溫度升高對氣相和氣溶膠相化學影響獲揭示

中國科學院廣州地球化學研究所研究員胡偉偉團隊針對當下世界主流商業化用于探究大氣二次生成的氧化流動管（potential aerosol mass-oxidation flow reactor，PAM-OFR）中的溫度場進行了系統性測量，綜合研究了不同因素對PAM-OFR中溫度的影響，并提出了簡便可行的控溫措施。相關成果近日發表于《大氣測量技術》（Atmospheric Measurement Techniques）。

（a）氧化流動反應器（PAM-OFR，Aerodyne Research Inc.）實物圖;（b）PAM-OFR示意圖。研究團隊供圖

“之前的研究中，PAM-OFR中因為紫外燈管導致反應環境升溫的問題一直被研究者們忽視。”論文第一作者、中國科學院廣州地球化學研究所博士研究生潘天樂表示，溫度是氣體擴散和氣固分配的關鍵參數，其升高會對二次有機氣溶膠的理化性質如產率、粒徑分布、分子組成、揮發性分布等產生影響。PAM-OFR中的升溫問題如何影響流體以及氣相和顆粒物化學反應，仍缺乏綜合性的測量與評估。該問題是準確地使用PAM-OFR模擬前體物的氧化過程、減少因溫度帶來模擬不確定性的關鍵。

該研究發現PAM-OFR內溫度受到燈管的影響，隨不同測量位置而變化，燈電壓越高、燈數量越多、停留時間越長，PAM-OFR中升溫越高，燈光波長類型對PAM-OFR溫度影響不大。在典型的PAM-OFR操作條件下, 如低氮氧化合物條件下，OH自由基等效大氣老化時間<5天，PAM-OFR內溫度升高通常小于5℃。在老化時間較長時，PAM-OFR內溫度的升高甚至超過15℃。

研究人員通過實驗室測量、流體動力學模型和盒子模型計算等分別評估了溫度升高對PAM-OFR內的流場、氣相和氣溶膠相化學的影響。研究發現溫度升高會降低流體的平均停留時間，增加湍流。PAM-OFR的升溫對氣相化學反應中的自由基濃度等影響不大，主要因為相關氣相反應速率對該溫度區間變化的敏感性較低。但PAM-OFR通過影響停留時間對自由基暴露量影響較大。

溫度的升高對氣溶膠相化學的影響大于對氣相的影響。盒子模型的模擬結果表明，當PAM-OFR中的溫度升高5℃時，四種典型前體物（正十二烷、α-蒎烯、甲苯和間二甲苯）的二次有機氣溶膠產率在高氮氧化合物條件下可降低<20%，在低氮氧化合物條件下降低<10%。隨著溫度的升高，更多氧化產物被分配到氣相，二次有機氣溶膠的粒徑分布也顯著減小，而氧碳比（O∶C）則增加。這表明了溫度對二次有機氣溶膠形成的實質性影響，并強調了在使用PAM-OFR進行氣溶膠生成演化研究時考慮溫度影響的必要性。

論文通訊作者胡偉偉表示，團隊通過計算發現，PAM-OFR中的熱量主要通過流動管金屬腔體散發。基于該發現，研究人員提出了減少PAM-OFR內溫度升高的兩點建議：一是在進行氧化流動反應器相關實驗時，在氧化流動反應器外部使用風扇增加腔體的散熱，這是減少氧化流動反應器內溫度升高的有效方法；二是在進行不同老化時間下的連續氧化模擬時，以往常用單調變化的電壓設置，應改為高低電壓交替變化的設置方式來減少不同電壓間的溫度變化。

上述研究得到國家重點研發計劃項目青年科學家計劃、國家自然科學基金委基金和廣東省珠江人才項目、科技研究基金的聯合資助。

相關論文信息：https://doi.org/10.5194/amt-17-4915-2024