大气凝结水中典型多环芳烃的光解研究

作     者：张宁 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴水平

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：多环芳烃 大气凝结水 酸性体系 直接光解 芬顿反应 

摘      要：多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs）是一类半挥发性有机污染物,大气环境中的PAHs主要来自化石燃料和生物质的不完全燃烧,同时以气相和颗粒相的形式存在。因PAHs本身具有较强的紫外光吸收能力,直接光解是大气环境中的PAHs重要去除方式之一。当吸附了 PAHs的气溶胶颗粒物处于高湿环境中时,水汽凝结而在颗粒质点外围包裹形成水膜,即大气凝结水（Atmospheric Condensed Water）。大气凝结水中因存在较高浓度的水溶性有机物和无机物,且能直接受太阳照射影响,其水相体系中PAHs的光解行为表现出明显不同于颗粒相PAHs的光解特征。对模拟大气凝结水环境中PAHs的光解行为进行研究,有助于增进对大气凝结水微环境中PAHs环境行为的了解,为PAHs大气环境行为的模拟研究提供参考。蒽（Anthracene,Ant）、菲（Phenanthrene,Phe）和芘（Pyrene,Pyr）属于低分子量的PAHs,在水中的溶解度分别为1.000、0.045和0.130mg/L,且受光照影响显著。因此,本研究采用走马灯式的光催化反应装置（配300 W的高压汞灯）,模拟太阳光照射下（光照时长30 min）Ant、Phe和Pyr的光解行为（初始浓度100 ng/L）,通过调整模拟凝结水体系的酸度和Fe3+浓度,探讨环境共存物对Ant、Phe和Pyr光解的影响,获得如下结果:1.Ant、Phe和Pyr在紫外光照射下均能发生直接光解,Ant的光解速率最大,其次是Phe、光解最慢的是Pyr,其光解速率分别为1.8404 min-1,0.1548 min-1,0.1037 min-1;动力学分析表明,Phe和Pyr的光解遵循一级动力学方程,而Ant在水中的光解动力学曲线分为明显的两个阶段。2.采用盐酸调节模拟体系的pH至2和4,与纯水对照组（pH=6.5）相比,酸度能够影响Ant、Phe和Pyr的光解速率;酸性增强显著加快了 Pyr的光解,但抑制了 Ant和Phe的光解速率,三种化合物的光解动力学曲线与对照组类似。3.盐酸调节模拟体系至pH=2和pH=4时,FeCl3形式提供的Fe3+在水中能构成光芬顿体系,加快了 Ant、Phe和Pyr的光解速率,而且酸性越强,芬顿体系对PAHs的促进作用越强;与同样酸度下不加Fe3+的纯水组相比,pH=2时芬顿体系中Phe和Pyr的光解速率分别提高了 75%和55%,Ant在第二阶段的光解速率提高了 115%。模拟体系中Fe3+浓度与Phe和Pyr光解速率之间呈线性关系,但Ant光解速率呈现先增后降的波动特征。以草酸酸化模拟体系,显示草酸能够抑制Ant和Phe的光解,却促进Pyr的光解;而草酸铁的加入,仅对Phe的光解有明显的促进作用。4.收集厦门城区的PM2.5,采用其纯水提取液,模拟不同浓度的水溶性有机碳（Water Soluble Organic Carbon,WSOC）对 PAHs 光解的影响。随着 WSOC 浓度的增加,Ant和Phe的光解受到抑制,且光解速率呈线性降低;WSOC对Pyr的光解影响较小,浓度增加仅导致Pyr的光解速率略微增大。在模拟的大气凝结水环境中构建芬顿体系,显示Fe3+同样可以显著加速PAHs的光解,但其促进作用要比纯水体系的芬顿作用弱,推测PM2.5中WSOC的存在,一定程度上减弱了Fe3+的光催化作用。5.对光解过程中产生的9,10-菲醌（9,10-Phenanthrenequinone）和1-羟基芘（1-hydroxypyrene）同步测量,发现紫外光照射下9,10-菲醌也能光解,PM2.5中的WSOC能够减缓9,10-菲醌的光解,但未检测出1-羟基芘。6.综合分析,大气凝结水模拟体系中酸度和WSOC浓度增大,能加快Pyr的光解,但却抑制了 Ant和Phe的光解,其环境意义表明在雾滴在老化过程中,随着水分蒸发,凝结水相的酸度和WSOC浓度增大,Ant和Phe大气寿命增加,环境健康风险增大;此外,含铁气溶胶表面的局部区域可形成光芬顿体系,促进PAHs的光解,使得PAHs大气寿命低于碳质气溶胶中的PAHs。