王宗爽,徐舒,王晟,蘇紅梅,武雪芳,李紅,譚玉菲,郭敏,顧閆悅
中國環(huán)境科學研究院,北京 100012
?
國外環(huán)境煙霧箱及其應用研究
王宗爽,徐舒,王晟,蘇紅梅,武雪芳,李紅,譚玉菲*,郭敏,顧閆悅
中國環(huán)境科學研究院,北京100012
摘要概述了國外環(huán)境煙霧箱的定義、分類、壁效應、特性表征及其應用研究。結果表明:國外環(huán)境煙霧箱的材料主要為Teflon FEP;室內環(huán)境煙霧箱體積較小,但模擬條件可控性較強,室外環(huán)境煙霧箱體積大,但模擬條件可控性較弱;多數(shù)環(huán)境煙霧箱功能單一,不可移動,不能到達現(xiàn)場進行具有區(qū)域針對性的模擬研究,更不能開展人體暴露和建筑裝飾裝修材料中有害物質釋放規(guī)律研究;幾乎每個環(huán)境煙霧箱都配備了先進的分析儀器,如激光誘導熒光檢測器等;主要用于光化學煙霧機制機理、新增痕量氣體的大氣化學行為和二次有機氣溶膠的形成等方面的研究。因此,建議未來我國建設的環(huán)境煙霧箱應根據不同科研目的,拓展其應用功能;制定環(huán)境煙霧箱應用研究戰(zhàn)略,系統(tǒng)研究我國大氣灰霾污染形成和對人體健康影響的機制機理,為我國全面防控區(qū)域大氣污染的戰(zhàn)略決策提供科學支持。
關鍵詞環(huán)境煙霧箱;光化學煙霧;二次氣溶膠;暴露;人體健康
大氣污染是工業(yè)化過程中世界各國共同面對的難題[1-3],國內外大量研究證明大氣污染與人體健康和生態(tài)環(huán)境效應直接或間接相關[4-10]。近年來,我國大氣環(huán)境污染已由局地單一的煤煙型污染向區(qū)域復合型大氣污染轉變,大氣中多種污染物彼此耦合,呈現(xiàn)出多尺度、多來源、多組分、多過程及多效應等特點,造成細顆粒物、光化學煙霧、酸沉降、臭氧層破壞和溫室效應等污染問題交替、重疊或耦合發(fā)生,逐漸呈現(xiàn)復雜化趨勢,成為全球大氣污染嚴重的地區(qū)之一[2]。
研究和識別大氣化學反應協(xié)同作用機制和動力學過程可為控制區(qū)域復合大氣污染提供理論依據,而環(huán)境煙霧箱是研究光化學反應機理的重要手段。應用環(huán)境煙霧箱進行大氣光化學模擬研究不但能夠排除復雜的氣象、地形等因素的影響,從而在可以控制且能重復的條件下單純地模擬大氣中的化學過程,揭示了大氣化學反應的本質,獲得反應的機制機理,而且還可以開發(fā)并驗證大氣化學模式,其研究成果將為大氣污染防治對策的制定提供科學依據。國內外多個研究機構,如美國加利福尼亞大學[11-20]、美國北卡羅來那大學[21-25]和北京大學[26-27]等,從20世紀70年代開始建立了各自的環(huán)境煙霧箱以開展大氣化學模擬研究,尤其是光化學煙霧研究。
為加強對我國區(qū)域大氣污染防治科技支撐,2013年我國發(fā)布實施《大氣污染防治行動計劃》[28],明確提出要推進大型大氣光化學模擬倉、大型氣溶膠模擬倉等科技基礎設施建設,加強灰霾、臭氧的形成機理等方面的研究,加強大氣污染與人體健康關系的研究。為此,筆者研究了國外環(huán)境煙霧箱及其應用情況,以期為我國未來全面開展環(huán)境煙霧箱的建設和研究提供參考。
1環(huán)境煙霧箱的定義與分類
1.1定義
環(huán)境煙霧箱是由箱體、光源、零空氣發(fā)生裝置、溫濕控制系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、采樣分析系統(tǒng)和數(shù)據采集與控制系統(tǒng)構成的大氣光化學模擬裝置。箱體采用惰性材料(如塑料膜、玻璃和不銹鋼等)制成,并可模擬大氣層[29];光源(如黑光燈、氙燈和氬燈等)可模擬不同波長的太陽光輻射;零空氣發(fā)生裝置可發(fā)生清潔空氣以清洗箱體內壁并可作為稀釋氣;各種有效的檢測儀器,如激光誘導熒光檢測器(LIF)、質子轉移反應質譜(PTR-MS)、氣溶膠質譜儀(AMS)及氣溶膠飛行時間質譜儀(ATOFMS)等,可了解和分析其中的反應物和產物的大氣化學轉化動態(tài)規(guī)律。盡管不同實驗室的環(huán)境煙霧箱名稱不同(如環(huán)境艙、光化學煙霧艙、環(huán)境煙霧箱、煙霧箱和環(huán)境模擬箱等),但其構成相差不大。
1.2分類
