錢小東,張啟磊,徐學(xué)哲,方 波,趙衛(wèi)雄,鮑 健,張為俊*

?

氣溶膠吸濕和揮發(fā)特性測(cè)量的VH-TDMA裝置研究

錢小東1,2,張啟磊1,2,徐學(xué)哲1,2,方 波1,趙衛(wèi)雄1,鮑 健1,張為俊1*

(1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,安徽合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽合肥 230026)

設(shè)計(jì)搭建了一套揮發(fā)性吸濕性-串聯(lián)差分電遷移率分析儀(VH-TDMA)裝置,并將其用于實(shí)際大氣氣溶膠吸濕和揮發(fā)特性測(cè)量研究.揮發(fā)特性測(cè)量單元由4根加熱管并列組成,加熱溫度分別設(shè)為25,150,250,350?C,可實(shí)現(xiàn)不同加熱溫度之間的快速切換,與傳統(tǒng)的VTDMA相比,可以獲得更高的時(shí)間分辨;吸濕特性測(cè)量單元利用全氟磺酸管對(duì)氣溶膠樣品進(jìn)行加濕處理,相對(duì)濕度在10%~90%范圍可控,加濕精度為1%.利用實(shí)驗(yàn)室氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的氯化鈉和硫酸銨氣溶膠,對(duì)該裝置的粒子損耗、揮發(fā)及吸濕特性測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估,測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道值一致,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性.將該裝置運(yùn)用于外場(chǎng)綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中,在安徽省壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)對(duì)夏季大氣溶膠的吸濕和揮發(fā)特性開(kāi)展了測(cè)量研究.結(jié)果表明,該地區(qū)氣溶膠的吸濕生長(zhǎng)因子與粒徑正相關(guān),含碳?xì)馊苣z的混合態(tài)呈現(xiàn)明顯的日變化趨勢(shì).

VH-TDMA；氣溶膠；相對(duì)濕度；揮發(fā)溫度

吸濕特性是氣溶膠最重要的性質(zhì)之一,它會(huì)顯著改變氣溶膠顆粒的粒徑、相態(tài)、云凝結(jié)核活性、光學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)活性,對(duì)于灰霾的形成、氣候變化的影響及人體健康效應(yīng)均具有重要意義[1-4].吸濕性-串聯(lián)差分電遷移率分析儀(H- TDMA)技術(shù)可以實(shí)時(shí)在線測(cè)量亞微米級(jí)尺寸氣溶膠的吸濕特性,具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,被廣泛應(yīng)用于海洋、鄉(xiāng)村、城市等外場(chǎng)觀測(cè)以及實(shí)驗(yàn)室模擬研究.多套H-TDMA裝置對(duì)歐洲地區(qū)遠(yuǎn)洋和沿海、大陸背景、被污染的大陸和城市站點(diǎn)的氣溶膠的吸濕性開(kāi)展了研究,根據(jù)增長(zhǎng)因子將吸濕數(shù)據(jù)分類可以指示氣溶膠的外混合情況,并提供了氣溶膠來(lái)源和控制的信息,然而依然缺失來(lái)自非洲和亞洲地區(qū)的吸濕數(shù)據(jù)[5-6].國(guó)內(nèi)近年來(lái)也發(fā)展了多套H-TDMA系統(tǒng),在北京、南京等一些地區(qū)進(jìn)行了外場(chǎng)觀測(cè)研究[7-9],并且開(kāi)展了一些實(shí)驗(yàn)室模擬研究[10-14].然而到目前為止,對(duì)有機(jī)物、有機(jī)物與無(wú)機(jī)鹽混合物的吸濕特性研究還非常有限,且存在較大的不確定性;顆粒物形態(tài)尤其是各類污染源排放的顆粒物形態(tài)與吸濕性的關(guān)系還沒(méi)有完全確定;顆粒物的混合態(tài)與吸濕性的關(guān)聯(lián)性也沒(méi)有明確,因此,大氣顆粒物的吸濕特性有待更深入系統(tǒng)的研究.

