发布日期 2020-01-29

前沿科技|中科院科学家研究揭示家用燃煤排放棕色碳的化学和吸光性特征

原标题:前沿科技 | 中科院科学家研究揭示家用燃煤排放棕色碳的化学和吸光性特征

棕色碳(Brown Carbon,BrC)是大气气溶胶中一类在紫外-可见光波段具有较强光吸收,且其吸光特性呈现显著的波长依赖性的有机碳组分,广泛存在于气溶胶、云、雾和雨水等介质中。作为重要的大分子有机质,BrC不仅可以直接吸收和散射太阳辐射,影响地球的能量收支平衡,还可以影响颗粒的吸湿性生长,云凝结核和冰核形成,从而大气环境和气候变化。另外这类大分子有机质还会诱导产生活性氧物质,对人类健康产生很大危害。

大气BrC的来源很多,其中生物质和化石燃料燃烧被认为是最主要的一次排放源。长期以来,我国都是以煤炭资源为主要燃料的能源结构,根据中国国家统计局(2016)的数据,煤炭消耗量(4000Tg)占中国总能源的68%,其中93Tg煤用于冬季和全年做饭的家用燃料( NBSC , 2016)。家用燃煤的大范围使用导致大量的污染物排放,受到了相关专家的高度关注并开展了很多研究。然而这些工作主要集中在燃煤排放的有机碳、黑碳和多环芳烃等污染物,对燃煤排放BrC的研究则比较缺乏,对其排放特征认识不深。近期中国科学院科学家团队——广州地球化学研究所彭平安团队副研究员宋建中、博士李美菊选用不同成熟度燃煤(散煤和蜂窝煤),在家用煤炉进行燃烧并采集排放的颗粒物样品,对样品中不同BrC组分(水溶性有机碳(WSOC)、水溶性类腐殖质(HULIS w )、碱溶性有机质(ASOC)、甲醇溶解有机质(MSOC)的含量、化学和光学特征等进行系统研究,取得以下认识:

(1)家用煤的燃烧是大气棕色碳的重要排放源,其含量和吸光性特征主要受燃煤成熟度的影响,而煤的形状则影响不大。在本研究中,不同的BrC组分如WSOC、HULIS w 、ASOC含量均随着煤成熟度的增加显示一个“哑铃型”的变化趋势(图1)。另外,不同BrC组分的吸收光谱特性与燃煤的成熟度具有直接的相关性,例如低成熟度燃煤排放的WSOC和MSOC组分具有相对较低的吸光能力。研究还发现,不同溶解性质的BrC组分的光学性质也具有较大差异,与WSOC相比,ASOC和MSOC均具有较低的AAE值和较高的SUVA 254 和MAE 365 值,表明后者具有较低的波长依赖性和更强的芳香性和光吸收能力。

(2)进一步利用傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR MS)研究了WSOC和MSOC组分的分子特征,探讨了煤的成熟度对排放物质分子组成的影响以及有机质分子结构与吸光性的关系。研究发现,家用煤燃烧来源WSOC和MSOC均包含一系列复杂的有机大分子物质,m/z分布范围在150–600,平均分子式分别为C 14-16 H 16-18 O 4.5-5.6 N 0.17-0.33 S 0.66-0.88 (WSOC)和C 19-21 H 19-21 O 2.3-3.9 N 0.15-0.25 S 0.05-0.23 (MSOC)。显然,WSOC和MSOC组分具有不同的分子组成,WSOC含有较多的O和S,而MSOC则含有较多的C和H。根据元素组成,这些有机物可以分为CHO、CHON、CHOS和CHONS等化合物。其中WSOC含有较多的含S化合 物(CHOS和CHONS)(65–87%),而MSOC组分则含有较多的CHO和CHON化合物(79–96%)。与环境样品相比,家用煤燃烧排放的水溶性有机物中含有明显多的含S化合物,表明煤燃烧排放可能是大气HULIS含硫成分的重要来源。值得注意的是,在CHOS化合物中,超过90%的CHOS化合物的O/S原子比大于4,表明了有机硫酸酯结构的大量存在。因此,研究人员认为家用燃煤可能是大气含硫化合物,特别是有机硫酸酯的重要来源之一。

研究还发现有机质的分子特征受到煤成熟度的影响。低成熟度煤燃烧产生的大分子有机质含有较低的芳香性结构和较多的含氧极性基团。另外有机质的分子特征与其吸光性表现出明显的相关性,具有较高芳香性、较低O/C比值和较低极性的有机组分具有较强的吸光性。另外从分子组成上看,CHO和CHON对吸光性的贡献较大,特别是CHON具有较高的吸光能力。

综合来看,该研究提供了有关家用燃煤燃烧排放的棕色碳的光学和分子特征信息,对于更好地理解家用煤燃烧排放对大气棕色碳的影响具有重要的意义。上述成果发表在国际期刊 Environmental Science & Technology 上,得到国家自然科学基金委课题(41390240, 41673117, 41473104)和有机地球化学国家重点实验室自主创新课题等的资助。

图1 不同成熟度家用煤燃烧的排放特征

图2 不同类型BrC分子的DBE与碳数分布图

图3 BrC分子结构与吸光性的相关性分析

(来源:中国科学院)

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