国家重点研发计划“有毒有害大气污染物环境风险管理体系研究”项目启动暨课题实施方案论证会

2017年9月8-9日,国家重点研发计划“大气污染成因与控制技术研究”试点专项“有毒有害大气污染物环境风险管理体系研究”启动暨课题实施方案论证会在广州凯旋华美达大酒店召开。中国21世纪议程管理中心项目主管何霄嘉、中国科学院前沿科学与教育局地球科学处处长段晓男、中国科学院广州地球化学研究所副所长张海祥出席会议并致辞,项目咨询专家组成员、项目负责人、各课题负责人及课题骨干成员40余人参加了本次会议。

会议启动仪式由项目牵头单位中科院地化所科技与规划处处长袁超主持,袁处长首先简要介绍了参会领导及咨询专家组成员,并组织投票推选了环保部华南环境科学研究所副所长于云江担任此次项目咨询专家组组长。随后,张海祥副所长致欢迎辞,感谢各位专家和领导莅临指导,中科院广州地化所作为项目牵头单位,将为项目的顺利实施提供有力支持。段晓男处长致辞,强调了项目应注重用户需求,加强项目内部交流,保证工作有序开展,圆满完成任务。项目主管何霄嘉博士作题为《重点专项项目管理简介》的专题报告,要求项目及课题成员深入学习和理解最新项目管理规章制度,深度论证和完善课题实施方案。随后,项目负责人张干研究员就项目整体研究内容和实施方案进行了汇报。

课题实施方案论证环节由华南所于云江副所长主持,各课题负责人就课题主要研究内容、考核指标、技术路线和研究方法、预期成果等方面进行了汇报,与会的咨询专家对各课题实施方案逐一质询,分别形成针对各个课题的论证意见。项目及各课题组在听取专家和相关管理部门评议意见的基础上,修改完善了课题实施方案,并讨论了项目和课题内部的管理制度和组织协调机制。

本项目属于重点研发计划“大气污染成因与控制技术研究”试点专项2017年度项目,旨在系统掌握我国有毒有害大气污染物的污染特征,评估我国人群有毒有害大气污染物暴露的健康风险,提出国家管控的有毒有害大气污染物名录,构建重要风险源的环境健康风险评估方法与管体体系,集成珠江三角洲有毒有害大气污染物风险管控技术平台。项目立意将基于风险的环境管理理念,落实、融入到我国和重点区域大气污染防治与城市空气质量改善进程中。此次项目启动暨课题实施方案论证会的顺利召开,有力保证了本项目的后续开展。

 

我国秋冬季苯系物二次有机气溶胶显著升高

二次有机气溶胶(SOA)是大气细粒子(PM2.5)主要组份,对灰霾形成有重要影响。苯系物主要来自人为活动排放,是典型的人为源SOA前体物。已有观测研究显示,我国城市地区大气SOA主要源自苯系物。然而在全国区域尺度上,缺少长期同步连续观测,难以全面评估苯系物SOA对我国细粒子污染和灰霾的贡献。

有机地球化学国家重点实验室王新明研究组的丁翔博士,与大气物理所的研究团队合作,通过对覆盖我国6个区域的12个站点开展一年同步观测,获得了我国苯系物SOA时-空格局;发现全国范围内,受前体物排放增加影响,秋冬季苯系物SOA显著升高;进一步运用有机标志物分析的结果表明,在我国北方主要受取暖用生物燃料和散煤燃烧影响,而在我国南方主要受生物质露天焚烧影响。该研究还发现生物质燃烧一次排放与苯系物SOA对区域能见度降低有直接影响(图1)。相关成果对于控制我国秋冬季频发的灰霾污染,提供了较重要的来源信息。

该研究受到中国科学院先导专项、国家自然科学基金、青年创新促进会专项资金资助,相关研究成果近日发表于Environmental Science & Technology

论文信息:Ding, X.; Zhang, Y.-Q.; He, Q.-F.; Yu, Q.-Q.; Wang, J.-Q.; Shen, R.-Q.; Song, W.; Wang, Y.-S.; Wang, X.-M., Significant increase of aromatics-derived secondary organic aerosol during fall to winter in China. Environmental Science & Technology, 2017, 51, 7432–7441. (http://dx.doi.org/10.1021/acs.est.6b06408)