氣溶膠的揮發(fā)特性主要由顆粒物的化學(xué)性質(zhì)和混合狀態(tài)決定.當(dāng)氣溶膠被加熱到特定的溫度或被干凈的空氣稀釋時(shí)易揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)揮發(fā),導(dǎo)致數(shù)濃度和粒徑的變化,根據(jù)全部或者部分揮發(fā)所處溫度可以估算出氣溶膠顆粒物的化學(xué)成分和內(nèi)混合程度[15-16].顆粒物的揮發(fā)性也反映了顆粒的歷史老化過(guò)程,對(duì)大氣顆粒物中二次氣溶膠的形成機(jī)制研究有一定的參考作用[17].揮發(fā)特性也會(huì)間接反映顆粒物對(duì)人體的健康效應(yīng)[18].揮發(fā)性-串聯(lián)差分電遷移率分析儀(V- TDMA)是研究大氣氣溶膠的揮發(fā)特性的常用裝置.基于搭建的8通道V-TDMA可觀測(cè)不同污染條件下氣溶膠顆粒的揮發(fā)特性,研究結(jié)果表明,氣溶膠中揮發(fā)性組分揮發(fā)前后,其數(shù)濃度保持不變[19].通過(guò)將V-TDMA與煙霧箱結(jié)合,可以研究老化過(guò)程對(duì)機(jī)動(dòng)車排放尾氣中氣溶膠粒子的揮發(fā)性的影響[20].V-TDMA雖然可以量化氣溶膠粒子中不揮發(fā)性組分的百分比,但是并不能區(qū)分不揮發(fā)的剩余成分中是元素碳或低揮發(fā)性有機(jī)成分;也無(wú)法聯(lián)系揮發(fā)溫度和化學(xué)成分的關(guān)系[21].

由于實(shí)際大氣成分復(fù)雜,單一的V-TDMA或H-TDMA研究實(shí)際大氣氣溶膠依然存在問(wèn)題,本文搭建了一套結(jié)合V-TDMA和H-TDMA特征的VH-TDMA,介紹了VH-TDMA系統(tǒng)的工作流程,加熱和加濕單元的實(shí)現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法;利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的氣溶膠校準(zhǔn)和驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性,最后利用該系統(tǒng)研究了淮河流域夏季氣溶膠的吸濕特性和混合態(tài)特征,為表征氣溶膠物理化學(xué)性質(zhì)提供了有效的技術(shù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置

VH-TDMA主要由粒徑選擇、粒子處理和粒譜測(cè)量3個(gè)部分組成,如原理圖1所示.

在粒徑選擇中,氣溶膠經(jīng)硅膠干燥管干燥到相對(duì)濕度(RH)低于10%,經(jīng)過(guò)荷電過(guò)程帶上正負(fù)電荷并達(dá)到近似的波爾茲曼電荷平衡分布,隨后帶電的多分散氣溶膠經(jīng)過(guò)差分電遷移率分析儀(DMA1, TSI Model 3081Long DMA)篩選獲得單分散的氣溶膠粒子,一部分進(jìn)入粒子處理部分,另外一部分進(jìn)入凝聚核粒子計(jì)數(shù)器(CPC1, TSI 3776)測(cè)量數(shù)濃度.

在粒子處理部分,根據(jù)氣溶膠處理過(guò)程,系統(tǒng)可以分為4種工作模式:(1)粒譜分析模式下,直接測(cè)量氣溶膠數(shù)濃度譜分布,可用于標(biāo)定DMA的誤差,也可用于計(jì)算該系統(tǒng)的透過(guò)率.(2)V- TDMA模式下,氣溶膠顆粒進(jìn)入加熱單元揮發(fā)處理,加熱單元溫度呈梯度分布(25,150,250,350℃)并保持穩(wěn)定,通過(guò)三通電磁閥切換樣氣的流向,同一時(shí)間流經(jīng)某一溫度的加熱爐,需要注意的是,應(yīng)盡量避免管道的彎折,減小粒子與管道壁、粒子之間的碰撞損耗.(3)H-TDMA 模式下,氣溶膠進(jìn)入加濕單元,RH可調(diào)范圍為10%~ 90%,RH可手動(dòng)設(shè)定為固定值,也可以設(shè)為自動(dòng)運(yùn)行從低到高自動(dòng)調(diào)節(jié)RH,每個(gè)RH點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行10min. (4)VH-TDMA模式下,氣溶膠粒子經(jīng)過(guò)加熱揮發(fā)處理之后再經(jīng)過(guò)加濕處理,加熱溫度分為4個(gè)梯度,并且可以實(shí)現(xiàn)快速的切換,RH范圍為10%~ 90%.

