are comparable to those of sand and loess in arid areas of Northeast China, Takla Makan and Western Beijing. Such particles were transported by westerlies from those areas to northern Kyushu in winter and spring. In summer and autumn, the isotopic compositions of the dust varied greatly; however, during light deposition periods, the Sr isotope composition was low. In these seasons, the contributions to the dust from Japanese soils and volcanic ash, transported by southern winds, were relatively larger than in winter and spring because of decreased mineral dust particle transport from the continent. Nevertheless, fine sandy desert particles and loess in general accounted for most mineral dust deposition in northern Kyushu year-round, even in summer. Local soils derived from weathered granite and volcanic ash were minor components only.The net mass of water-insoluble inorganic matter in the collected mineral dust fluctuated from year-to-year; deposition on Mt. Sefuri was relatively large before 2001, decreased from 2002 to 2005, and increased greatly in spring 2006. These year-to-year differences probably reflected changes in the strength of the westerlies and in climate conditions in the arid source areas.     

北京市中关村地区大气降尘的来源与垂向分布特征

利用光学和电子显微镜、X射线衍射仪以及同步辐射X射线荧光对北京市中关村地区大气降尘的粒度分布、颗粒物微观形貌特征、矿物组成及化学元素组成等方面进行分析研究。粒度分析表明中关村地区大气降尘随着相对高度的增加,粗颗粒物逐渐减少。大气降尘的颗粒物形貌可以分为粒状、柱状单矿物,圆球状飘珠和不规则粒状集合体3种类型。矿物组成及化学元素组成的分析显示中关村地区大气降尘的污染物主要来自自然扬尘、建筑扬尘、燃煤、汽车尾气等污染源。     

用扫描电镜技术识别广州市大气颗粒物主要种类

利用扫描电镜技术对大气颗粒物的来源进行识别，采取手动分析与自动分析两种方法，得出的结果在总趋势上相互一致。手动方法和自动方法各有特点。自动分析在细颗粒，特别是含硫颗粒分析方面有优势，而手动分析在形貌观测和确定有机粗颗粒污染状况方面有独到之处。实验结果表明，大气颗粒物的来源是多样的，治理措施也应是综合性的，既要注意工业点源的污染治理和排放控制，如燃煤飞灰，钙质颗粒富铁颗粒等，也要注意面源排放，如土壤扬尘和碳质颗粒，碳质颗粒的来源复杂，可以是工业过程，燃烧过程，机动车尾气，生物质燃，树木自然排放。     

大气降尘TEM观察及其环境矿物学意义

在X射线衍射等分析研究基础上，进一步用透射电镜对半封闭室内长期沉积的大气降尘进行观察，提供了合肥地区大气降尘物相组成和各种物相形貌特征信息，揭示合肥地区大气污染物来源占第1位的是地表扬尘，以粘土矿物为标志；占第2位的是来源于大气化学次生气溶胶，主要和SO2、CO2、NOx等气态污染物排放有关，以石膏、碳酸盐和易溶盐类为标志；占第3位的是来源于汽车尾气排放的烟尘，以炭球为标志；占第4位的是来源于燃煤烟尘排放，以球形玻璃珠为特征。TEM调查不仅为合肥地区大气气溶胶颗粒成因、城市大气污染物来源和污染控制对策提供准确资料和依据，而且为确定大气颗粒物来源提供了有效研究方法和物源判别标志。     

