JGR-A: 中国干旱/半干旱地区盐尘暴大气颗粒物吸湿性

唐明金 研究员

由干旱和半干旱地区地表排放进入大气的矿质颗粒物是一种非常重要的大气颗粒物,其年排放量居于全球第二位,而大气含量则居于全球第一位。一般认为,这些矿质颗粒物主要由石英、长石、伊利石、高岭石、蒙脱石和碳酸盐矿物组成,其吸湿性很弱。最近几年的外场观测表明,矿质颗粒物,尤其是从干盐湖和盐碱地表面排放进入大气的矿质颗粒物,除了上述吸湿性很弱的矿物之外,往往还含有一定量的水溶性盐(如氯化钠和硫酸钠等)。与沙尘暴相对应,这类矿质颗粒物常被俗称为盐尘暴颗粒物。然而,目前关于盐尘暴大气颗粒物吸湿性的科学认识还基本上处于空白阶段。

图1:土壤样品采样点的地理分布

中国科学院广州地球化学研究所唐明金研究员课题组针对这一问题展开深入研究。他们购买和采集了十三个中国干旱和半干旱地区地表土壤样品(如图1所示,采样点东起黄河三角洲,西至新疆罗布泊),使用X射线衍射仪测定了这些样品的矿物组分,使用离子色谱仪分析了它们的水溶性离子成分,并使用蒸汽吸附分析仪研究了这些样品的吸湿性。研究发现,不同样品的吸湿性存在着很大的差异;具体来说,相对湿度为90%和<1%时颗粒物样品质量比(即吸湿增长因子)最小仅为1.02,最大则可达6.7。盐尘暴颗粒物的吸湿性主要决定于其矿物组分和水溶性离子成分;吸湿性较强的颗粒物往往含有一定量的石盐和芒硝,而这些颗粒物的吸湿性与水溶性阴阳离子的含量呈现出较好的相关性。该研究进一步基于水溶性阴阳离子的含量,使用气溶胶热力学模型(ISORROPIA-II)模拟了90%相对湿度下这些样品的吸湿增长因子,发现总体上计算结果与实测结果较为吻合。

图2:90%相对湿度下颗粒物样品的吸湿增长因子:计算结果与实测结果的对比。

该研究表明,某些矿质颗粒物可能具有一定乃至较强的吸湿性,这可能将改变我们关于矿质颗粒物吸湿性的科学认识,进而帮助我们更好地了解矿质颗粒物在大气化学和气候系统中的作用。

本项研究发表在Journal of Geophysical Research: Atmosphere上,受到国家自然科学基金委“中国大气复合污染的成因与应对机制的基础研究”重大研究计划(91744204和91644106)以及中国科学院“百人计划”等项目的资助。

论文信息:Tang, M. J., Zhang, H. H., Gu, W. J., Gao, J., Jian, X., Shi, G. L., Zhu, B. Q., Xie, L. H., Guo, L. Y., Gao, X. Y., Wang, Z., Zhang, G. H., and Wang, X. M.: Hygroscopic properties of saline mineral dust from different regions in China: geographical variations, compositional dependence and atmospheric implications, J. Geophys. Res.-Atmos, doi: 10.1029/2019jd031128, 2019.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019JD031128

ACP: 大气颗粒物吸湿性测量技术综述

唐明金 研究员

吸湿性是大气颗粒物最重要的理化性质之一,在很大程度上决定了大气颗粒物的化学反应活性及直接和间接气候效应。此外,物质的吸湿性也是包括化学热力学、表面科学、催化科学、材料科学、地球化学和行星科学等多个基础和应用研究领域所关注的重要问题。相应地,来自不同领域的科研和技术人员也开发了多种吸湿性测量技术,这些技术在原理、设计、造价及具体研究对象上存在着很大的差异。