最后一部分為粒譜測(cè)量,DMA2和CPC2組成一套掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀(SMPS),利用不同粒徑的顆粒物帶電之后在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡(由電遷移率決定)的不同,通過(guò)差分電遷移率分級(jí)器將不同電遷移率的顆粒物分離,再通過(guò)冷凝顆粒物計(jì)數(shù)器(TSI-3776CPC) 分別計(jì)量相應(yīng)粒徑段的顆粒數(shù),得到顆粒物的粒徑譜分布.

1.1 加熱單元

加熱單元由4個(gè)并列垂直放置的預(yù)設(shè)定溫度的加熱管構(gòu)成.每個(gè)加熱管由內(nèi)徑14mm外徑18mm不銹鋼管組成,內(nèi)層填充保溫隔熱材料,加熱區(qū)域長(zhǎng)度為600mm,總長(zhǎng)度為800mm.氣溶膠粒子在加熱管內(nèi)駐留時(shí)間約為18s(長(zhǎng)度= 600mm),4個(gè)加熱爐的溫度可以設(shè)置為25~ 1000?C,其中第一根加熱管不加熱為機(jī)柜內(nèi)環(huán)境溫度(25?C).通過(guò)主控制系統(tǒng)控制三通電磁閥切換氣溶膠樣氣的流向可以實(shí)現(xiàn)氣溶膠揮發(fā)處理溫度的快速改變.在0.3L/min流速下測(cè)量加熱管(圖2)內(nèi)部不同區(qū)域?qū)嶋H溫度分布.

1.2 加濕單元

H-TDMA技術(shù)的關(guān)鍵是快速穩(wěn)定的控制氣溶膠的吸濕以及維持其測(cè)量時(shí)的RH.Nafion被廣泛用于氣體加濕(也可用于干燥處理),其加濕或干燥的驅(qū)動(dòng)力是管內(nèi)外的濕度差,并且會(huì)保留樣氣中的SO2、SO3、NO、NO2、HCl、HF、CO2等酸性無(wú)機(jī)氣體.由于Nafion是一種惰性材料,影響除濕效果的因素主要是壓強(qiáng)和溫度.

使用Nafion技術(shù)實(shí)現(xiàn)的加濕單元原理如圖3所示,使用DMA測(cè)量高RH條件下氣溶膠粒子的粒徑時(shí)應(yīng)該保證DMA高壓柱內(nèi)部鞘流的RH與樣氣一致,如果鞘氣RH高于樣氣,則會(huì)發(fā)生預(yù)潮解問(wèn)題,而當(dāng)鞘氣RH低于樣氣時(shí),則會(huì)出現(xiàn)氣溶膠粒徑變化小于當(dāng)前RH條件下粒徑應(yīng)該增長(zhǎng)的程度,甚至出現(xiàn)粒徑不增長(zhǎng)的情況(未達(dá)到潮解點(diǎn)),影響吸濕增長(zhǎng)因子值的計(jì)算和潮解點(diǎn)的判斷.所以同時(shí)對(duì)檢測(cè)氣溶膠粒徑的DMA2的鞘氣和樣氣的RH調(diào)節(jié),所使用的DMA機(jī)柜內(nèi)部存在熱交換器和泵等設(shè)備將會(huì)導(dǎo)致鞘流溫度和RH的改變,機(jī)柜出來(lái)通向高壓柱的鞘氣RH低于進(jìn)入DMA的樣氣的RH,但是高于DMA1篩選的待加濕的干燥下氣溶膠樣氣,因此將DMA2機(jī)柜出來(lái)的鞘氣作為加濕管1的鞘流對(duì)DMA1篩選的樣氣(RH<10%)進(jìn)行預(yù)加濕,這部分鞘氣隨后分為2路,一路經(jīng)干燥管干燥,另一部分經(jīng)加濕管加濕,通過(guò)改變這兩路氣體的流量比即可調(diào)節(jié)樣氣的RH,匯合兩路鞘氣作為加濕管2的鞘流對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)加濕的樣氣再次精確的加濕控制.RH1用于監(jiān)測(cè)進(jìn)入高壓柱前端鞘氣的相對(duì)濕度和溫度,RH2檢測(cè)經(jīng)過(guò)加濕管2加濕的樣氣的RH和溫度,這2個(gè)RH值應(yīng)保證一致.