環(huán)境煙霧箱根據使用的地點可分為室內環(huán)境煙霧箱和室外環(huán)境煙霧箱。室外環(huán)境煙霧箱的優(yōu)點是可利用自然陽光,使模擬試驗較為真實;缺點是光照強度、溫度和相對濕度的可控性不強,難以進行重復性試驗。室內環(huán)境煙霧箱的優(yōu)點是能夠提供準確試驗條件控制,試驗能夠重復進行,但人工光源不能很好地模擬太陽光譜,某些模擬反應與實際大氣中的反應不一致。
根據體積大小把環(huán)境煙霧箱分為微型煙霧箱(體積從幾L到幾十L)、小型煙霧箱(100 L到5 m3)和大型煙霧箱(5 m3到幾百m3)。根據煙霧箱能否移動,又可分為固定煙霧箱和可移動煙霧箱。固定煙霧箱大多放置在專門的實驗室中,擁有專門配套的儀器和設備,可以快速及時分析樣品;可移動煙霧箱根據試驗目的,把煙霧箱運送到試驗地點,現(xiàn)場采集大氣樣品或來自污染源的樣品進行具有區(qū)域和大氣污染源的針對性研究。
2國外的環(huán)境煙霧箱
2.1室內環(huán)境煙霧箱
國外室內環(huán)境煙霧箱很多,如美國加利福尼亞大學河濱分校環(huán)境煙霧箱〔包括5.8 m3EC(evacuable chamber)煙霧箱、6 m3ITC(indoor Teflon chamber)煙霧箱、4 m3ETC(Ernie′s Teflon chamber)煙霧箱、10 m3DTC(divided Teflon chamber)煙霧箱、5 m3XTC(xenon Teflon chamber)煙霧箱以及7 m3CTC(CE-CERT Teflon chamber)煙霧箱〕[11-20],日本國立環(huán)境研究所的6 m3環(huán)境煙霧箱[30],福特汽車研究中心的140 L FORD環(huán)境煙霧箱[31],德國卡爾斯魯厄研究中心84.3 m3環(huán)境煙霧箱[32]以及美國國家環(huán)境保護局(US EPA)與加利福尼亞大學聯(lián)合建成的大型NGC(next-generation chamber)環(huán)境煙霧箱[33-35]等。需要特別指出的是,德國卡爾斯魯厄研究中心的84.3 m3環(huán)境煙霧箱代表了能夠同時適合對流層和同溫層條件的室內煙霧箱,該煙霧箱的材料為鎂鋁合金,箱內壓力操作范圍為0.01~1 000 hPa,溫度的調節(jié)范圍為183~333 K,因而可以模擬高空低溫低壓條件下的大氣化學反應[32]。
2.1.1NGC環(huán)境煙霧箱
US EPA與加利福尼亞大學合建的NGC環(huán)境煙霧箱是世界上較為先進的室內環(huán)境煙霧箱,主要由外層艙(圍護結構)、內層艙(平行雙反應器)、光源、空氣凈化系統(tǒng)、空氣混合和反應物進樣系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、分析系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成[33],主體結構如圖1所示。
圖1 NGC環(huán)境煙霧箱內部布置[33]Fig.1 Schematic of the next-generation chamber reactors and enclosure
整個外層艙的尺寸為6 m×12 m×6 m,內部安裝空調和100 kW熱交換器,溫度為4~50 ℃可調,5 min內達到要求;內層艙材料為0.05 mm厚的Teflon FEP,2個平行反應器的尺寸為5.5 m×5.5 m×5.5 m(體積80 m3),其獨特之處在于反應器的上部安裝了恒重器和步進電機,使內層艙的頂部隨著采樣的進行而逐漸降低,從而保證內部壓力恒定,不影響采樣和分析;光源采用功率為200 kW的水冷卻氬燈,其光譜為300~800 nm,接近太陽光譜(圖2),此外還配備了9 600 W的黑光燈,單純進行紫外光條件下的模擬試驗;采用Adco儀器公司的空氣凈化器產生潔凈空氣(約1 m3min),該凈化器包括吸收塔(去除NOx、CO和重碳氫化合物)、催化氧化凈化器(去除CH4和輕碳氫化合物),凈化效果為NOx濃度小于0.2×10-9,其他污染物濃度小于1×10-9(CO2除外);采用空氣再循環(huán)裝置,保證2個平行反應器內反應物濃度均勻;由于長的采樣管線會導致氣溶膠損失,并且如果采樣管溫度或檢測儀器與反應器中的溫度不同會導致氣溶膠的特征發(fā)生變化,因此在內層艙附近放置氣溶膠儀器,以減少氣溶膠的損失及其理化性質變化;采用人工抽取方法把低揮發(fā)性物質捕集到合適的材料上,避免損失;系統(tǒng)配備了可調二極管激光吸收光譜儀(分析NO2、HNO3、H2O2和甲醛),差分光學吸收光譜儀(DOAS),激光誘導光譜儀(LIF,分析自由基),以及氣溶膠儀器〔如掃描電遷移顆粒物譜分析儀(SMPS)等〕,所有儀器具體指標可參見文獻[33-35]。