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苏杭等-EST: 真实大气环境气溶胶酸度测量的新方法

气溶胶颗粒物与大气污染、人类健康及环境气候效应密切相关。体积微小的气溶胶颗粒却富集了高浓度的有机和无机组分,包括持久性有机污染物、重金属和病毒微生物等多种有害物质。酸度(pH)是气溶胶最基本的化学性质之一,是控制气溶胶微环境内一系列重要理化反应的关键指标,是调节气溶胶相分离、气粒分配和毒理效应的决定因子。因此,准确量化气溶胶酸度并探究其时空演变规律对于深入理解气溶胶理化过程及其健康、环境气候效应具有十分重要的意义。

气溶胶酸度测量是大气化学研究的前沿和难点。现阶段,在全球范围内针对真实环境大气气溶胶酸度测量的相关数据储备仍十分有限。造成该局面的主要原因是,迄今为止不存在成熟可靠的测量技术可用于真实环境大气气溶胶酸度的原位在线监测。技术发展主要受限于两个方面: (1)气溶胶尺寸极小(粒径在2纳米到10微米范围),这对其特性的考察带来了极大的挑战; (2)气溶胶液滴中的氢离子(H+) 具有非守恒特性,即H+活度并不会随溶液稀释而呈现等比例的下降。目前针对气溶胶酸度的测量和评估主要采用室内仪器分析(主要是拉曼光谱仪)和热力学模型计算(例如E-AIM和ISORROPIA)的方法。前者技术无法考察真实大气环境中复杂组分气溶胶的原位酸度,而后者模型评估则主要考虑了气溶胶无机组分的贡献。由于不同模型内在设置不同,模拟结果本身也存在差异。因此,亟需开发面向真实环境大气气溶胶酸度的原位在线测量技术。

近期,苏杭研究员团队开发了一种可实现环境大气细颗粒物PM2.5酸度测量的新技术,并进一步搭建了一套PM2.5酸度原位在线测量设备。在对设备建立了规范化的校准方法之后,团队应用该设备考察了上海市夏季PM2.5的酸度。实测结果显示PM2.5呈现出较强的酸性,其pH范围为2.5-3.5。此外,实测酸度值与热力学模型计算结果也具有很好的一致性,该技术的应用也为模型验证提供了新路径。

上述研究成果发表于环境科学与工程专业顶级期刊Environmental Science & Technology (Impact Factor 2023: 10.337)。中国科学院大气物理研究所李国副研究员为该论文的第一作者,大气环境与极端气象重点实验室苏杭研究员和德国马克斯普朗克化学所程雅芳教授为论文共同通讯作者,来自德国马普化学所,清华大学,上海市环境科学研究院和暨南大学的多位专家学者参与了该项研究。研究得到了中国科学院战略性先导专项,中国科学院院长国际奖学金项目(PIFI)和马普学会的支持。

论文信息:

Guo Li, Hang Su※, Guangjie Zheng, Min Zhou, Wenye Han, Yuxuan Zhang, Nan Ma, Hongli Wang, Thomas Klimach, Yafang Cheng※, Novel Device for in Situ and Real-Time Detection of the Acidity of Ambient Aerosols: Laboratory Characterization and Ambient Measurements. Environmental Science & Technology,2025, 59, 1, 659-667.

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c09221

图1:设备测量的气溶胶酸度与热力学模型计算结果的比较(a图显示时间序列;b-d图显示相关性)

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