H-TDMA技術(shù)中氣溶膠的粒徑對(duì)于溫度變化敏感,在高RH時(shí)1?C的溫度偏差即將導(dǎo)致RH 4%~6%的改變[5],使用密封柜隔絕與外界的熱交換,由于DMA2機(jī)柜內(nèi)有風(fēng)扇以及電壓等熱源,所以僅將高壓柱密封在密封柜內(nèi),絕熱柜外部包裹保溫棉,減少內(nèi)部空氣流動(dòng),并保證內(nèi)部溫度恒定.溫濕度檢測(cè)使用Rotronic HC2-S3氣象探頭,濕度探測(cè)范圍為0~100% RH, 濕度精度為±0.8%RH,溫度工作范圍為-20~ 50?C,溫度精度為±0.1?C.

2 數(shù)據(jù)處理

氣溶膠粒子的吸濕增長(zhǎng)能力一般使用吸濕生長(zhǎng)因子(HGF)表征,定義為給定RH條件下吸濕增長(zhǎng)的顆粒粒徑(DRH)與初始DMA1篩選的干燥條件下(RH<10%)顆粒粒徑(D10)之比:

HGF=DRH/D10(1)

為了減少液滴的曲率效應(yīng),利用科勒(K?hler)公式將RH轉(zhuǎn)換為水的活度(a).

RH=w·exp((4sol·water)/(··water·DRH)) (2)

式中:sol為液滴的表面張力, J/m2;water為水的摩爾質(zhì)量;為理想氣體常數(shù);為溫度, ℃;water為水的密度,g/cm3;DRH為液滴直徑,nm,液滴的表面張力取純水的表面張力為0.072J/m2.盡管液滴中的有機(jī)成分會(huì)減少表面張力,跟RH測(cè)量的不確定相比,a近似產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)[17].

定義揮發(fā)“生長(zhǎng)”因子(VGF)為經(jīng)過(guò)加熱爐揮發(fā)之后的粒徑(D10,T)與初始常溫干燥條件(25 ℃, RH<10%)下粒徑(D10,Tamb)之比:

VGF=D10,T/D10,Tamb(3)

由此揮發(fā)-吸濕生長(zhǎng)因子(VHGF)定義為:

VHGF=DRH,T/D10,T(4)

式中:DRH,T為初始粒徑為的氣溶膠顆粒物經(jīng)過(guò)溫度加熱爐揮發(fā)之后經(jīng)過(guò)RH%相對(duì)濕度環(huán)境加濕之后的粒徑,nm.

3 系統(tǒng)校準(zhǔn)與驗(yàn)證

3.1 氣溶膠揮發(fā)特性測(cè)量研究

3.1.1 氣溶膠透過(guò)效率 V-TDMA裝置的氣溶膠透過(guò)效率用于校正經(jīng)過(guò)DMA、電磁閥及連通氣路造成的粒子損耗.使用實(shí)驗(yàn)室氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生(Model 3076,TSI Inc.)氯化鈉(NaCl)顆粒,由于NaCl在比較寬的粒徑范圍內(nèi)都是熱穩(wěn)定的,其揮發(fā)溫度高達(dá)600℃,所以選擇氯化鈉粒子做校正實(shí)驗(yàn).使用標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生多分散的氯化鈉氣溶膠,經(jīng)DMA1篩選單分散氣溶膠粒子,一路經(jīng)CPC1測(cè)量數(shù)濃度1,另外一路經(jīng)過(guò)不同溫度加熱爐之后經(jīng)CPC2測(cè)量數(shù)濃度1,,即可得到不同溫度下粒子的透過(guò)率1,/1.由圖4可見(jiàn),小粒徑顆粒物比大粒徑顆粒物的損耗更嚴(yán)重,并且不同溫度下粒子損耗率也不一樣,因此實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果需要使用對(duì)應(yīng)溫度下對(duì)應(yīng)粒徑的透過(guò)率校準(zhǔn).