NGC環(huán)境煙霧箱具有體積大、壁效應小、溫度可控性強、光譜范圍寬、光照強度大、光分布均勻性好等優(yōu)點,并且內層艙的體積可時時調節(jié),避免艙內壓力變化干擾采樣分析。此外,平行雙反應器可進行平行試驗,對反應物種具有較強的針對性。
圖2 太陽光譜、過濾氬燈光譜和非過濾光譜比較[35]Fig.2 Comparison of power spectra for outsidesunlight and the new Vortek light source
2.1.2FORD環(huán)境煙霧箱
典型的室內小型環(huán)境煙霧箱——FORD環(huán)境煙霧箱,采用1個140 L的耐熱玻璃材料做成圓柱形反應器。反應器周圍放22個熒光燈,用來激發(fā)光化學反應。在實際試驗中,有8個熒光燈是覆蓋磷的GEFs40日光燈,其中心波長為310 nm;其余為GEF15T8-BL黑光燈,最大輻射波長約為360 nm。反應器配備了紅外光譜儀,分辨率為0.25 cm-1,光程27.4 m。FORD環(huán)境煙霧箱還配備了其他設備,如臭氧分析儀、NOx分析儀、顆粒物分析儀等。試驗時將機動車尾氣直接或者稀釋后引入煙霧箱,在不同的光照強度、溫度等模擬大氣環(huán)境條件下,分析檢測其中的化學反應產物,從而了解機動車尾氣對環(huán)境造成的影響[31]。該環(huán)境煙霧箱的特點是具有2個紫外光譜中心,并且小巧、容易移動;但光源光譜都在紫外范圍內,可見光引發(fā)的某些光化學反應可能觀察不到;此外由于其體積較小,壁效應會很大[36]。
2.2室外環(huán)境煙霧箱
由于室外環(huán)境煙霧箱幾乎不受空間限制,因此體積通常較大(幾十m3到幾百m3),壁效應相對較小[36],材料多采用Teflon FEP,光源多采用太陽光,但光照強度、溫度和相對濕度的可控制性較差,不可以移動,通常都有保護外罩和大流量零空氣發(fā)生系統(tǒng),并配備先進的檢測分析儀器。由于系統(tǒng)復雜,因此通常操作費用較高。目前,許多大氣環(huán)境化學研究機構都建立了自己的室外環(huán)境煙霧箱,如德國地質化學和動力學研究所(ICG)的370 m3環(huán)境煙霧箱[37]、歐洲光化學實驗室204 m3平行雙環(huán)境煙霧箱(EUPHORE)[38]、美國加利福尼亞大學河濱分校50 m3室外煙霧箱(outdoor Teflon chamber,OTC)[39]、美國北卡羅來納州立大學300 m3環(huán)境煙霧箱[40]等。
作為室外環(huán)境煙霧箱的典型代表,ICG環(huán)境煙霧箱由2個大小相同的環(huán)境煙霧箱組成,其為半球形狀,直徑為9.2 m,體積為204 m3,表面積體積比為0.65 m-1。整個裝置由光化學反應艙、冷卻系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、采樣分析系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)構成。箱體材料為Teflon FEP,厚度為0.127 mm,對于波長為280~640 nm的太陽光透過率大于80%;在箱體的頂部安裝了1個氣動閥,調節(jié)內部壓力始終大于箱外大氣壓力330 Pa以下;在整個模擬箱的外部安裝可拆卸的半球形鋁板保護層,保護煙霧箱;底板上的2部大混合風扇能夠產生4 000 m3h空氣流動量,以保證試驗過程中氣袋內的物質均勻分布;空氣凈化系統(tǒng)流量為500 m3h,達到油蒸汽和非甲烷碳氫化合物小于0.000 3 mgm3;為減少太陽照射造成的箱內溫度波動,在底板的下面安裝了制冷能力達到0.75 kWm2的循環(huán)水冷卻管,抵消箱內溫度變化;在2個箱內部都裝有傅里葉紅外光譜儀(FTIR)以及DOAS,在線分析包括自由基在內的反應產物,其中2個FTIR的光程分別為326.8和553.5 m,分辨率為1 cm-1;平行雙艙能夠進行對照試驗。ICG環(huán)境煙霧箱配備的各種儀器及其指標見文獻[37]。
