新聞動態(tài)潘天樂等-AMT：燈管內(nèi)置型氧化流動反應(yīng)器（OFR）系統(tǒng)中溫度升高對氣相和氣溶膠相化學(xué)影響的綜合評價
二次有機氣溶膠（SOA）是大氣氣溶膠的重要組成部分，對氣候、健康和空氣質(zhì)量等有重要影響。氧化流動反應(yīng)器（OFR）是研究SOA生成和演化的重要手段。OFR具有體積小，壁損失小的特點，因為其便攜性，有利于在實驗室和外場觀測中進(jìn)行實驗研究。OFR可以在短時間內(nèi)模擬幾個小時-幾個星期的大氣等效OH自由基氧化，從而追蹤SOA短到長的老化過程。由于這些優(yōu)勢，OFR的應(yīng)用越來越多，目前使用最廣泛的是由美國Aerodyne公司研發(fā)的商業(yè)化PAM-OFR（圖1），該PAM-OFR用于大氣化學(xué)研究，已發(fā)表相關(guān)文章170余篇，且呈現(xiàn)上升趨勢。然而，之前的研究中，PAM-OFR中因為紫外燈管導(dǎo)致反應(yīng)環(huán)境升溫的問題一直被研究者們忽視。溫度是氣體擴散和氣固分配的關(guān)鍵參數(shù)，其升高會對SOA的理化性質(zhì)如產(chǎn)率、粒徑分布、分子組成、揮發(fā)性分布等產(chǎn)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(xué)反應(yīng)，仍缺乏綜合性的測量與評估。該問題是準(zhǔn)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(guān)鍵。
針對以上問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所潘天樂博士在胡偉偉研究員的指導(dǎo)下，針對當(dāng)下主流商業(yè)化PAM-OFR中的溫度場進(jìn)行了系統(tǒng)性測量，系統(tǒng)研究了不同因素對PAM-OFR中溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn)PAM-OFR內(nèi)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(shù)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NOx條件下，OH自由基等效大氣老化時間<5天），PAM-OFR內(nèi)溫度升高通常小于5 °C（圖2）。在老化時間較長時，PAM-OFR內(nèi)溫度的升高甚至超過15 °C。
本論文通過實驗室測量和流體動力學(xué)模型（CFD模型）和盒子模型計算等分別評估了溫度升高對PAM-OFR內(nèi)的流場、氣相和氣溶膠相化學(xué)的影響。研究發(fā)現(xiàn)溫度升高會降低流體的平均停留時間（在典型流速5 L min-1，升溫約15 ℃時，停留時間縮短約20%，圖3），增加湍流。PAM-OFR的升溫對氣相化學(xué)反應(yīng)中的自由基濃度等影響不大，主要因為相關(guān)氣相反應(yīng)速率對該溫度區(qū)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(xué)的影響大于對氣相的影響。盒子模型的模擬結(jié)果表明，當(dāng)PAM-OFR中的溫度升高5 °C時，四種典型前體物（正十二烷（圖4）、α-蒎烯、甲苯和間二甲苯）的SOA產(chǎn)率在高NOx條件下可降低<20%，在低NOx條件下降低<10%。隨著溫度的升高，更多氧化產(chǎn)物被分配到氣相，SOA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SOA形成的實質(zhì)性影響，并強調(diào)了在使用PAM-OFR進(jìn)行氣溶膠生成演化研究時考慮溫度影響的必要性。
通過計算發(fā)現(xiàn)，PAM-OFR中的熱量主要通過流動管金屬腔體散發(fā)，基于該發(fā)現(xiàn)本研究提出了減少PAM-OFR內(nèi)溫度升高的兩點建議：（1）是在進(jìn)行OFR相關(guān)實驗時，在OFR外部使用風(fēng)扇增加腔體的散熱，這是減少OFR內(nèi)溫度升高的有效方法（圖5）；（2）是在進(jìn)行不同老化時間下（通過設(shè)置不同燈電壓實現(xiàn)）的連續(xù)氧化模擬時，以往常用單調(diào)變化的電壓設(shè)置（如0?10 V單調(diào)增大），我們建議采用高低電壓交替變化的設(shè)置方式來減少不同電壓間的溫度變化。
圖1：（a）氧化流動反應(yīng)器（PAM-OFR，Aerodyne Research Inc.）實物圖;（b）PAM-OFR示意圖。
圖2：PAM-OFR內(nèi)溫度的升高（OFR中的測量溫度減去環(huán)境溫度）隨燈管（Light Source公司）數(shù)量和燈電壓的變化。OH暴露量是根據(jù)Hu等人（2022）的經(jīng)驗參數(shù)并假設(shè)水蒸氣混合比為1.88%、外源OH反應(yīng)性為30 s-1計算的。等效老化天數(shù)（頂軸）通過假設(shè)環(huán)境OH濃度為1.5x106 molec. cm-3來估算（Mao等人，2009）。溫度測量的位置在中心線（從進(jìn)樣口到出氣口）上距離進(jìn)樣口300 mm處。流速為5 L min-1。
圖3：在不同的燈設(shè)置下，PAM-OFR內(nèi)SO2停留時間分布（RTD）的測量結(jié)果（黑線）。測量時將2秒的SO2注入到OFR中。CFD模型的模擬結(jié)果如紅線所示。
圖4：SOM模型模擬的（a）高NOx和（c）低NOx條件下正十二烷-OH氧化生成的SOA產(chǎn)率隨OA seed質(zhì)量濃度和溫度的函數(shù)。使用在40°C下獲得的測量RTD的模擬結(jié)果如黑色虛線所示。在（b）高NOx和（d）低NOx條件下，不同溫度下正十二烷的SOA產(chǎn)率與25 °C下的SOA產(chǎn)率之比。假設(shè)環(huán)境OH濃度等于1.5×106 molec. cm?3，等效老化時間為1天（Mao等人，2009）。
圖5：在有/沒有風(fēng)扇增加腔體散熱的情況下，PAM-OFR內(nèi)溫度的變化。所使用的兩個風(fēng)扇直徑為45 cm、轉(zhuǎn)速為1400 r min-1。
本研究成果近期發(fā)表在期刊Atmospheric Measurement Techniques上，相關(guān)結(jié)果為更準(zhǔn)確地使用PAM-OFR模擬SOA的生成演化提供了經(jīng)驗和參考。論文第一作者為中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生潘天樂，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所胡偉偉研究員為通訊作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目青年科學(xué)家計劃（2021YFA1601800）、國家自然科學(xué)基金委基金（42375105、42275103、42230701）和廣東省珠江人才項目（2019QN01L948）、科技研究基金（2023B12120600049）的聯(lián)合資助。
論文信息：Pan, T.?（潘天樂）, Lambe, A. T., Hu, W.*（胡偉偉）, He, Y.（何逸聰）, Hu, M.（胡明豪）, Zhou, H.（周懷姍）, Wang, X.（王新明）, Hu, Q.（胡慶慶）, Chen, H.（陳暉）, Zhao, Y.（趙岳）, Huang, Y.（黃元龍）, Worsnop, D. R., Peng, Z.（彭喆）, Morris, M. A., Day, D. A., Campuzano-Jost, P., Jimenez, J. L., and Jathar, S. H.: A comprehensive evaluation of enhanced temperature influence on gas and aerosol chemistry in the lamp-enclosed oxidation flow reactor (OFR) system, Atmospheric Measurement Techniques, 17, 4915-4939, 10.5194/amt-17-4915-2024, 2024.