我国苯系物SOA时-空格局

Smog eating paint does more harm than good

BY HARRIET FLETCHER 4 SEPTEMBER 2017| Chemistry World

News text originally from: https://www.chemistryworld.com/news/smog-eating-paint-does-more-harm-than-good/3007932.article

Photocatalytic paints for reducing air pollution may actually do the opposite
A study by scientists in France and China has raised questions about the effectiveness of paints formulated to combat air pollution. Whilst the paints decompose some pollutants, the research revealed they also generate and release other toxic compounds.

Urban air pollution is a common problem in many of the world’s cities; vehicles and power stations are the primary culprits. Titanium dioxide nanoparticles, when exposed to UV light, can oxidise organic compounds in the air. When added to paint, they present a quick fix for reducing air pollution. However, the overall improvement to air quality is dubious.

So says Sasho Gligorovoski, from the Chinese Academy of Sciences, and his team who have found that photocatalytic paints release significant quantities of nanoparticles and volatile organic compounds (VOCs) over their lifetime. This is especially problematic indoors, where the chemicals accumulate over time.

The scientists used xylene as a model compound to test the titanium dioxide nanoparticles’ ability to eliminate VOCs from the air. From their results, they hypothesised that UV radiation activates the nanoparticles, causing them to emit hydroxyl radicals. These radicals attack both VOCs in the air, as well as organic compounds in the paint. So while the paint eliminates xylene, the reactions behind this process create a series of new VOCs and also degrades the surface of the paint, releasing nanoparticles. Formaldehyde is among the new VOCs they identified, which is an irritant and classed as a carcinogen.

‘Photocatalytic paints are an excellent example of a treatment technology using sustainable energy as they only require sunlight or ambient lighting to work. However, the issues presented here challenge the usefulness of the titanium dioxide-based photocatalytic paints as a remediation technology to improve urban and indoor air quality. Lots of effort is needed to make this technology viable for air quality improvement,’ comments team member Delphine Truffier-Boutry from Grenoble Alps University in France.

‘This research has significance from the perspective of controlling indoor pollution caused by commonly used photocatalytic wall paint materials. Metal nanoparticles and several VOCs are carcinogenic,’ remarks Nishith Verma, an expert in catalysts for removing air pollutants from the Indian Institute of Technology in Kanpur. ‘The manufacturers of such types of paints may consider tailoring the synthetic route to minimise the degradation of photocatalytic paint materials.’

Bernd Nowack, a specialist in environmental risk assessments of nanoparticles from at the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology adds: ‘Only large-scale studies will be able to show if these paints really have any effect on air pollution – modelling will be very important here. The study could provide some of the input data for these models or help to design the large-scale studies.’

Gligorovoski’s group hope to find a way to stop photocatalytic paints from releasing harmful by adopting a safer-by-design approach to nanoparticle fabrication, and are working closely with paint manufacturers to achieve this.
References

This paper is free to access until 13 October 2017

D Truffier-Boutry et al, Environ. Sci.: Nano, 2017, DOI: 10.1039/c7en00467b

老化的黑碳颗粒是山帽云活性云滴的重要凝结核

大气气溶胶颗粒可以吸收环境中的水汽形成云滴,改变云层对太阳辐射的反射率以及云层在大气中的停留时间,继而影响大气能量辐射平衡和气候变化。由于气溶胶颗粒组分多样性,时空分布多变性,以及气溶胶颗粒-云-辐射存在复杂的非线性关系,气溶胶与云之间的相互作用一直是评估气候系统辐射强迫作用的最不确定因子。如何减少这种不确定性以及评估气溶胶颗粒对云滴形成的影响依然是预测气候变化的难点和挑战。

