澳門大學(xué)科技學(xué)院土木與環(huán)境工程系黎永杰副教授使用MicroFab的微液滴發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生不同大小的單組分粒子液滴和混合組分粒子液滴，用于研究相對(duì)濕度對(duì)混合粒子吸濕性的影響，實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)歷不同RH循環(huán)的混合粒子的吸濕行為變化的結(jié)果表明，當(dāng)大氣中的RH循環(huán)作用于具有反應(yīng)性組分的混合粒子時(shí)，可能會(huì)對(duì)它們的吸濕性產(chǎn)生顯著影響，這種現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致其形成產(chǎn)物的光吸收而加劇加熱效應(yīng)，進(jìn)而影響輻射平衡和全球氣候。

介紹

大氣顆粒物（PM）在輻射平衡和全球氣候中起著重要作用，隨著相對(duì)濕度（RH）的變化，對(duì)氣候的直接（如光散射）和間接（如云激活）影響都強(qiáng)烈依賴于顆粒吸水/蒸發(fā)的吸濕性生長(zhǎng)，然而，對(duì)PM的吸濕性的理解受到其化學(xué)成分約束較差以及其在大氣懸浮液期間的動(dòng)態(tài)二次反應(yīng)或“老化”的阻礙。單一組分或混合顆粒的吸濕性已被廣泛研究，但是反應(yīng)成分混合粒子的研究上存在著實(shí)驗(yàn)室中的模擬條件差距較大的問題。為了模擬氣溶膠/云循環(huán)，一些實(shí)驗(yàn)室研究使用液滴蒸發(fā)來研究碳基和還原含氮物質(zhì)的活性混合物。盡管這些關(guān)于光吸收的研究取得了進(jìn)展，但RH循環(huán)對(duì)這些混合粒子在反應(yīng)后的物理化學(xué)性質(zhì)的變化知之甚少、吸濕性的影響仍不清楚。

澳門大學(xué)黎永杰團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)者提出了乙二醛（GLY）和五種不同還原氮物質(zhì)混合粒子的吸濕性測(cè)量，以研究不同混合粒子RH循環(huán)反應(yīng)后的吸濕性變化（如圖1所示）。所選擇的還原含氮物種包括一種無機(jī)鹽（硫酸銨AS）、兩種氨基酸（甘氨酸GC和甘丙氨酸AL）和兩種脂肪族胺（二甲胺DMA和二乙胺DEA），它們都在大氣中常見，硫酸銨是大氣顆粒中最重要的無機(jī)組分之一，在污染地區(qū)的濃度高達(dá)100 μg?m?3；甘氨酸和丙氨酸是云、霧和氣溶膠中最常見的兩種氨基酸，其濃度為每立方米幾十納克；胺也常見于大氣顆粒中，在某些地方，胺的濃度為每立方米幾百納克。

圖2為相對(duì)濕度（RH）控制系統(tǒng)、電動(dòng)天平（EDB）和光學(xué)觀察系統(tǒng)的示意圖。單組分和混合粒子生成是通過MicroFab的微液滴發(fā)生系統(tǒng)（噴頭：MJ-ABL-01，噴頭口徑：80μm）在散裝溶液中實(shí)時(shí)制備。在它們進(jìn)入EDB之前，液滴通過感應(yīng)充電，當(dāng)粒子在EDB內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，吸水/蒸發(fā)通過改變相對(duì)濕度來表現(xiàn)，質(zhì)量變化通過直流平衡電壓測(cè)量來確定。

為了模擬大氣粒子可能經(jīng)歷的相對(duì)濕度循環(huán)，RH循環(huán)中的RH范圍設(shè)定為從最高RH（在90%到94%之間）到最低RH（RH<10%），實(shí)驗(yàn)中，粒子經(jīng)歷了三個(gè)不同的相對(duì)濕度循環(huán)（如圖3所示）。在第一個(gè)循環(huán)中，稱為循環(huán)A，捕獲的液滴被帶到最高的RH（在90%到94%之間），并進(jìn)行一個(gè)完整的脫水和水化循環(huán)進(jìn)行吸濕性測(cè)量。在第二個(gè)循環(huán)B中，粒子首先被帶到最高RH（在90%到94%之間），然后逐步脫水。在第三個(gè)循環(huán)，循環(huán)C中，引入的液滴首先通過小于5min的快速脫水達(dá)到干燥狀態(tài)（RH<10%），然后進(jìn)行一個(gè)完整的水化和脫水循環(huán)，并進(jìn)行吸濕性測(cè)量。

五種混合粒子的吸濕性結(jié)果如圖4所示，其結(jié)果表明，AS/GLY混合粒子的三個(gè)RH循環(huán)的吸濕曲線表明，反應(yīng)性乙二醛可能形成在較高相對(duì)濕度值下可導(dǎo)致AS早期結(jié)晶的產(chǎn)物，盡管產(chǎn)物本身很可能是無定形的，并且可能不具有尖銳的風(fēng)化點(diǎn)；氨基酸和甘氨酸之間的反應(yīng)形成的產(chǎn)物在中等高相對(duì)濕度條件下降低了混合粒子的吸濕性，特別是在脫水過程中；較低的溫度會(huì)顯著降低吸濕性；DEA/GLY混合粒子蒸發(fā)更明顯，但DMA/GLY的混合粒子蒸發(fā)不明顯，這一觀察表明氣體?在大氣顆粒中常見的混合粒子的粒子分配受復(fù)雜反應(yīng)和粒子組分之間的相互作用的影響，包括水，即使沒有任何反應(yīng)，也可能含有一些水溶性半揮發(fā)物。

結(jié)論

大氣顆粒物在其一生中經(jīng)常經(jīng)歷許多吸水和蒸發(fā)循環(huán)，特別是通過云循環(huán)，實(shí)驗(yàn)演示了經(jīng)歷不同RH循環(huán)的混合粒子的吸濕行為變化，在脫水過程中，還原含氮物質(zhì)與甘氨酸混合后的混合顆粒表現(xiàn)出不同程度的吸濕性降低，與GC/GLY相比，AL/GLY混合顆?？赡苄枰L(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間才能達(dá)到平衡，在達(dá)到平衡之前，產(chǎn)物的緩慢形成會(huì)不斷地改變這類混合顆粒的吸濕性，除此之外，脫水過程中開始發(fā)生透明度變化的相對(duì)濕度值取決于組成，AL/GLY先發(fā)生相變化（接近70%相對(duì)濕度），GC/GLY最后發(fā)生（接近20?30%）。觀察到的DEA/GLY混合顆粒的蒸發(fā)表明，需要考慮顆粒中混合組分之間的復(fù)雜相互作用，包括蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)，以了解它們對(duì)大氣顆粒物化性質(zhì)的影響。當(dāng)大氣中的RH循環(huán)作用于具有反應(yīng)性組分的混合粒子時(shí)，可能會(huì)對(duì)它們的吸濕性產(chǎn)生顯著影響，這種現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致其形成產(chǎn)物的光吸收而加劇加熱效應(yīng)，進(jìn)而影響輻射平衡和全球氣候。這一發(fā)現(xiàn)需要更多的實(shí)驗(yàn)室研究環(huán)境氣溶膠顆粒中復(fù)雜顆粒混合物之間的相互作用，以確定不斷變化的環(huán)境條件（如本研究中的RH循環(huán)或日溫度循環(huán)）在連接氣溶膠化學(xué)和氣溶膠微物理方面的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Relative Humidity History Affects Hygroscopicity of Mixed Particles of Glyoxal and Reduced Nitrogenous Species[J]. Environmental Science And Technology, 2020, 54(12):7097-7106.