近日,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唐明金研究员在Atmospheric Chemistry and Physics上发表了一篇题为A review of experimental techniques for aerosol hygroscopicity studies的文章,首次系统评述了目前已有的吸湿性测量技术。这篇长达45000多字的文章以样品的存在状态把吸湿性测量技术(共二十余种)分为四大类,即1)溶液样品、2)放置在基底上的颗粒物样品、3)处于悬浮状态的单颗粒物样品、4)气溶胶颗粒物样品。对于每一种技术,该文章首先简要叙述了其测量原理和基本构造,并通过引用和评述代表性研究以介绍该技术在大气颗粒物吸湿性研究中的应用。最后,该文章总结了每一种技术在各个关键指标上的优势和不足,并讨论了未来吸湿性测量技术研发和应用的主要方向。

这项工作受到国家自然科学基金委“中国大气复合污染的成因与应对机制的基础研究”重大研究计划(91744204、91644106和91844301)以及中国科学院“百人计划”等项目的资助,合作者包括香港城市大学Chak Chan教授、澳门大学黎永杰助理教授、德国马普化学研究所苏杭教授、中国科学院生态环境研究中心马庆鑫研究员和贺泓院士、北京大学吴志军研究员和胡敏教授、香港理工大学王哲助理教授、中国科学院化学研究所葛茂发研究员以及中国科学院广州地球化学研究所张国华副研究员和王新明研究员。

文章信息:Tang, M. J., Chan, C. K., Li, Y. J., Su, H., Ma, Q. X., Wu, Z. J., Zhang, G. H., Wang, Z., Ge, M. F., Hu, M., He, H., and Wang, X. M.: A review of experimental techniques for aerosol hygroscopicity studies, Atmos. Chem. Phys., 19, 12631-12686, 2019.

论文链接:https://www.atmos-chem-phys.net/19/12631/2019/

WR:印染/电镀废水是珠江流域水体中亚硝胺的主要来源

金彪 研究员

N-亚硝胺类化合物(下文简称亚硝胺)是一类N-亚硝基化合物,对人类具有高毒性和强致癌性。随着氯化、氯胺消毒饮用水中多种亚硝胺的发现,其对水质安全的影响日益显现。自然水体中亚硝胺污染物的生成十分缓慢,主要生成机制也跟污废水中存在大量亚硝胺的前体化合物有关。以往的研究多关注亚硝胺在饮用水及污水消毒过程中的生成情况,而忽略了亚硝胺还存在工业过程生成等可能。目前关于废水中亚硝胺排放源成分谱及重要流域水体中亚硝胺的含量、组成和来源的研究鲜有报道。
近期,中国科学院广州地球化学研究所金彪研究员和陈文文博士后等人,对珠江干流河水以及珠江三角洲地区11种典型污废水中的8种亚硝胺进行了分析(图1为采样点位图),以期揭示该地区亚硝胺的空间分布及污水中的亚硝胺源排放特征。研究发现,在所有的污废水中,共有5种亚硝胺广泛存在,分别为NDMA、NDEA、NPYR、NMOR和NDBA。印染废水和电镀废水中发现了含量高达4000 ng/L的NDMA,这两种废水向环境中的日均输入量约在10000 mg/day,是NDMA的主要排放源。他们还发现了在这两类工业废水的处理过程中NDMA的生成现象(图2)。上述广泛存在的5种亚硝胺同时在珠江干流水系中检出,含量水平均低于5 ng/L。东江中的特征亚硝胺为NMOR和NPYR,这主要与东江流域的工业类型与西江和北江存在差别有关。

Fig.1 珠三角流域河水和污水样品点位图

Fig.2 工业废水的进水及出水中亚硝胺的含量及组成成份图 (A)印染废水, (B)电镀废水, (C)金属表面加工废水, (D) 食品加工废水, (E) 制浆废水, (F) 精细化工废水, 及(G1–G3)制药废水 (G1 营养制剂废水, G2 缓释剂废水, G3 个人药品及护理品废水)

该研究工作得到了中科院百人计划青年俊才项目、国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上基金资助,相关成果发表在国际期刊Water Research。(相关链接见https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.114896)