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1、北京大学学报(自然科学版),第41卷,第6期,2005年11月述评ActaScientiarumNaturaliumReviewUniversitatisPekinensis,Vol.41,No.6(Nov.2005)气溶胶中有机碳及元素碳分析方法进展郇宁曾立民邵敏(北京大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京,100871)摘要大气气溶胶中的有机碳、元素碳因其独特的环境、气候效应以及对人类健康的影响而成为世界各国环境科学家共同关注的热点。其检测方法有很多,各种检测方法因实验原理不同所以实验结果也相差很大,即使是实验原理完全相同的光热法,两台不同厂家的仪器所测的元素碳结果也相差
2、很大,差别可达70%～80%。本文介绍了现阶段气溶胶有机碳和元素碳的各种检测方法,将其大体分为光学法和热学法(光热法)两类,分析了各种方法的优缺点并提出自己的观点,最后展望了气溶胶有机碳、元素碳的研究前景。关键词大气气溶胶;有机碳;元素碳;分析方法中图分类号X131110引言有机碳(OrganicCarbon,OC)和元素碳(ElementalCarbon,EC)在气溶胶中的含量较高,约占[1—3][3]气溶胶质量浓度的10%～50%,而且大气颗粒物的粒径越小OC、EC所占的比重越大。OC通常指脂肪族、芳香族等多种有机化合物,包括由排放源直接排放一次有机碳(PrimaryOC,POC)和通
3、过光化学反应等途径形成的二次有机碳(SecondaryOC,SOC)。EC则指大气颗粒物中以单质状态存在的那部分碳,是生物质或化石燃料不完全燃烧直接排放的产物。气溶胶中的含碳组分中除了OC、EC还包括碳酸盐(CarbonateCarbon,CC),但是在普通天气的PM10、PM215[2—4]中CC含量很少,不超过5%,因此在气溶胶含碳组分的分析中一般不予考虑。气溶胶中的OC、EC不仅影响人类健康、造成区域和城市烟霾、影响地球辐射平衡,而且研[5—9]究他们的值还有助于研究各种排放源对气溶胶的贡献进行源解析。首先,EC具有极大的表面活性,可以吸附大气中对人体健康有很大威胁的污染物,有些还具
4、有致癌、致畸、致突变的作用。其次,气溶胶影响全球的辐射平衡,总体来说是一种负强迫。然而EC具有强烈的吸光作用,可以对辐射平衡造成一种正强迫,另外它还可以影响云形成过程、改变云的反照率而影[10—12]像全球的辐射平衡。再次,EC直接来源于化石、生物质燃料的不完全燃烧,是一次人为大气污染的很好的指标,OC则包括污染源直接排放的POC和气态碳氢化合物通过光化学反应等途径生成的SOC,因此OCPEC的比值以及OC、EC的值是评价气溶胶的一次P二次来源的很好的表征,准确的测量它们的值,对于追溯大气气溶胶污染来源及气溶胶的形成与变化过程1)国家重点基础研究发展规划项目(2002CB410801)收稿
5、日期:2005201210;修回日期:2005204225957北京大学学报(自然科学版)第41卷[1,7,8,12,13]都有很重要的意义。然而,由于EC与某些高聚合的有机物在结构、光学及热学性质上是非常相似的,在高聚合OC与EC之间无论是挥发性还是对光的吸收作用,都没有一个明显的分割点,而是一个逐[14]渐过渡、连续变化的过程。所以我们认为无论是从热力学角度还是光学角度来看,OC、EC的分割点都是不清晰、不明显的,也正因为如此,如何精确测定大气气溶胶中的OC和EC,已逐渐成为大气科学研究中的重点和难点。本文针对国内外研究现状,综述和比较现阶段OC、EC的各种分析方法,其大体分为两种:热
6、学法(包括光热法)和光学法。并根据国内外的研究现状,提出自己的观点,展望未来的发展方向。1各类热学方法概述及比较1.1最初的热学法由于EC对人类健康潜在的威胁以及不可忽视的气候、环境效应,早在20世纪70年代国[3]际上就有了有关OC、EC的研究。热学法是最早的分析OC、EC的方法,它为后来的光热方法提供了有益的理论基础和实践经验。其基本原理都是根据OC、EC的挥发性不同,在不同的[3,5,9,11,15,16]温度下逸出速率不同而对两者加以区分。[11]热学方法从简单升温的应用开始一直在不断改进和优化。Tanner等人在1982年采用的方法是:He气环境下迅速升温到400℃,通过650℃
7、氧化铜的催化氧化OC,之后再在含氧10%的HePO2混合气的环境下加热到700℃氧化分解EC,使之同样转化为CO2,得到CO2的都[5]用非色散红外吸收光谱仪定量。Fung于1990年借助Dohrmann碳分析仪(DC50和DC52)用MnO2氧化法测量颗粒物中的碳。他认为525℃是区分OC、EC的最佳温度,850℃之后OC、EC[15]完全分解。Cachier认为纯氧环境下340℃2h之后OC完全氧化分解,剩余的全部是
