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王格慧课题组关于我国灰霾研究获得新进展——高氨条件下HONO的大量形成可显著提升我国大气氧化能力并促进雾霾污染的发生
  发表时间:2020-01-06  阅读次数:4637     发布者:19970040
       近日我院王格慧教授团队联合浙江大学和复旦大学,针对我国灰霾天高浓度氨气与大气氧化性开展相关研究,并取得了重要进展。该团队利用烟雾箱系统验证了高浓度氨气的存在可以通过促进NO2与还原性气体SO2发生氧化还原反应促进强氧化性物质亚硝酸气(HONO)的生成与累积,首次提出环境中还原性气体----氨气的大量存在会较大程度提升我国大气环境的氧化能力,从而进一步促进雾霾污染的发生。相关研究成果以“Abundant NH3 in China Enhances Atmospheric HONO Production by Promoting the Heterogeneous Reaction of SO2 with NO2”为题发表在大气科学与环境科学类著名期刊Environmental Science & Technology上(Environ. Sci. Technol. 2019, 53, 14339−14347)。博士后葛双双为第一作者,王格慧教授为通讯作者。
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图1中国两大城市北京和西安冬季大气环境中NH3和HONO夜间相关性分析 ((a) 北京观测时间为2017年12月15号到2018年2月25号(b) 西安观测时间为2012年11月17日到12月2号)

       HONO是大气氧化剂OH自由基的重要来源,通过HONO光解产生的OH自由基对冬季大气环境中OH自由基的贡献可以达到60%。大气环境中高浓度氧化剂的存在会进一步促进我国雾霾污染的发生。王格慧教授团队通过多站点长期观测发现,在我国不同城市地区,即使在重霾天气条件下仍然可以监测到较高浓度的HONO,且HONO浓度与NH3浓度呈现非常好的正相关性(图1)。通过烟雾箱模拟结果发现:在烟雾箱系统中,HONO的生成量与NH3呈现非常好的正相关性,与外场观测结果一致(图2)。证明高浓度氨气的存在会显著促进大气中HONO的累积。
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图2 NO2/SO2/NH3/NaCl 烟雾箱反应体系中总HONO生成量随NH3浓度变化趋势(HONOT代表反应体系中生成的总的HONO浓度;RH=90%) 

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图3 在90%湿度且无人为引入种子条件下HONO浓度随时间的变化情况(烟雾箱内NO2, SO2 以及 NH3的初始浓度分别为0.6 ppm, 0.6 ppm和1.0 ppm)

       王格慧教授团队指出NO2与SO2发生氧化还原反应是大气环境中HONO的重要来源之一,而氨气通过促进NO2二聚体(N2O4)发生分解反应对大气中HONO浓度的影响作用基本可以忽略(图3)。在平面水膜上高浓度氨气对HONO生成的作用呈现趋于饱和状态,但是气溶胶相上HONO的生成量随着氨气浓度的增加呈现指数增长变化(R2=0.91) (图4)。NO2在NaCl气溶胶液滴上的摄取系数可以达到2.0×10-5 -1.7×10-4,比在纯水中的吸收系数高3-4个数量级。因此,高浓度氨气在我国重霾污染天气条件下会进一步促进HONO的生成与累积。
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图4 烟雾箱系统内HONO浓度随NH3浓度变化趋势分析((a)烟雾箱壁表面上生成HONO(HONOc); (b)气溶胶颗粒物相生成HONO(HONOA); (c)氨气对颗粒物比表面积影响;(d)气溶胶相中HONO生成量随颗粒物比表面积变化趋势)

       作者通过实验模拟结果推算得出,NO2在气溶胶液滴上产生的HONO生成量占烟雾箱体系中总HONO生成量的4-33%,表明了气溶胶颗粒物对于HONO的生成存在重要贡献。由于NH3、SO2和NO2在我国大气环境中大量共存,NH3对HONO形成的正向促进效应可以提高我国雾霾天气状况下的大气氧化能力,进一步产生较高浓度的二次颗粒物,加重大气颗粒物污染(图5)。自2013年以来,由于国家加强SO2排放的管控力度,我国许多城市的雾霾污染减轻明显。但是在我国,尤其是华北平原地区,颗粒物污染程度仍然要远远高于发达国家,同时也高于WHO的标准。王格慧教授团队的研究结果指出:进一步加强对NH3排放的管控可能是下一步有效减轻我国雾霾污染的重要手段。
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图5重霾期我国城市大气中HONO的生成机制

详见原文:Shuangshuang Ge, Gehui Wang*, Si Zhang, Dapeng Li, Yuning Xie,Can Wu, Qi Yuan, Jianmin Chen, Hongliang Zhang. Abundant NH3 in China enhances atmospheric HONO production by promoting the heterogeneous reaction of SO2 with NO2. Environmental Science & Technology, 2019, 53, 14339−14347. DOI: 10.1021/acs.est.9b04196