有機氣溶膠的熱力學(xué)和動力學(xué)研究是大氣氣溶膠的前沿研究領(lǐng)域,核心問題之一就是非理想混合,其中包括(1)揮發(fā)性,(2)液-液相分離,(3)非平衡傳質(zhì)動力學(xué)。本文針對這些問題,建立了激光懸浮氣溶膠單顆粒系統(tǒng),獲得腔增強受激拉曼光譜,研究有機及其與無機混合體系氣溶膠的吸濕性、揮發(fā)性、水傳質(zhì)動力學(xué)、體相黏度、液-液相分離過程、風(fēng)化成核過程,取得如下結(jié)果:1.半揮發(fā)性有機體系揮發(fā)性與吸濕性針對半揮發(fā)性有機物(SVOC)飽和蒸汽壓和蒸發(fā)焓測量問題,選取四種飽和二元羧酸(n=2,3,4,5),以及順丁烯二酸,檸檬酸,甘油,1,2,6-己三醇二元等體系,利用單光束光鑷懸浮這些有機體系的氣溶膠液滴,在RH連續(xù)改變條件下,獲得時間分辨的受激拉曼光譜,根據(jù)米氏散射理論,擬合得到對應(yīng)RH條件下的氣溶膠液滴的尺寸、折射率及其濃度,利用穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)模型Maxwell公式,根據(jù)實驗條件(RH)變化對吸濕、揮發(fā)的影響,同時求解出上述體系中SVOC的飽和蒸氣壓,及吸濕曲線。進一步通過測量不同溫度下SVOC的飽和蒸氣壓,獲得了蒸發(fā)焓數(shù)據(jù)。本方法可以實現(xiàn)10~(-7)Pa-10~(-2) Pa范圍內(nèi)SVOC飽和蒸汽壓的測量。2.有機/無機混合體系單顆粒液-液相分離過程利用單光束光鑷捕獲聚乙二醇/硫酸銨體系和六碳二元羧酸混合物/硫酸銨體系氣溶膠液滴。通過擬合獲得的受激拉曼光譜獲得時間分辨的顆粒半徑,折射率和表面形貌。對有機/無機混合體系的液相-液相分離過程的相關(guān)RH與氣溶膠顆粒形貌進行了直接表征。從受激拉曼光譜的峰形,液滴尺寸與折射率的變化可以判斷相分離的發(fā)生時刻。本研究獲得的相分離RH比之前利用顯微成像方法的相關(guān)研究報道的要高((35)SRH≤4%)。通過本研究可以觀察到核殼結(jié)構(gòu)與兩相交錯結(jié)構(gòu)的形成。同一液滴在升濕度和降濕度過程中分別獲得的相分離RH基本一致(誤差±0.13%),而不同液滴獲得的相分離RH會存在較小的區(qū)別(±2%)。3.非平衡傳質(zhì)動力學(xué)過程以膠態(tài)硫酸鎂顆粒為模型,開展了非平衡傳質(zhì)動力學(xué)過程研究。利用單光束光鑷探究了硫酸鎂液滴的水分傳質(zhì)過程。從實驗中獲得了不同RH間的液滴顆粒尺寸變化,并推導(dǎo)了水分?jǐn)U散系數(shù)。在RH低于膠態(tài)形成濕度(RH40%)時,測得的水分傳質(zhì)擴散系數(shù)D在10~(-16)-10~(-15) m~2 s~(-1)之間。同時探究了在極低濕度(RH=10%)下不同停留時間形成的膠態(tài)結(jié)構(gòu)對水的傳質(zhì)動力學(xué)的影響。