内蒙古乌海粉尘浓度时空分布及影响因素探析

于2018年1月与7月采用流动监测法,对内蒙古乌海粉尘颗粒物进行采集,结合监测站数据,研究乌海不同粒径粉尘浓度时空分布规律及影响因素。结果表明:乌海市冬春季粉尘污染远远高于夏秋季,春季污染最严重,夏季污染相对较轻。PM_2.5污染最严重月份为3月,PM₁₀污染最严重月份为4月。一天中粉尘浓度峰值出现在10:00—12:00,谷值出现在16:00—18:00。空间上东部粉尘浓度高值区以条带状分布,中南部和西部以点源放射状向周围扩散。不同土地利用类型内部粉尘浓度特征均不同。工矿用地和城镇内部浓度高于有林地和未利用地,耕地和水体内部浓度最低;工矿用地是乌海市粗颗粒粉尘的主要来源,城镇是乌海夏季细颗粒粉尘的主要来源,水体、耕地和有林地可明显降低空气中颗粒物浓度。总悬浮颗粒物(total suspended particulate,TSP)和不同粒径颗粒物(particulate matter,PM),包括PM₁₀、PM_2.5、PM₁等粉尘浓度与风速、湿度呈正相关,与温度、海拔呈负相关,其中气压是影响TSP浓度的最主要因素,湿度是影响PM_1-10的最主要因素。不同粒径粉尘浓度受到归一化指数、气象、地形等多因素综合制约,单一条件对大气粉尘影响有限。     

Characteristics of aerosol dust in fresh snow in the Asian dust and non-dust periods at Urumqi glacier no. 1 of eastern Tian Shan,China

Windblown mineral aerosol dust derived from the crustal surface is an important atmospheric component affecting the earth’s radiation budget. Deposition of atmospheric dust was measured in the fresh snow on glacier no. 1 at the headwater of the Urumqi River in eastern Tian Shan, central Asia. An analysis of seasonal variation of concentrations of dust particles in the snow suggests that the number concentration of dust particle is significantly high from April to June, which may be caused by Asian dust storms in the spring. The comparison of mass-size distribution of dust particles from April to August shows an obvious seasonal change trend. The distribution of particles changes from single model (3–21 μm) in the non-dust period before dust events in April, to bi-model (3–21 and 20–80 μm) during the Asian dust period, and to single model (3–21 μm) after July in the non-dust period again. The Ca²⁺ concentration in the fresh snow is also very high from April to June, while NH₄ ⁺ and SO₄ ²⁻, as water-soluble constituents, have concentration changes that are different from each other. Backward trajectory was also employed to examine the transport process of air mass in this region.     

韶关市大气降尘矿物成分和形貌特征研究

利用X射线衍射（XRD）仪、扫描电镜X射线能谱（SEM/EDX）仪研究大气降尘矿物成分和颗粒物形貌特征。结果表明，韶关市大气降尘主要矿物成分为伊利石、斜长石、绿泥石、石英、方解石、白云石和无定型非晶质物等，大气颗粒物形貌可分为4种类型：粒状、片状单矿物，链状集合体，圆球状飘珠和不规则粒状集合体。伊利石、绿泥石来源于地面扬尘，方解石、白云石来源于建筑扬尘，无定型非晶质物来源于工业烟尘。粒状、片状单矿物是地面扬尘的标志，链状集合体和圆球形飘珠是工业烟尘的标志，不规则粒状集合体是建筑扬尘的标志。大气降尘矿物成分和形貌特征是判别污染物来源的重要标志。     

北京市可吸入颗粒物（PM10）中单颗粒的矿物组成特征

使用SEM／EDX对北京不同月份采集的可吸人颗粒物(PM10)中的1454个矿物颗粒进行了识别和统计。结果显示，矿物颗粒的种类十分复杂，可以鉴定出的矿物有38种，其中以粘土矿物的含量最高，年平均值为30．1％；粘土矿物中以伊利石／蒙皂石混层为主，占粘土矿物总数的35％；石英、方解石、复合颗粒、碳颗粒的年均值分别为13．5％、10．9％、11．95％、10．31％；年平均含量小于10％的矿物有石膏、长石、白云石等；首次检测出萤石、磷灰石、岩盐、重晶石、氯化锌等矿物。研究还发现，硫化现象可以发生在不同矿物颗粒表面，且这种现象主要发生在夏季，反映夏季大气化学反应较为活跃。