3.1.2 硫酸銨氣溶膠揮發(fā)特性測(cè)量 使用硫酸銨氣溶膠來(lái)測(cè)試VTDMA系統(tǒng),該測(cè)試的目的在于定義硫酸銨的揮發(fā)關(guān)于粒徑和加熱溫度的關(guān)系.圖5中,不同溫度的曲線為不同粒徑粒子的數(shù)濃度擬合曲線,高峰對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)表示氣溶膠顆粒的峰值,低峰是由于氣溶膠粒子多級(jí)帶電所致.隨著加熱溫度的升高,粒徑譜分布峰值向左有一定的偏移,并且數(shù)濃度降低.在350℃時(shí)粒徑譜分布幾乎為零,可見(jiàn)該溫度下硫酸銨粒子已經(jīng)幾乎揮發(fā)完全,當(dāng)然硫酸銨揮發(fā)溫度也可能在350℃之前,這與其他研究結(jié)果一致[22-23].

3.2 氣溶膠吸濕特性測(cè)量研究

(NH4)2SO4作為大氣氣溶膠無(wú)機(jī)化合物的主要成分,直接影響氣溶膠的吸濕特性,常被用于驗(yàn)證H-TDMA系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.實(shí)驗(yàn)使用超純水(18.2MΩ)和(NH4)2SO4(Sigma-aldrich,399.0%)配置1g/L稀釋溶液,使用標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器(TSI 3076)產(chǎn)生氣溶膠粒子,使用系統(tǒng)H-TDMA模式測(cè)量(NH4)2SO4的吸濕特性,數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到吸濕生長(zhǎng)因子HGF和擴(kuò)展-無(wú)機(jī)氣溶膠熱力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果曲線如圖6所示.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在RH<75%情況下,氣溶膠吸濕生長(zhǎng)因子(HGF)維持在1.0附近,生長(zhǎng)狀態(tài)不明顯,當(dāng)RH達(dá)到80%開(kāi)始,(NH4)2SO4氣溶膠生長(zhǎng)因子驟然變大,呈現(xiàn)躍遷趨勢(shì),此時(shí)HGF為1.45±0.02,表明(NH4)2SO4發(fā)生潮解,粒子瞬間吸收周圍環(huán)境中大量的水分,導(dǎo)致氣溶膠質(zhì)量和粒徑都發(fā)生明顯增大.當(dāng)RH到達(dá)90%時(shí),HGF達(dá)到1.75± 0.02.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論曲線基本重合,與國(guó)內(nèi)外已報(bào)道的研究結(jié)果吻合較好[23-24].

4 外場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

使用VH-TDMA于2016年6、7月在安徽省壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)對(duì)氣溶膠光學(xué)和物化特性的聯(lián)合觀測(cè),研究了淮河流域夏季氣溶膠的吸濕特性和含碳?xì)馊苣z的混合態(tài)變化規(guī)律.