中国科学院广州地球化学研究所毕新慧研究员和林钦浩博士在国际上率先使用地用逆流虚拟撞击器-单颗粒气溶胶质谱仪(GCVI-SPAMS)联用技术实现了在地面对单个活性雾滴的在线观测,首次发现黑碳可以作为活性雾滴的重要凝结核,成果在J. Geophys. Res (2016)上发表。之后,该团队将同样的技术应用于海拨1690米的高山上,对山帽云单个活性云滴颗粒进行了在线观测。研究分析了三个云事件23611个云滴残余物颗粒:发现老化的黑碳颗粒(Aged EC)在云滴残余物中占比最大,约50%;其次是生物质燃烧颗粒(K-rich),约34%;其它颗粒类型包括Dust,Amine,Fe,Pb,OC以及Na-rich等所占的比例较小,在0.5-4.1 %之间。而且云滴残余物当中不同类型颗粒的占比受气团来源影响非常大。当气团来自中国北方时,老化黑碳颗粒的占比高达60%。当气团来自西南方向的东南亚地区时,老化黑碳颗粒的占比降低,生物质燃烧颗粒的贡献大幅增加,达到50%以上;有机胺颗粒的比例也显著上升(图1)。充分证实即使在没有任何人为活动的高山上,黑碳颗粒仍是活性云滴的重要凝结核。

研究还发现:云滴残余物中硫酸盐与 K-rich (91%), OC (100%), Aged EC (98%), Fe (93%)和Amine (99%)颗粒的混合程度较高, 而硝酸盐与Pb (95%), Fe (92%), Na-rich (89%)和Dust (88%)的混合程度较高(图2)。云滴残余物中硝酸盐的强度明显高于晴天环境颗粒,但弱于间隙颗粒;而硫酸盐的强度明显弱于晴天环境颗粒。本研究的观测结果为深入研究气溶胶颗粒的云活性及模型预测其间接气候效应提供了重要信息。该研究受到国家重点研发计划重点专项,国家自然科学基金以及广东省领军人才项目的资助。相关论文发表在Atmospheric Chemistry and Physics杂志 。

论文信息:Lin, Qinhao; Zhang, Guohua; Peng, Long; Bi, Xinhui; Wang, Xinming; Brechtel, Fred J.; Li, Mei; Chen, Duohong; Peng, Ping’an; Sheng, Guoying; Zhou, Zhen. In situ chemical composition measurement of individual cloud residue particles at a mountain site, southern China. Atmospheric Chemistry and Physics, 17, 8473–8488, 2017.

图1. 云滴残余物中不同类型颗粒的占比

图2. 云滴残余物颗粒类型与不同二次离子的混合状态  

页岩纳米孔隙结构表征方法的优化

页岩纳米孔隙结构的精确表征对页岩气赋存机理的研究和资源量的评价具有重要的意义。由于页岩孔隙结构的复杂性,导致基于分子材料研究发展起来的低压气体吸附法在表征其纳米孔隙结构方面仍然存在一些问题,比如样品的前处理、吸附质的选取以及理想模型的选择等。

中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室熊永强团队前期已经在低压气体吸附实验中有关页岩样品的粒度范围,DFT/NLDFT理论的优势和CO2-N2联合吸附法的应用等方面取得了一定进展。在前期成果的基础上,针对Ar(87.3K)吸附法较目前常用的N2(77.4K)吸附法具有更多的优越性,熊永强团队采用CO2-Ar和CO2-N2组合,分别对三种不同成熟度的泥页岩样品进行了抽提前和抽提后纳米孔隙结构的对比研究,在优化页岩纳米孔隙结构表征方法上取得了新的进展。

一方面,通过N2吸附和Ar吸附结合不同的DFT/NLDFT孔隙结构模型的对比研究,表明在页岩纳米孔隙结构表征方面狭缝孔模型拟合效果优于圆柱孔模型,且N2/Ar-DFT模型相比其他DFT/NLDFT模型更适合页岩纳米孔隙结构分析。另一方面,Ar吸附曲线和N2吸附曲线很相似,但回滞环更开阔一些;两种吸附质条件下计算得到的孔隙体积差异明显,表现为Ar吸附对微孔-小介孔更加敏感,所以CO2-Ar吸附组合(复合的CO2-Ar吸附法)更适合页岩纳米孔隙的全孔径表征。最后,实际样品的CO2-Ar吸附法分析结果表明:索氏抽提可以增加页岩的纳米孔隙体积,但是这种效应对低熟的泥岩和油页岩更加明显,对于高成熟的页岩增加的效果并不显著;三种不同的泥页岩样品在微孔尺度下的优势孔隙范围为0.4–0.7, 0.7–0.9和0.9–2.0 nm。

