气溶胶微粒的分子光谱学研究

《气溶胶微粒的分子光谱学研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、气溶胶微粒的分子光谱学研究张银宏万海涛王良玉赵利军王枫李晓红董金玲胡永安丁飞北京理工大学理学院化学物理研究所，北京IOOORI从生命组织中的细胞，到大气中的气溶胶微•粒，自然界中微米尺度的微粒普遍存在。随璃社会的高速发展，大量人造微粒不断充斥到大气中，煤燃烧排出的固体粉尘、焦油，汽车排放的尾气烟雾，乃至城区餐饮业排放的油烟，都严重地影响着人类生存的环境。尤其是一些难以预见的突发事件，如美国在中东战争中使用的贫铀弹爆炸产生的贫铀金属微粒，对人类的生存造成了巨大威胁。微米尺度微粒目前成为现代分析化学研究的科学对象，上升到分

2、子水平，其深层欢科学问题，必然依赖于化学学科的指导。单微粒悬浮控制技术一电动态平衡（EDB-Electrodynamicbalance）技术，能捕获化学组成预先设定的单个微液滴或微粒（几微米到几十微米），悬浮于特定的环境气氛中（湿度可以控制的空气环境，也可充斥特定气体），在激光激发下，利用高灵敏光谱检测系统，可以获得微粒不同物理化学过程的原位谱学信息，完成分子水平刻画。单微粒悬浮技术和原位谱学技术的有效结合，能聚焦于21世纪重要的环境、能源、材料等领域中至今尚有待解决的基本物理化学问题，初步展示了诱人研究前景。红外气溶

3、胶流管（FTIR-AFTFouriertransformationofinfraredspectrum-aerosolflowtube）技术应用于大气气溶胶研究，与单微粒悬浮技术相比，能体现统计意义。拉曼和红外谱学技术被誉为观测微观世界的两只眼睛，均可提供微米尺度微粒分子水平的信息，在深层次问题研究中能发挥重要作用，并在大气科学研究领域和某些动态过程研究领域有着广泛应用。一.应用前景（一）大气科学研究领域的应用大气中的气溶胶以液态或固态的形式悬浮在大气中，参与大气中多种物理和化学过程，是水蒸气凝聚的成核中心，也呆空气污

4、染物吸附、M集和反应的载体。这种微粒与汽车尾气以及煤燃烧产生的二氧化硫等气体相互作用，构成了影响大气质融最巫要的因素。城市空气污染已经成为国家和政府投入大墩资金，着巫解决的主要环境问题。爭实上，在真正有效地制定出控制空气污染方案之前，空气污染物的来源和产生原因、大气中污染物的转换历程、污染物对环境和人类生存的彫响等都是需要考虑的关键因索。大气中空气污染物转换的宏观表现，微观上决定于气溶胶与其环境之间发生的许多未知的化学和物理过程，例如人们对气溶胶的风化和潮解过程的细节认识有限，主要是气溶胶在潮解点、风化点的性质发生突变

5、,然而对相应的分子、离子之间相互作用机制了解不多，对这类复杂过程的深入了解，需要在微观上进行实验观察，尤其是在分子水平上建立有效的研究手段,目前突出的问题包括以下及各方面：（1）过饱和状态的离子、分子间相互作用问题：由于无法异相成核，液态的气溶胶在干燥环境中蒸发失水而不结晶，过饱和状态反而是普遍存在的状态，因此气溶胶提供了一个良好的研究对象,有助于研究离子间的缔合状态，即过饱和态的气溶胶中离子、分子间相互作用问题，包括各种接触离子对的结构及其性质、超高浓度盐溶液中水分子间氢键结构，以及特定的凝胶结构等问题。（2）亚稳态

6、的晶相：由于处于过饱和态，稳定晶体结构在气溶胶中无法形成，新的亚稳态晶体结构经常出现，其热力学性质以及微观结构有待深入研究。（3）表面特定结构及其影响：气溶胶与环境氛围的化学反应，也经历着多步尚不清楚的过程，其中一个关键问题是气溶胶表面可能存在特定结构，不同于气溶胶内核。已经观察到某些简单无机盐形成的气溶胶岀现传质受阻现象，是表面结构特异性的一种表现。因此，建立原位谱学技术和CCD成像技术，完成单个微液滴的物理化学过程中原位谱学空间成像研究，研究某些传质受阻气溶胶体系的表面组分结构，有利于揭示气溶胶风化和潮解过程的细节

7、以及单微液滴化学反应动力学机理等。单微粒悬浮技术联用原位谱学技术和红外气溶胶流管技术相结合，对于帮助我们理解上述气溶胶分子、离子之间相互作用机制十分有效，真正使大气科学相关领域步入了环境氛围可控、气溶胶组分可预先设定、气溶胶微粒物理利化学过程可原位谱学分析的新阶段。（二）单颗粒煤燃烧动态过程研究在煤的洁净燃烧方面，单颗粒煤燃烧原位谱学观测，可以对煤燃烧复杂化学物理过程进行有效解析，能提供与传质、传热、表面氧化反应密切相关的尺寸效应信息。近十多年发达国家投入了大量人力和资金，煤燃烧开始进行煤的清洁燃烧技术开发和基础研究，

8、代表性的研究机构包括美国LosAlamos国家实验室以及美国Sandia国家实验室的煤燃烧实验室。我国973计划的能源领域，将煤的高效、洁净利用，列为战略基础研究主攻方向。因此有关煤的清洁燃烧，包抵煤的大规模、高效直接液化、气化研究，成为优先支持方向。煤燃烧现象是一种极其复杂的化学、物理过程，尚有许多规律未被人们清晰的认识，它蕴含