2.3可移動環(huán)境煙霧箱
可移動環(huán)境煙霧箱不但可以在實驗室內進行模擬試驗,還可以將環(huán)境煙霧箱移動到污染源或觀測現(xiàn)場,采集現(xiàn)場空氣樣品或者源樣品,進行有針對性的模擬研究。但為了方便移動,所建設的環(huán)境煙霧箱體積相對較小。目前國外可移動環(huán)境煙霧箱并不多,主要有德克薩斯大學2 m3可移動環(huán)境煙霧箱[41]和日本汽車研究所移動式車載5 m3環(huán)境煙霧箱[42]。
德克薩斯大學建成的3個可移動環(huán)境煙霧箱均為2 m3,箱壁的材料為Teflon FEP,其規(guī)格為1.22 m×1.22 m×0.13 mm,表面積體積比為4.46 m-1。箱體用5.1 cm寬、0.95 cm厚的鋁條作為框架,由4個輪子支撐,方便室內外之間的移動。其中1個煙霧箱用于空白試驗,另外2個用做非空白試驗。煙霧箱的每個面都可以取下來,便于進行箱內部的清洗和空氣交換。取下2個相對的面,箱體可暴露在周圍環(huán)境空氣中,快速裝上2個面,可采集到環(huán)境空氣。通過使用內部框架和所有邊緣固定,Teflon膜不會起皺或因折疊而導致漏氣。除常規(guī)儀器外,還配備有矩陣分離光譜儀等先進儀器。該煙霧箱的最大優(yōu)勢在于方便拆卸,可以移動,適合現(xiàn)場大氣化學反應模擬研究。由于3個煙霧箱的尺寸和材料相同,因而增加了試驗的平行性和針對性。缺點是箱體的容積固定,沒有外層箱控制溫度,也沒有配備模擬光源,試驗條件可控性較差。相比之下,日本汽車研究所的移動式環(huán)境煙霧箱不但配備了紫外光源,并且配備了外層箱,因而可控性大大提高。
3國外環(huán)境煙霧箱應用研究
國外科研工作者應用環(huán)境煙霧箱對光化學污染機理、新增痕量氣體等方面開展了大氣環(huán)境化學模擬研究,取得了大量有價值的科學成果,為制定大氣污染防治政策提供了重要的理論依據。
3.1大氣光化學污染機理研究
大氣光化學污染機理的研究主要是從光輻射條件下各種物質之間的反應出發(fā),模擬研究各類揮發(fā)性有機化合物、半揮發(fā)性有機化合物以及無機氣體化合物(如NOx等)在環(huán)境大氣中發(fā)生光化學反應產生O3、PAN(過氧乙酰硝酸酯)和H2O2等大氣氧化劑,以及產生的氧化劑對大氣污染物的氧化分解,確定其在環(huán)境大氣中的壽命、反應速率常數(shù),確定反應過程中自由基的生成和消亡,以及反應產物對大氣中NOx濃度的影響,從而可獲得復雜大氣光化學煙霧的形成機理。如IVL機理包含了714種物質,涉及1 800多個反應[43];MCM機理(version 3.2)包括5 727種物質,涉及16 930多個化學反應[44-45];SAPRC-99機理包括500多種揮發(fā)性有機物,涉及1 500多個反應[46];CB6機理包括77種物質,涉及218個反應[47]。目前,多個科研機構正應用環(huán)境煙霧箱進行大氣光化學污染機理的研究與升級,如加利福尼亞大學應用11個不同的環(huán)境煙霧箱對120種VOC進行研究,并將SAPRC-99機理升級至SAPRC-07,更新了SAPRC-99中的反應速率常數(shù)等[48]。
3.2新增痕量氣體對大氣污染機理研究
隨著全球工業(yè)的快速發(fā)展,各種人為合成的化學物質(如汽油添加劑等)不斷釋放到大氣環(huán)境中,應對這些新增痕量氣體在大氣中的遷移轉化會對大氣環(huán)境產生的影響進行預測,以避免再發(fā)生類似于氟利昂造成平流層O3減少的現(xiàn)象。通過環(huán)境煙霧箱模擬研究,可以了解大氣對流層中太陽輻射通量、溫度和相對濕度等參數(shù)是如何影響大氣中新增痕量氣體物質降解的,降解反應對其他大氣化學反應和大氣化學成分的影響,系統(tǒng)調查痕量氣體與大氣化學反應產物之間的非線性相關情況,最終確定新增痕量氣體在大氣中的反應機制機理,獲取有益于制定大氣化學污染減控戰(zhàn)略所需的可靠信息。Barnes等[49]應用EUPHORE開展了燃料添加劑(如乙縮醛等)的系統(tǒng)模擬研究,確定其在大氣環(huán)境中的光化學行為。
