中等揮發(fā)性有機物（Intermediate volatility organic compound，IVOCs）是大氣中二次有機氣溶膠的重要前體物，對空氣質(zhì)量和人體健康都有顯著的影響。為了從源頭控制IVOCs排放，就需要對IVOCs的排放源組成情況進行深入的科學研究。但是，現(xiàn)階段IVOCs排放源的相關(guān)基礎(chǔ)信息還遠未完善，還難以利用“自下而上”的源清單法評估重點區(qū)域大氣中IVOCs的排放源組成。
中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室張干研究員團隊唐天罡博士，選取IVOCs中具有代表性的萘系物（Naphthalenes，NAPs）和中等揮發(fā)性正構(gòu)烷烴（Intermediate volatility n-alkanes，IVnAs）作為研究對象，首次利用單體化合物同位素分析技術(shù)（δ13C, δD, and Δ14C），結(jié)合Bayesian同位素混合模型，對該兩類IVOC化合物的的來源進行了解析。他們的研究結(jié)果表明：煤炭燃燒排放源對我國華北地區(qū)空氣中的NAPs和IVnAs的貢獻均占主導作用。該成果為IVOCs來源解析提供了新的技術(shù)手段，為IVOCs的控制提供了重要證據(jù)。
NAPs源解析研究
首先，利用大流量空氣采樣器，以XAD-2樹脂為吸附材料，采集中國華北地區(qū)和中國南方城市廣州大氣中的IVOCs樣品。而后，對樣品進行洗脫、純化，再利用制備氣相色譜技術(shù)（PCGC）分離制備出單體NAPs。最后，利用穩(wěn)定同位素比值質(zhì)儀（IRMS）對NAPs樣品進行穩(wěn)定碳（δ13C）和氫（δD）同位素分析，利用有機地球化學國家重點實驗室的加速器質(zhì)譜儀（AMS）對石墨化后的NAPs樣品進行放射性碳同位素（Δ14C）分析。
圖1. 大氣中NAPs的三重同位素（δ13C, δD, and Δ14C）組成
NAPs的放射性碳同位素研究結(jié)果表明：生物質(zhì)燃燒源對華北地區(qū)大氣中NAPs的貢獻十分有限，只占2%—27%。利用NAPs的三重同位素數(shù)值，結(jié)合Bayesian同位素混合模型，對NAPs的各排放源貢獻比值進行模擬分析，結(jié)果表明：空間上，各城市點的排放特征基本一致，貢獻比值分別為液體化石燃料燃燒47%，煤炭高溫燃燒27%、煤炭低溫燃燒19%。郊區(qū)點煤碳低溫燃燒貢獻最大，占比為70%。時間上，與夏季相比，冬春季煤炭低溫燃燒貢獻增加約10%，同時煤炭高溫燃燒減少約10%（圖2）。
圖2. 不同排放源對大氣中萘的相對貢獻比值（%）
IVnAs源解析研究
首先，對采集的IVOCs樣品進行洗脫、純化，并利用5？分子篩提取法分離出中等揮發(fā)性正構(gòu)烷烴（IVnAs，nC12–nC22）樣品。其次，利用氣相色譜–穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-IRMS）對IVnAs樣品進行穩(wěn)定碳（δ13C）和氫（δD）同位素分析。
圖3. 中等揮發(fā)性正構(gòu)烷烴（IVnAs）穩(wěn)定碳、氫同位素組成主成分分析
對IVnAs的δ13C和δD進行主成分分析，發(fā)現(xiàn)IVnAs同位素組成的南北方之間的差異大于季節(jié)之間的差異，且不同碳鏈長度的IVnAs的排放源組成情況可能也不同。（圖3）
圖4. 不同排放源對大氣中的中等揮發(fā)性正構(gòu)烷烴的貢獻比值
利用IVnAs的雙重同位素數(shù)值，結(jié)合Bayesian同位素混合模型，對IVnAs各排放源的貢獻比值進行模擬分析，結(jié)果表明：生物質(zhì)燃燒源對IVnAs的貢獻較小，比值為5.1%–27.5%；液體化石燃料的貢獻比值隨IVnAs的碳鏈長度增加而減少，從72.2%下降至11.4%；煤炭燃燒的貢獻比值隨IVnAs的碳鏈長度增加而增加，從21.5%上升至79.1%（圖4）。結(jié)合IVnAs的濃度分布情況，得出煤炭燃燒，液體化石燃料燃燒和生物質(zhì)燃燒對總IVnAs的加權(quán)貢獻比值分別為47.8 ± 0.1%，35.7 ± 4.0% 和16.3 ± 4.2%。
上述成果于2020年和2022年先后發(fā)表于國際學術(shù)期刊Environment Science & Technology。
論文信息：
1.Tang , T（唐天罡） .; Cheng , Z （成志能）.; Xu , B .（徐步青）, Zhang , B .（張伯龍）; Zhu , S .（朱三元）; Cheng , H .（成海容）; Li , J .（李軍）; Chen , Y .（陳穎軍）; Zhang , G （張干）. Triple Isotopes (δ13C, δ2H, and Δ14C) Compositions and Source Apportionment of Atmospheric Naphthalene: A Key Surrogate of Intermediate-Volatility Organic Compounds (IVOCs). Environ. Sci. Technol. 2020, 54 (9), 5409-5418.
2.Tiangang Tang（唐天罡）, Zhineng Cheng（成志能） , Buqing Xu（徐步青） , Bolong Zhang（張伯龍） , Jun Li（李軍）, Wei Zhang, Kelin Wang （王克林）, Gan Zhang（張干），Source Diversity of Intermediate Volatility n-Alkanes Revealed by Compound-Specific δ13C-δD Isotopes. Environ. Sci. Technol.
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