長時間停留(180 min)與短時間停留(30min)所獲得的擴散系數(shù)結(jié)果會相差2-3倍,說明由于不同的停留時間導(dǎo)致液滴內(nèi)膠態(tài)形成的程度不同,在溶脹過程中對水分的傳質(zhì)阻礙程度也不同。以玻璃態(tài)蔗糖顆粒為模型,開展了非平衡傳質(zhì)動力學(xué)過程研究。通過利用單光束光鑷捕獲蔗糖-丙二酸氣溶膠顆粒,采集拉曼光譜并得到顆粒的實時尺寸,組分信息。利用Kohlrausch-Williams-Watts公式對半徑階躍進行擬合,獲得了水分傳質(zhì)擴散系數(shù)D。D在整個RH范圍間跨越了大約7個數(shù)量級,RH為0%時D的外推結(jié)果約為2.88×10~(-16) m~2 s~(-1)。同樣,整個RH范圍下的體相黏度相差大約9個數(shù)量級。通過Maxwell方程獲得的不同RH(10%-60%)下的丙二酸表觀飽和蒸氣壓相差大約2個數(shù)量級。這說明在較低濕度下由于體相傳質(zhì)受阻間接導(dǎo)致?lián)]發(fā)速率變慢,表觀飽和蒸氣壓降低。4.糖類與糖類/無機鹽混合體系的黏度以糖類體系和不同比例蔗糖-氯化鈉顆粒為模型,開展了對低濕度下液滴黏度的測量。通過全息光鑷系統(tǒng)捕獲雙液滴并誘導(dǎo)其發(fā)生碰并,并記錄顆粒碰并過程的弛豫時間,探究表面張力和體相黏度。對糖類和不同比例蔗糖-氯化鈉的黏度性質(zhì)和隨組分的變化趨勢進行表征。對于研究中的四種糖類(蔗糖,葡萄糖,棉子糖,海藻糖),30%-100%的RH范圍內(nèi)對應(yīng)的黏度范圍約為10~7 Pa·s-10~(-3) Pa·s,不同糖類隨RH變化的黏度結(jié)果比較接近。對于蔗糖/氯化鈉體系,體系黏度隨著氯化鈉參與的增多而減小。當(dāng)蔗糖與氯化鈉的摩爾比從4:1逐漸減小到1:4時,對應(yīng)50%-100%RH范圍的黏度范圍從10~2 Pa·s-10~(-3) Pa·s縮小至10~(-1) Pa·s-10~(-3) Pa·s。5.無機/有機體系異相成核過程利用傅立葉紅外-衰減全反射紅外光譜系統(tǒng)(FTIR-ATR)對分散于硒化鋅基底上的硫酸銨或硫酸銨/甘油顆粒的降濕度過程進行了研究。隨著RH線性變化收集液滴中硫酸銨的時間分辨高信噪比紅外光譜。由RH線性下降過程中銨離子異面彎曲振動帶的峰形與面積變化推算了異相成核速率,并進一步推導(dǎo)了硫酸銨/甘油顆粒的成核吉布斯自由能。55-35%RH對應(yīng)的成核速率在10~6-10~(11) m~(-2) s~(-1)的水平。成核速率結(jié)果表明在整個過飽和區(qū)域中,硫酸銨/甘油液滴的成核過程比硫酸銨液滴稍慢,硫酸銨/甘油體系的風(fēng)化濕度區(qū)域也會隨甘油所占比例的增大稍微增大。純硫酸銨體系的成核吉布斯自由能是硫酸銨與甘油摩爾比1:1的混合體系的成核吉布斯自由能的約2.5倍。
【學(xué)位單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：O648.18;X513;X831
【部分圖文】：