3.3大氣氣溶膠化學模擬研究
應用環(huán)境煙霧箱開展大氣氣溶膠化學模擬研究主要集中在光照強度、溫度、相對濕度以及大氣中的氧化劑和自由基等因素對二次有機氣溶膠(SOA)的形成機理、形成潛勢、分解轉化、氣-固液相平衡分配、吸濕性、粒徑分布及壁損失效應等理化特性的影響。由于人為源VOC(如芳香類化合物)和生物源VOC(如萜烯)是SOA的重要前體物,因而很多學者采用煙霧箱進行模擬研究:Chandramouli等[50-51]研究了SOA的芳香類前體物及其轉化產物形成SOA的能力與SOA成分分布;Martín-reviejo等[52-54]研究了NOx、OH、NO3對SOA形成的影響,以及OH、NO3、臭氧與單萜烯反應對SOA形成能力差異的影響;Zhang等[55]研究了VOC對SOA產率影響,如通過SOA模擬研究認為,VOC降解的中間產物的壁損失會極大地影響SOA的產率。同時,也有學者開展燃燒源可吸入顆粒物研究,但主要集中在機動車尾氣形成氣溶膠的產量和粒徑分布等,而對其轉化、分解、吸附、吸濕性能和沉降能力的影響則沒有考慮。此外,卡爾斯魯厄研究中心應用環(huán)境煙霧箱還開展了低溫低壓條件下氣溶膠的形成、化學組成以及沉降模擬研究,如高空飛行器排放尾氣的氣溶膠形成和沉降等[56]。
3.4現(xiàn)場模擬研究
應用可移動環(huán)境煙霧箱進行現(xiàn)場模擬研究,若與現(xiàn)場觀測相結合,則能產生較為仿真的研究結果,研究內容主要集中在:1)確定不同區(qū)域大氣化學反應的強度和差異性,了解參與大氣化學反應的各種污染物(如氯氣、NOx、揮發(fā)性有機化合物等)在其中的化學行為及其對產O3等光化學氧化劑生成的影響,提出氣相污染物的控制戰(zhàn)略;2)確定各種污染物(如揮發(fā)性有機化合物、NO2)對二次氣溶膠生成潛勢的影響,以及作為反應產物的二次氣溶膠的化學和物理行為,提出二次氣溶膠的控制策略[57];3)通過對試驗結果的分析和數(shù)據挖掘,開發(fā)具有區(qū)域針對性的光化學煙霧數(shù)學預測模型[58]。
4結論與展望
(1)國外環(huán)境煙霧箱各具特色,體積從室內的100 L到室外的300 m3不等,選用的材料主要為Teflon FEP;由于體積和配置光源的不同,對大氣環(huán)境條件的仿真程度也不同,模擬試驗結果的準確性也存在差異。
(2)環(huán)境煙霧箱的功能單一,室外環(huán)境煙霧箱只能固定在室外,采用太陽光源進行試驗,因而溫度、濕度和光照強度的可控制性較差;室內環(huán)境煙霧箱只能固定在實驗室內進行試驗,盡管溫度、濕度和光照強度的可控制性較強,但卻不能移動到室外采集現(xiàn)場空氣樣品進行有區(qū)域針對性的試驗。
(3)雖然每個環(huán)境煙霧箱的應用研究側重點不同,但都沒有偏離大氣環(huán)境化學模擬研究,沒有進行人體暴露試驗研究和建筑裝飾裝修材料中有害物質釋放規(guī)律研究,以及室內空氣化學研究。
我國受空氣污染影響人群數(shù)量巨大,大氣污染對人體健康影響研究將成為不可缺少的重要方面,并且大氣化學模擬反應體系本身也可作為人體暴露模擬源。隨著人們生活水平的不斷提高,室內裝飾裝修造成的室內空氣污染及其對人體健康的影響也越來越被重視,可把室內環(huán)境作為大氣環(huán)境中的一個微環(huán)境進行研究。當前,我國已建成一些環(huán)境煙霧箱,但主要集中在光化學模擬研究方面,因此建議我國未來建設的環(huán)境煙霧箱功能與模擬環(huán)境可拓展至模擬人體環(huán)境暴露、平流層環(huán)境、極低溫環(huán)境等。
鑒于我國煙霧箱應用研究的薄弱現(xiàn)狀,建議有關部門針對我國的大氣污染特征和環(huán)境管理需求制定出系統(tǒng)的科學研究戰(zhàn)略規(guī)劃,形成科研人員隊伍穩(wěn)定、支持資金來源持續(xù)、儀器裝備先進高效的保障能力,全面開展大氣化學模擬,提出我國區(qū)域大氣灰霾污染形成和對人體健康影響的機制機理,為我國全面防控區(qū)域大氣污染的戰(zhàn)略決策提供科學支持。
參考文獻
[1]AKIMOTO H. Global air quality and pollution[J].Science,2003,302:1716-1719.