4.1 實(shí)際大氣不同粒徑氣溶膠吸濕特性

使用H-TDMA研究了在高RH(90±2)%RH條件下實(shí)際大氣氣溶膠的吸濕特性,選定了5個(gè)粒徑段(50,100,150,200,250nm)氣溶膠循環(huán)經(jīng)過(guò)90%RH加濕處理,統(tǒng)計(jì)得到各粒徑平均吸濕生長(zhǎng)因子如圖7所示,HGF隨著粒徑的增大明顯上升,HGF與粒徑呈正相關(guān)關(guān)系,對(duì)應(yīng)50nm時(shí)HGF為1.23±0.10,而250nm時(shí)HGF增加為1.50±0.14,這是由于可溶性無(wú)機(jī)鹽隨著粒徑的增大所占的比重也在增大,并且粒徑的增大過(guò)程伴隨著氣溶膠的老化以及可吸濕性物質(zhì)的增加.這與Achtert等[25]測(cè)量的華北平原顆粒物吸濕性結(jié)果相吻合,粒徑大于100nm的積聚模態(tài)粒子吸濕性遠(yuǎn)大于100nm以下粒徑的愛(ài)根核模態(tài)顆粒物,同時(shí)化學(xué)分析確定積聚模態(tài)顆粒物的HGF與顆粒物中硫酸銨離子含量呈顯著相關(guān).

4.2 實(shí)際大氣氣溶膠混合態(tài)研究

該實(shí)驗(yàn)研究實(shí)際大氣中含碳?xì)馊苣z的混合態(tài),使用V-TDMA原位測(cè)量在25~300℃溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)單分散氣溶膠非揮發(fā)性內(nèi)核的尺度分布譜,一般認(rèn)為氣溶膠經(jīng)過(guò)300℃加熱之后剩余的非揮發(fā)性顆粒為黑碳,根據(jù)Wehner等[26]對(duì)于內(nèi)外混合氣溶膠的分類,定義含碳?xì)馊苣z的混合態(tài)衡量因子in為內(nèi)外混合粒子數(shù)之比:

in=in/(in+ex) (5)

對(duì)實(shí)驗(yàn)期間晴朗天氣下所選100nm粒徑氣溶膠混合因子統(tǒng)計(jì)得到日變化趨勢(shì)(圖8),氣溶膠混合態(tài)的日變化規(guī)律反映了氣溶膠粒子的老化和新粒子排放的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程,除了區(qū)域傳輸以外,當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)的不完全燃燒和機(jī)動(dòng)車排放是含碳?xì)馊苣z的主要貢獻(xiàn)源,因此in的低峰指出現(xiàn)在早7:00和傍晚17:00,分別達(dá)到0.66±0.06和0.68± 0.05,白天由于老化過(guò)程以及光化學(xué)反應(yīng)等的影響,in高峰值出現(xiàn)在中午14:00,達(dá)到0.73±0.08.

實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)的性能可靠,集成度高,操作簡(jiǎn)單,滿足實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)氣溶膠揮發(fā)和吸濕性的相關(guān)研究的需要,作為研究氣溶膠理化性質(zhì)的基礎(chǔ)平臺(tái),還可以結(jié)合其他技術(shù)測(cè)定氣溶膠經(jīng)過(guò)熱脫附和吸濕之后的質(zhì)量、光學(xué)吸收和散射系數(shù)、特征譜帶吸收峰和形貌等關(guān)鍵參數(shù),對(duì)于我國(guó)霧霾形成過(guò)程中氣溶膠理化特性的研究具有重要意義.

5 結(jié)論

5.1 搭建了一套揮發(fā)性吸濕性-串聯(lián)差分電遷移率分析儀(VH-TDMA)裝置,用于氣溶膠揮發(fā)和吸濕性分析處理.揮發(fā)性測(cè)量單元,可獲得氣溶膠在常溫25?C~350?C溫度梯度分布下的氣溶膠尺寸分布;吸濕性測(cè)量單元可調(diào)節(jié)加濕范圍為10%~90% RH,濕度精度可達(dá)1%以內(nèi).

5.2 實(shí)驗(yàn)室發(fā)生氣溶膠對(duì)系統(tǒng)透過(guò)率校準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)小粒徑顆粒物比大粒徑顆粒物的損耗更嚴(yán)重,得到不同溫度下不同粒徑氣溶膠的透過(guò)效率,使用硫酸銨和氯化鈉氣溶膠粒子驗(yàn)證了V-TDMA子系統(tǒng)的性能,并且使用硫酸銨氣溶膠粒子驗(yàn)證了H-TDMA子系統(tǒng)的可靠性.

