左旋葡萄糖大氣降解過程的煙霧艙模擬

《左旋葡萄糖大氣降解過程的煙霧艙模擬》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由胡啟後擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：左旋葡萄糖大氣降解過程的煙霧艙模擬
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡啟後
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

左旋葡萄糖作為生物質燃燒的標誌物具有來源單一、明確的優點，常被用於評估生物質燃燒對氣溶膠的貢獻。這些評估都基於一個假設:左旋葡萄糖在大氣中足夠穩定。但事實上左旋葡萄糖與大氣氧化劑特別是氫氧(OH)自由基的反應並不能被忽略。因此對左旋葡萄糖大氣降解速率的了解將有助於更好地評價生物質燃燒的貢獻。然而左旋葡萄糖的降解速率還受到環境條件的影響，前人研究得出的左旋葡萄糖與OH自由基的反應速率常數變化範圍也很大。並且一些研究以水溶液中或固態薄膜上的左旋葡萄糖作為樣品，並不能完全代表真實大氣中的左旋葡萄糖氣溶膠。本項目擬用左旋葡萄糖純顆粒和生物質燃燒煙氣作為原料，以環境空氣為稀釋氣體，並控制實驗條件，在煙霧艙中模擬左旋葡萄糖的大氣降解過程，預期獲得具有代表性的左旋葡萄糖與OH自由基的反應速率常數以及速率常數隨溫度、濕度和混合狀態的變化規律，並嘗試識別左旋葡萄糖的降解產物，了解左旋葡萄糖在大氣中的歸宿。

結題摘要

生物質燃燒會釋放大量的氣體和氣溶膠到大氣中，對大氣化學性質和空氣品質都有重要影響。為評估生物質燃燒對氣溶膠的貢獻，常常需要對能夠指示其來源的標誌物進行測定。左旋葡萄糖來自纖維素和半纖維素的高溫分解，是新發展的用來指示生物質燃燒氣溶膠的分子標誌物。與傳統的標誌物相比，它具有來源單一、明確的優點。但左旋葡萄糖在大氣傳輸過程中的穩定性存在很大的爭議，會給生物質燃燒的貢獻評估帶來不確定性。本項目利用煙霧艙實驗研究左旋葡萄糖在大氣中的穩定性，從而為評估基於左旋葡萄糖的生物質燃燒貢獻和來源解析及其不確定性評估提供理論依據。本研究採用開放燃燒的方式燃燒水稻、玉米、高粱和小麥的秸稈，利用內壁拋光銅管作為管線，利用真空隔膜泵作為動力將燃燒煙氣引入煙霧艙的反應器中，在溫度25℃，相對濕度50%和<5%的條件下開展大氣老化實驗，並檢測顆粒相左旋葡萄糖在高分辨飛行時間氣溶膠質譜儀（HR-TOF-AMS）中的質譜信號C2H4O2 (m/z 60)、C3H5O2 (m/z 73)以及氣態左旋葡萄糖在高分辨質子轉移飛行時間質譜儀（HR-PTR-ToF-MS）中的質譜信號C4H5O+ (m/z 69)、C5H9O+ (m/z 85)、C5H5O2+(m/z 97)，計算左旋葡萄糖與OH自由基的反應速率常數。研究發現露天秸稈燃燒的一次氣溶膠中測量到的f60值範圍低於其他野外觀測值的水平。由於左旋葡萄糖屬於半揮發性的物質，本實驗中高稀釋比導致大量的顆粒態左旋葡萄糖揮發進入氣相，而顆粒相中的左旋葡萄糖在光化學反應實驗中並沒有明顯的減少，並且在相對濕度50%和<5%兩種條件下表現出相似的特徵。而氣態左旋葡萄糖的三個離子信號均隨著光化學反應的進行顯著減少，表明左旋葡萄糖並非通過顆粒相與OH自由基的非均相反應降解，而是通過揮發的左旋葡萄糖蒸氣與OH自由基之間的氣相反應發生降解。氣態左旋葡萄糖與OH自由基的反應速率範圍為4.0×10-13~9.3×10-13 cm3 molecule-1 s-1，在北半球中緯度白天典型的大氣環境條件下的大氣壽命範圍是12.5~29天。左旋葡萄糖在大氣中相對穩定，使用左旋葡萄糖作為生物質燃燒的標誌物解析氣溶膠的來源不會產生顯著的誤差。