[2]MOLINA M. Air pollution is a global problem with local solutions[J].Nature,2008,456:19.
[3]SCHMALE J, SHINDELL D,SCHNEIDEMESSER E, et al. Air pollution:clean up our skies[J].Nature,2014,515:335-337.
[4]NEL A.Air pollution-related illness:effects of particles[J].Science,2005,308:804-806.
[5]LELIEVELD J,EVANS J S,FNAIS M,et al.The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale[J].Nature,2015,525:367-371.
[6]MOORHOUSE S.US air pollution is harmful and fine particles can kill[J].Nature,2007,445:709.
[7]GUO Y M,ZENG H M,ZHENG R S,et al.The association between lung cancer incidence and ambient air pollution in China:a spatiotemporal analysis[J].Environmental Research,2016,144:60-65.
[8]PASCALA M,CORSOA M,CHANELB O,et al.Assessing the public health impacts of urban air pollution in 25 European cities:results of the Aphekom project[J].Science of the Total Environment,2013,449:390-400.
[9]TRUMBORE S,BRANDO P,HARTMANN H.Forest health and global change[J].Science,2015,349:814-818.
[10]ADAMS M B.Ecological issues related to N deposition to natural ecosystems:research needs[J].Environment International,2003,29(23):189-199.
[11]CARTER W P L,ATKINSON R,WINER A M,et al.Experimental investigation of chamber-dependent radical sources[J].International Journal of Chemical Kinetics,1982,14(10):1071-1103.
[12]PITTS J N,SMITH J P,FITZ D R,et al.Enhancement of photochemical smog byn,n′-diethylhydroxylamine in polluted ambient air[J].Science,1977,197:255-257.
[13]CARTER W P L,WINER A M,DARNALL K R.Smog chamber studies of temperature effects in photo chemical smog[J].Environmental Science & Technology,1979,13(9):1094-1100.
[14]CARTER W P L,DARNALL K R,GRAHAM R A.Reactions of C2 and C4 alpha-hydroxy radicals with oxygen[J].Journal of Chemical Physics,1979,83(18):2305-2311.
[15]CARTER W P L,ATKINSON R.Computer modeling study of in cremental hydrocarbon reactivity[J].Environmental Science & Technology,1989,23(7):864-880.
[16]GERY M W,WHITTEN G Z,KILLUS J P,et al.A photochemical kinetics mechanism for urban and regional scale computer modeling[J].Journal of Physical Research,1989,94(24):12925-12956.
[17]STOCKWELL W R,KIRCHNER F,KUHN M,et al.A new mechanism for regional atmospheric chemistry modeling[J].Journal of Physical Research,1997,102(27):25847-25879.
[18]DODGE M C.Chemical oxidant mechanisms for air quality modeling:critical review[J].Atmospheric Environment,2000,34(7):2103-2130.
[19]CARTER W P L,LURMANN F W.Evaluation of a detailed gas-phase atmospheric reaction mechanism using environmental chamber data[J].Atmospheric Environment,1991,25(1):2771-2806.
[20]PINHO P G,PIO C A,CARTER W P L,et al.Evaluation of isoprene degradation in the detailed tropospheric chemical mechanism,MCMv3,using environmental chamber data[J].Atmospheric Environment,2004,39(3):1303-1322.
[21]YU J Z,JEFFRIES H E,LE LACHEUR R M L.Identifying airborne carbonyl compounds in isoprene atmospheric photooxidation products by their PFBHA oximes using gas chromatographyion trap mass spectrometry[J].Environmental Science & Technology,1995,29(8):1923-1932.