5.3 使用該系統(tǒng)外場(chǎng)觀測(cè)研究了我國(guó)淮河流域壽縣地區(qū)的氣溶膠吸濕特性和黑碳?xì)馊苣z的混合態(tài),該地區(qū)氣溶膠吸濕生長(zhǎng)因子與粒徑呈正相關(guān)關(guān)系,100nm黑碳?xì)馊苣z的混合態(tài)呈現(xiàn)明顯的日變化趨勢(shì).

[1] Kanakidou M, Seinfeld J H, Pandis S N, et al. Organic aerosol and global climate modelling: a review [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2005,5(4):1053-1123.

[2] McFiggans G, Artaxo P, Baltensperger U, et al. The effect of physical and chemical aerosol properties on warm cloud droplet activation [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2006,6(9): 2593-2649.

[3] Ervens B, Turpin B J, Weber R J. Secondary organic aerosol formation in cloud droplets and aqueous particles (aqSOA): a review of laboratory, field and model studies [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2011,11(21):11069-11102.

[4] Ervens B, Wang Y, Eagar J, et al. Dissolved organic carbon (DOC) and select aldehydes in cloud and fog water: the role of the aqueous phase in impacting trace gas budgets [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013,13(10):5117-5135.

[5] Massling A, Niedermaier N, Hennig T, et al. Results and recommendations from an intercomparison of six Hygroscopicity- TDMA systems [J]. Atmospheric Measurement Techniques Discussions, 2010,3(1):637-674.

[6] Swietlicki E, Hansson H C, H?meri K, et al. Hygroscopic properties of submicrometer atmospheric aerosol particles measured with H-TDMA instruments in various environments—A review [J]. Tellus B, 2008,60(3):432-469.

[7] 李 琦,銀 燕,顧雪松,等.南京夏季氣溶膠吸濕增長(zhǎng)因子和云凝結(jié)核的觀測(cè)研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(2):337-346.

[8] 姚 青,蔡子穎,韓素芹,等.天津冬季相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠濃度譜分布和大氣能見(jiàn)度的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(3): 596-603.

[9] 王 軒,陳建華,耿春梅,等.北京冬季氣溶膠吸濕性的觀測(cè)與分析 [J]. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào), 2014,31(3):322-328.

[10] Hu D, Chen J, Ye X, et al. Hygroscopicity and evaporation of ammonium chloride and ammonium nitrate: Relative humidity and size effects on the growth factor [J]. Atmospheric Environment, 2011,45(14):2349-2355.

[11] Wu Z J, Nowak A, Poulain L, et al. Hygroscopic behavior of atmospherically relevant water-soluble carboxylic salts and their influence on the water uptake of ammonium sulfate [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2011,11(24):12617-12626.

[12] 鄭曉宏,胡長(zhǎng)進(jìn),潘 剛,等.苯乙烯-臭氧反應(yīng)產(chǎn)生的二次有機(jī)氣溶膠的吸濕性研究 [J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào), 2012,7(4):254-262.

[13] Liu Q, Jing B, Peng C, et al. Hygroscopicity of internally mixed multi-component aerosol particles of atmospheric relevance [J]. Atmospheric Environment, 2016,125:69-77.

[14] Peng C, Jing B, Guo Y C, et al. Hygroscopic behavior of multicomponent aerosols involving NaCl and dicarboxylic acids [J]. The Journal of Physical Chemistry A, 2016,120(7):1029-1038.

[15] Orsini D A, Wiedensohler A, Stratmann F, et al. A new volatility tandem differential mobility analyzer to measure the volatile sulfuric acid aerosol fraction [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1999,16(6):760-772.

[16] Cheng Y F, Su H, Rose D, et al. Size-resolved measurement of the mixing state of soot in the megacity Beijing, China: diurnal cycle, aging and parameterization [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2012,12(10):4477-4491.

[17] Paulsen D, Weingartner E, Alfarra M R, et al. Volatility measurements of photochemically and nebulizer-generated organic aerosol particles [J]. Journal of Aerosol Science, 2006, 37(9):1025-1051.