该研究获得国家自然科学基金及中国科学院战略性先导科技专项的联合资助。相关成果发表Fuel杂志上。

论文信息:Li Zhang, Yongqiang Xiong , Yun Li, Mingming Wei, Wenmin Jiang, Rui Lei, Zongyang Wu. DFT modeling of CO2 and Ar low-pressure adsorption for accurate nanopore structure characterization in organic-rich shales. Fuel, 2017, 204: 1-11. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.05.046

论文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S00162361173061

毛细管气相色谱柱上的氯/溴同位素分馏

单体氯/溴同位素分析(CSIA-Cl/Br)是当前分析化学和环境科学的前沿技术和研究热点。近十年来,科学家开发了基于气相色谱-四级杆质谱(GC-qMS)的CSIA-Cl/Br方法,较之传统方法具有灵敏度高、分析物谱宽及操作简单等优势,而且具有与传统方法相近的分析精度。然而,一些影响分析精度和准确度的因素尚不清楚,如发生在气相色谱-电子电离源质谱(GC-EI-MS)上的同位素分馏等。

近期,中科院广州地化所彭先芝研究员及唐才明博士与广州质检院的谭建华合作研究了毛细管气相色谱柱上的氯/溴同位素效应,调查了35种卤代有机物,所用柱子为弱极性柱。研究人员将色谱峰按保留时间范围等分为若干区间,然后用建立的全分子离子同位素异数体同位素比值计算方法获得每个区间内的同位素比值,再计算每个区间相对于整个色谱峰的同位素比值相对变异值,最后计算首区间相对于末区间的同位素分馏程度。同位素比值和同位素比值相对变异值均可揭示柱上同位素分馏。研究发现25种有机氯和4种有机溴能发生反相同位素分馏,两种多氯联苯可发生正相同位素分馏,4种有机氯未发生可观测同位素分馏。

研究人员用双膜模型探索性地解释了柱上同位素分馏的机理(图)。两种对抗性的同位素效应导致了气相色谱柱上的同位素分馏,并协同决定同位素分馏的方向和程度。针对柱上同位素分馏对CSIA-Cl/Br的可能影响,研究人员提出了几项对策,以提高分析精度和准确度;例如:色谱峰要有对称峰形和适当宽度;峰面积积分要尽量完全;色谱峰要尽量达到基线分离;对于不能基线分离的色谱峰,积分色谱峰中间段有助于获得相对准确的结果。

该研究对新型基于GC-EI-MS的CSIA-Cl/Br方法的建立和优化具有重要意义,建立的基于高灵敏度、高选择性GC-EI-MS的分析方法将为后续相关研究奠定基础。国家自然科学基金为该研究提供了部分资助。部分相关成果近期以研究论文形式发表在Journal of Chromatography A上。

论文信息:Caiming Tang, Jianhua Tan, Songsong Xiong, Jun Liu, Yujuan Fan, Xianzhi Peng. Chlorine and bromine isotope fractionation of halogenated organic pollutants on gas chromatography columns. Journal of Chromatography A 2017, 1514, 103-109.

论文链接: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021967317310592.

图:基于双膜模型的柱上同位素分馏机理解释

北京市第94中学冬令营走进有机地球化学国家重点实验室

为在青少年中广泛传播科学知识和科学思想,提高广大青少年的科学素养,由中国科学院广州地球化学研究所主办的北京市第94中学(暨首都经贸大学附属中学)赴穗冬令营,1月19日在广州地化所正式开营。在开营仪式上,广州地化所有机地球化学国家重点实验室副主任王新明研究员应邀作了一场“灰霾成因,健康影响与防治”的精彩科普报告;来自北京市第94中学高一年级的师生、青年科研人员、研究生等80多人现场聆听了报告。

王新明首先从当前我国面临的两大空气质量难题开始讲解,详细介绍了雾和霾的基本概念,以及如何区分二者。他还结合北京地区和珠江三角洲地区雾霾天气的统计数据,阐述了灰霾形成的内因、灰霾的成分组成以及灰霾的变化趋势等。