[22]YU J Z,JEFFRIES H E,SEXTON K G.Atmospheric photo oxidation of alkylbenzenes:part Ⅰ.carbonyl product analyses[J].Atmospheric Environment,1997,31(15):2261-2280.
[23]YU J Z,JEFFRIES H E,SEXTON K G.Atmospheric photo oxidation of alkylbenzenes:part Ⅱ.evidence of formation of epoxide intermediates[J].Atmospheric Environment,1997,31(15):2281-2287.
[24]JEFFRIES H E,FOX D,KAMENS R M.Outdoor smog chamber studies:light effects relative to indoor chambers[J].Environmental Science & Technology,1976,10(10):1006-1011.
[25]FOX D L,KAMENS R M,JEFFRIES H E.Photochemical smog systems:effect of dilution on ozone formation[J].Science,1975,188:1113-1114.
[26]唐孝炎,畢木天,李金龍,等.光化學煙霧箱的試制和性能實驗[J].環(huán)境化學,1982,1(5):344-351.
[27]張遠航,邵可聲,唐孝炎,等.中國城市光化學煙霧污染研究[J].北京大學學報(自然科學版),1998,34(23):392-400.
ZHANG Y H,SHAO K S,TANG X Y,et al.The study of urban photochemical smog pollution in China[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,1998,34(23):392-400.
[28]國務院.大氣污染防治行動計劃:國發(fā)〔2013〕37號[AOL].(2013-09-12)[2015-09-07].http:www.gov.cnzwgk2013-0912content_2486773.htm.
[29]唐孝炎,李金龍,栗欣,等.大氣環(huán)境化學[M].北京:高等教育出版社,1990:3-4.
[30]AKIMOTO H,TAKAGI H,SAKAMAKI F.Photoenhancement of the nitrous acid formation in the surface reaction of nitrogen dioxide and water vapor:extra radical source in smog chamber experiments[J].International Journal of Chemical Kinetics,1987,19(5):539-551.
[31]TAI Y C,BARBARA I N,NELSON A K.Modeling smog chamber measurements of vehicle exhaust reactivities[J].Journal of the Air & Waste Management Association,1999,49(1):57-63.
[32]BARNES I,RUDZINSKI K J.Environmental simulation chambers:application to atmospheric chemical processes[M].Berlin:Springer Netherlands,2006:67-82.
[33]CARTER W P L,FITZ D R,COCKER D R,et al.Development of a next-generation environmental chamber facility for chemical mechanism and VOC reactivity research:final report[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2005:8.
[34]CARTER W P L. Quality assurance project plan for the UCR EPA environmental chamber facility[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2002:19-31.
[35]CARTER W P L,FITZ D R,COCKER D R,et al.Development of a next-generation environmental chamber facility for chemical mechanism and VOC reactivity research:draft research plan and first progress report[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2005:15.
[36]WANG X,LIU T,BERNARD F, et al. Design and characterization of a smog chamber for studying gas-phase chemical mechanisms and aerosol formation[J].Atmospheric Measurement Techniques,2014,7:301-313.
[37]WIESEN P.List of all chambersinstallations in Eurochamp[EBOL].(2013-05-22)[2015-11-20].http:www.eurochamp.orgchambers.
[38]BECKER K H. The European photoreactor EUPHORE,design and technical development of the European photoreactor and first experimental results[R].Wuppertal:Final Report of the EC-Project,1996.
[39]CARTER W P L,LONG W D,PARKER L N,et al.Effects of methanol fuel substitution on multi-day air pollution episodes final report[R].California:Statewide Air Pollution Research Center University of California Riverside,1986.
[40]KIM Y,PLATT U,GU M B,et al.Atmospheric and biological environmental monitoring[M].Berlin:Springer Netherlands,2009:105-136.
[41]ALLEN D T, ROSSELOT K S. Pollution prevention for chemical processes[M].New York: John Wiley,1997:454.
[42]AKIMOTO H,HOSHINO M,INOUE G,et al.Design and characterization of the evaluable and bakable photochemical smog chamber[J].Environmental Science & Technology,1979,13(1):471-179.
[43]ANDERSSON-SKOLD Y.Updating the chemical scheme for the IVL photochemical trajectory model[M].Go?teborg:Swedish Environmental Research Institute,1995.
[44]LI J Y,CLEVELAND M,ZIEMBA L D,et al.Modeling regional secondary organic aerosol using the master chemical mechanism[J].Atmospheric Environment,2015,102:52-61.
[45]BLOSS C,WAGNER V,JENKIN M E,et al.Development of a detailed chemical mechanism (MCMv3.1) for the atmospheric oxidation of aromatic hydrocarbons[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2005,5:641-664.
[46]CARTER W P L.Documentation of the SAPRC-99 chemical mechanism for VOC reactivity assessment[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2000.