[18] Biswas S, Verma V, Schauer J J, et al. Oxidative potential of semi-volatile and non volatile particulate matter (PM) from heavy-duty vehicles retrofitted with emission control technologies [J]. Environmental Science & Technology, 2009,43(10):3905-3912.

[19] Philippin S, Wiedensohler A, Stratmann F. Measurements of non-volatile fractions of pollution aerosols with an eight-tube volatility tandem differential mobility analyzer (VTDMA-8) [J]. Journal of Aerosol Science, 2004,35(2):185-203.

[20] Villani P, Picard D, Michaud V, et al. Design and validation of a volatility hygroscopic tandem differential mobility analyzer (VH- TDMA) to characterize the relationships between the thermal and hygroscopic properties of atmospheric aerosol particles [J]. Aerosol Science and Technology, 2008,42(9):729-741.

[21] Leskinen A P, Jokiniemi J K, Lehtinen K E J. Transformation of diesel engine exhaust in an environmental chamber [J]. Atmospheric Environment, 2007,41(39):8865-8873.

[22] Brooks B J, Smith M H, Hill M K, et al. Size-differentiated volatility analysis of internally mixed laboratory-generated aerosol [J]. Journal of Aerosol Science, 2002,33(4):555-579.

[23] Gysel M, Weingartner E, Baltensperger U. Hygroscopicity of aerosol particles at low temperatures. 2.Theoretical and experimental hygroscopic properties of laboratory generated aerosols [J]. Environmental Science & Technology, 2002,36(1):63-68.

[24] Wise M E, Surratt J D, Curtis D B, et al. Hygroscopic growth of ammonium sulfate/dicarboxylic acids [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2003,108(D20):4638-4645.

[25] Achtert P, Birmili W, Nowak A, et al. Hygroscopic growth of tropospheric particle number size distributions over the North China Plain [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2009,114(D2),D00G07.

[26] Wehner B, Berghof M, Cheng Y F, et al. Mixing state of nonvolatile aerosol particle fractions and comparison with light absorption in the polluted Beijing region [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2009,114D00G17.

Development of a Volatility Hygroscopic Tandem Differential Mobility Analyzer (VH-TDMA) for the measurement of aerosol thermal and hygroscopic properties.

QIAN Xiao-dong1,2, ZHANG Qi-lei1,2, XU Xue-zhe1,2, FANG Bo1, ZHAO Wei-xiong1, BAO Jian1, ZHANG Wei-jun1*

(1.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China；2.University of Science and Technology, Hefei 230026, China).

A volatility hygroscopic tandem differential mobility analyzer (VH-TDMA) was developed and used to measure and research the actual aerosol hygroscopic and thermal properties. The heating unit equipped with four symmetric heating tubes worked at 25?C, 150?C, 250?C and 350?C, respectively. With rapid switching of the samples between different heating tubes, a higher temporal resolution could be achieved compared to regular V-TDMA. The humidification unit humidified the aerosol sample by using Nafion tubes. The relative humidity (RH) of the sample was controlled within the range of 10% to 90% with an accuracy of 1%.The particle loss and the accuracy of the developed system were evaluated with laboratory generated sodium chloride and ammonium sulfate samples. The measured results were in good agreement with those literature reported values, which confirmed that the developed VH-TDMA system was suitable for accuracy measurement of the hygroscopic and thermal properties of atmospheric aerosols. Field application of the system was carried out at the Shouxian National Climate Observatory in Anhui Province. The hygroscopic properties and volatilization characteristics of summer aerosol were studied. The results showed a positive correlation between the aerosol hygroscopic growth factor and particle size, and a pronounced diurnal cycle of the mixing state of the carbonaceous aerosol was observed.

VH-TDMA；aerosol；relative humidity；volatile temperature

X513

A

1000-6923(2017)04-1269-07

2016-08-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41330424);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201406039);安徽省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1508085J03)

錢小東(1987-),男,安徽蕪湖人,中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院博士研究生,主要從事氣溶膠檢測(cè)儀器研制與氣溶膠吸濕和揮發(fā)特性研究.發(fā)表論文2篇.

* 責(zé)任作者, 研究員, wjzhang@aiofm.ac.cn

, 2017,37(4)：1269~1275