北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文第一章 緒論 氣溶膠簡介溶膠是一種由分散相和分散介質(zhì)組成的分散體系。分散相可能是固體顆散介質(zhì)為氣體，所以氣溶膠也被稱為氣體分散體系。在大氣科學(xué)中一般分散介質(zhì)的分散相稱為大氣氣溶膠，簡稱氣溶膠。圖 1.1 顯示了氣溶膠顆寸與沉降速度上的分類與分布。氣溶膠在大氣物理化學(xué)，膠體科學(xué)，藥等相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域都起著重要的作用。

圖 1.4 2013 年 9 月 25-29 日氣溶膠成核生長情況。(a) 大氣氣溶膠顆粒的尺寸分布；(b) PM2.5總質(zhì)量(實線)、平均尺寸(虛線)和化學(xué)組成；(c) 北京市氣溶膠的各種化學(xué)組分與來源所占比例。近年來，隨著全球經(jīng)濟和工業(yè)化的的迅猛發(fā)展，人類活動與周圍環(huán)境間的矛盾也在增強增加。工廠、現(xiàn)代化的交通工具、化石燃料的燃燒向大氣中不斷的排放越來越多的有害元素和氣體，這些有害物質(zhì)經(jīng)過各種物理、化學(xué)過程后深刻的影響著人類的健康生存環(huán)境的安全。霧霾治理是世界性難題，我國又是全球霧霾污染最嚴(yán)重的國家之一，雖然西方世界關(guān)于霧霾的研究和治理已有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗，但他們的治理時間都較長，并且我國的霧霾又常表現(xiàn)出和他們具有不同的特點。目前我國已有 74 個城市可以實時發(fā)布 PM2.5 的相關(guān)監(jiān)測。我國城市實時發(fā)布 PM2.5的相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測表明，PM2占 PM10數(shù)值的 50%以上，而大城市的比例可高達 70%[15]，尤其是首都北京已經(jīng)成為細顆粒物污染重災(zāi)區(qū)。2013 年 1 月 13 日，北京 PM2.5局部地區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)逼近 1000 m-3，能見度不足 100 m。在 2014 年二月中旬持續(xù)一周的重度霧霾其間，霧霾覆蓋京津唐河北等中東部地區(qū)面積約 121 萬平方公里，其中霧霾較重面積約 85 萬平方公里，

北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文進入緩慢增長或平穩(wěn)增長的疊加期，大氣中氣溶膠粒子的粒徑性。細顆粒物爆發(fā)式增長的過程具有極其的復(fù)雜性，表現(xiàn)在：含無機鹽，以硝酸鹽和硫酸鹽為主，也包含大量揮發(fā)性有機物占比例高達 50-80%，還有起關(guān)鍵催化作用的礦物組分、黑炭如 SO2轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，既可能有氣相轉(zhuǎn)化過程，也可能有液相可能存在 NOx與 SO2協(xié)同轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和硝酸鹽的過程；(3物中存在固相、液相、玻璃態(tài)、膠態(tài)等；(4)吸濕性特異，多組參與 VOC 氧化過程，導(dǎo)致吸濕過程中同時包含物理過程和化分子的催化機制。氣氣溶膠的健康效應(yīng)

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 郭鳳霞;戚俊;;2009年11月13日至12月19日北京氣溶膠吸收特性分析[J];氣象;2018年07期

2 李德平;程興宏;孫治安;王黎明;張本志;張?zhí)烀?;北京不同區(qū)域氣溶膠輻射效應(yīng)[J];應(yīng)用氣象學(xué)報;2018年05期

3 趙俊芳;姜月清;詹鑫;孔祥娜;;我國氣溶膠污染對農(nóng)作物影響研究進展[J];氣象科技進展;2018年05期

4 謝波;熊旺;胡勝;龍興貴;;钚氣溶膠的形成機理[J];輻射防護通訊;2017年04期

5 祝好;王永前;陶金花;張自力;王子峰;曾巧林;陳良富;;基于氣象要素的氣溶膠吸濕增長分析:以浙江省為例[J];氣候與環(huán)境研究;2019年02期

6 莫招育;楊俊超;劉慧琳;陳志明;黎永珊;李宏姣;梁桂云;黃炯麗;朱開顯;林華;張達標(biāo);;桂林市春季氣溶膠及常規(guī)氣體消光特征研究[J];環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù);2019年03期

7 曹艷華;葉小峰;阮啟亮;劉立群;段學(xué)禮;;東亞地區(qū)春冬季氣溶膠化學(xué)成分特性的數(shù)值模擬分析[J];井岡山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2010年02期

8 王吉明;曹艷華;葉小峰;駱世娟;阮啟亮;劉立群;段藝萍;;東亞地區(qū)氣溶膠化學(xué)成分特性分析及數(shù)值模擬研究[J];江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報;2010年01期

9 朱思虹;張華;衛(wèi)曉東;楊冬冬;;不同污染條件下氣溶膠對短波輻射通量影響的模擬研究[J];氣象學(xué)報;2018年05期

10 巫俊威;趙胡笳;楊東;魏W

本文編號：2831732