王新明指出,人类能够“看得见”的PM2.5和灰霾等,在短期内是难以控制的,但“看不见”的臭氧,则在更长的时间内困扰中国;灰霾的健康危害主要涉及人们的心理层面和生理层面。

最后,王新明从绿色能源,绿色交通,绿色产业,科学规划与管理以及科学发展等诸多方面解读了PM2.5的宏观控制对策。

此次报告会非常贴近实际,使同学们大开眼界,受益匪浅。

1月20日,冬令营活动进入了高潮。一大早,同学们首先来到地学与资源科普馆进行参观,数十个玻璃展柜里摆放的由广州地化所科学家亲手从野外采集回来的岩石、矿物和化石标本,深深地吸引了大家的注意,老科学家志愿者的认真讲解,让同学们感受到了每一块不管来自天外和地下的地质标本,都来之不易,都是研究人员的野外辛劳成果。

走出标本馆,同学们又集体参观了二次离子探针质谱仪实验室、14C专用加速器质谱实验室以及烟雾舱等大型仪器和研究平台,着实让来自京城的同学们感到震撼。参观结束后,由王新明和王云鹏两位研究员设计的雾霾监测防控等8个小课题研究正式拉开了帷幕,12位博士硕士研究生成为了同学们科学研究的传授者和领路者。接近傍晚,一天的研究课题结束了,8个小组的同学们用PPT进行了认真汇报,最终评选出一组为优秀,并给予奖励。王新明研究员还为同学们的研究结果进行了点评。

走进实验室的同学们,在研究的过程中更清晰的认识了“霾”,了解到何为“科研”,更体会到了每个人对人类、对自然、对社会该有的责任和担当。

利用热成因固体沥青进行原油裂解气油气源对比及资源量评价

我国南方下古生界海相地层普遍具有埋藏深、热演化程度高,且经历过多期构造运动的影响;早期形成的古油藏大多发生裂解,再经调整改造形成现今的气藏。因此,这类油裂解气藏的气源判识和资源量评价一直是我国南方油气勘探中急需解决的重点和难点问题。由于高过成熟作用导致原油和烃源岩中的沥青组分已裂解殆尽,常规的有机地球化学方法和直接的油源对比已不适用;同时简单的天然气组分(甲烷为主)加上多种因素的影响导致天然气成分和同位素组成能提供的信息也非常有限。因此,针对这类油气藏的研究需要发展新的技术和方法。固体沥青作为原油裂解的另一个重要产物,在我国南方下古生界油气藏中普遍发育。它经历了油气形成、运移、成藏和后期改造的整个过程,蕴藏着丰富的成因信息。

近期,中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室熊永强团队在有关固体沥青形成和演化的研究中取得新进展。研究采用人工熟化的方法模拟原油的裂解过程,通过对原油裂解产物(甲烷、C2−C5气态烃、C6−C12轻烃和固体沥青)的定量分析,揭示出固体沥青在EasyRo~1.5%时开始形成,主要形成于原油裂解的干气阶段(EasyRo 2.0% ~ 3.5%),最大产率可达初始原油量的42%(图1);在固体沥青形成的主要阶段(EasyRo 1.5% ~ 4.5%),固体沥青的产率和天然气的产率之间存在一个非常好的线性关系(图2);另外,在整个演化过程中,固体沥青的碳同位素值基本保持不变。因此,储层固体沥青的同位素组成、含量和分布特征可用于烃源的判识,古油藏的圈定以及古油藏和油裂解气藏规模的估算和评价。

该研究成果近期发表在国际油气地球化学主流期刊Marine and Petroleum Geology上。论文信息:Xiong, Yongqiang; Jiang, Wenmin; Wang Xiaotao; Li Yun; Chen Yuan; Zhang Li; Lei Rui; Peng Ping’an. Formation and evolution of solid bitumen during oil cracking. Marine and Petroleum Geology, 2016, 78: 70-75. DOI:10.1016/j.marpetgeo.2016.09.008

图1. 原油裂解过程中固体沥青的产率曲线

图2. 原油裂解过程中固体沥青和甲烷产率的关系图