[47]YARWOOD G,JUNG J,WHITTEN G Z,et al.Updates to the carbon bond mechanism for version 6(CB6)[C]9th annual CMAS Models-3 users′conference.Chapel Hill:The University of North Carolina at Chapel Hill,2010.
[48]CARTER W P L.Development of the Saprc-07 chemical mechanism and updated ozone reactivity scales[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2010.
[49]BARNES I,BECKER K H,THüNER T,et al.Studies on oxygenated fuel additives:ethers and acetals[R].Berlin:Presentation to the USGerman Environmental Chamber Workshop,1999.
[50]CHANDRAMOULI B,JANG M,KAMENS R M.Gas-particle partitioning of semi-volatile organics on organic aerosols using a predictive activity coefficient model:analysis of the effects of parameter choices on model performance[J].Atmospheric Environment,2003,37(10):853-864.
[51]LEUNGSAKUL S,JAOUI M,KAMENS R M.Kinetic mechanism for predicting secondary organic aerosol formation from the reaction of d-limonene with ozone[J].Environmental Science & Technology,2005,39(24):9583-9594.
[53]PRICEA D J,CLARKA C H,TANGA X C,et al.Proposed chemical mechanisms leading to secondary organic aerosol in the reactions of aliphatic amines with hydroxyl and nitrate radicals[J].Atmospheric Environment,2014,96:135-144.
[54]LIA L J,TANGA P,COCKER D R.Instantaneous nitric oxide effect on secondary organic aerosol formation fromm-xylene photooxidation[J].Atmospheric Environment,2015,119:144-155.
[55]ZHANG X,CAPPA C D,JATHAR S H,et al.Influence of vapor wall loss in laboratory chambers on yields of secondary organic aerosol[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2014,111(16):5802-5807.
[56]SAATHOFF H,NAUMANN K H,MOEHLER O.Temperature dependence of yields of secondary organic aerosols from the ozonolysis ofα-pinene and limonene[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2009,9(5):3851-3865.
[57]ALLEN D T,PALEN E J,HERING S V.Size distributions and sources of compound classes in Los Angeles aerosol[J].Inhalation Toxicology,1995,7(5):723-734.
[58]RUSSELL M,ALLEN D T.Predicting secondary organic aerosol formation rates in southeast Texas[J].Journal of Geophysical Research,2005,110:1029-1035.□
Foreign Environmental Smog Chambers and Current Application Researches
WANG Zongshuang, XU Shu, WANG Sheng, SU Hongmei, WU Xuefang,LI Hong, TAN Yufei, GUO Min, GU Yanyue
Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
AbstractThe definition, classification, wall effects and characterization of environmental smog chambers were simply summarized, and their application researches were reviewed. It is indicated that the main material of foreign environmental smog chambers is Teflon FEP, the indoor chamber with relatively smaller volume has powerful controlling ability of simulated conditions including light intensity, temperature and relative humidity, while the outdoor chamber with relatively larger volume is on the contrary, with less controlling ability. Most smog chambers have single function and are unmovable, neither applied to carry out on-site simulation research aiming at specific areas, nor adapted to the researches on human exposure and emission theory of decorative building materials. Almost all the environmental chambers are equipped with advanced instruments such as laser induced fluorescence (LIF). The smog chambers are mainly applied to the researches on photochemical smog mechanisms, atmospheric chemical behavior of new trace gases, and formation of secondary organic aerosol, etc. It was proposed that the application functions of environmental smoke chambers should be expanded for different research purposes and application research strategies of environmental smoke chambers be developed to promote systematic study of formation mechanism of haze and human health effects for prevention and control of air pollution in China.
Key wordsenvironmental smog chamber; photochemical smog; secondary organic aerosol; exposure; human health
收稿日期:2015-11-30
基金項目:國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201409005)
作者簡介:王宗爽(1978—),男,副研究員,博士,主要從事環(huán)境保護標準、大氣污染防治和環(huán)境健康方面研究,wang_zs@craes.org.cn *通訊作者:譚玉菲(1985—),女,碩士,主要從事環(huán)境保護標準、大氣污染防治和環(huán)境監(jiān)測方面研究,tanyufei_es@163.com
中圖分類號:X505
文章編號:1674-991X(2016)04-0363-08
doi:10.3969?j.issn.1674-991X.2016.04.054
王宗爽,徐舒,王晟,等.國外環(huán)境煙霧箱及其應用研究[J].環(huán)境工程技術學報,2016,6(4):363-370.
WANG Z S, XU S, WANG S, et al.Foreign environmental smog chambers and current application researches[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(4):363-370.