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研究揭示重霾颗粒物中硫酸盐生成机制

来源:光明日报 作者:邓晖 2017-01-03 15:32:14
内容摘要: 日前,清华大学环境学院博士生郑光洁、贺克斌院士与德国马克思-普朗克化学研究所教授程雅芳等学者联合研究的成果在《科学进展》上发表。

  日前,清华大学环境学院博士生郑光洁、贺克斌院士与德国马克思-普朗克化学研究所教授程雅芳等学者联合研究的成果在《科学进展》上发表。该研究因为首次揭示了重霾污染期间颗粒物中硫酸盐迅速生成的化学机制而备受关注。近日,中国工程院院士、清华大学环境学院院长贺克斌接受记者采访时说,在我国华北地区大气颗粒物表面的“结合水”中,可溶解的二氧化氮是经典云水环境的约50倍,这种高浓度的二氧化氮环境,可以使二氧化硫迅速转化为二次气态污染物硫酸盐,这是华北地区硫酸盐形成的主要路径。而燃煤、机动车的氮氧化物减排,将有助于重污染“削峰降速”。

  近年来对华北地区灰霾污染的研究表明,硫酸盐是重污染形成的主要驱动物。然而,现有的基于欧美等相对清洁地区的大气化学理论体系,无法解释重霾期间硫酸盐的迅速生成。因此,找到硫酸盐在重灰霾情景下的特有生成路径,是解释重霾形成的关键所在。贺克斌介绍,他们运用外场观测、模型模拟及理论计算等手段发现,在华北地区雾霾期间,硫酸盐主要是在中国北方地区特有的偏中性环境下由二氧化硫和二氧化氮溶于空气中的“颗粒物结合水”(指PM2.5在相对湿度较高的环境下潮解所吸附的水分)迅速反应生成。

  而基于欧美等地区的硫酸盐生成机制研究的经典理论认为,与云水中的液相反应相比,颗粒物“结合水”的反应可以忽略;且在液相反应路径中,二氧化氮氧化二氧化硫生成硫酸盐这一路径的贡献可以忽略。但重霾污染时的情景与经典情景有很大不同。一方面,由于颗粒物浓度大幅上升及静稳气象条件下相对湿度较高等原因,颗粒物结合水含量远高于经典情景,表明颗粒物结合水的反应总量大大提升;另一方面,重霾污染期间二氧化氮浓度为经典云水情景下的50倍以上,表明二氧化氮氧化路径的相对重要性;此外,由于氨、矿物尘等碱性物质在北京及华北地区的大量存在,这些地区的颗粒物结合水的pH值远高于美国等地区,而二氧化氮氧化机制的反应速率随着pH值的上升大幅提高。

  “该研究表明了我国的复合型污染的特殊性。”贺克斌介绍,该成果可以为制定多种污染物协同减排的精准控制方案提供实际指导,“高二氧化硫主要来自燃煤,高二氧化氮主要来自燃煤和机动车等,而起到中和作用的碱性物质氨、矿物尘等则来自农业工业污染、扬尘等。这些不同的污染源在我国同时以高强度排放,导致了硫酸盐以特有的化学生成路径迅速生成。这也是重霾污染期间颗粒物浓度迅速增长的主要原因之一。”

  贺克斌建议,如果把氮氧化物减排提到更优先的位置上,可以有效抑制硫酸盐的形成:“氮氧化物的来源主要是燃煤和机动车。就北京来说,高排放老旧车、柴油大货车和散煤燃烧,应该成为现阶段氮氧化物减排重点。”        

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