薪柴燃烧溶解性棕色碳排放特征及光学性质
2019-08-28范行军余旭芳宋建中李飞跃
范行军,操 涛,余旭芳,宋建中,王 艳,肖 新,谢 越,李飞跃
薪柴燃烧溶解性棕色碳排放特征及光学性质
范行军1,操 涛2,3,余旭芳1,宋建中2*,王 艳1,肖 新1,谢 越1,李飞跃1
(1.安徽科技学院资源与环境学院,安徽 凤阳 233100;2.中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室,广东 广州 510640;3.中国科学院大学,北京 100049)
对农村薪柴(杨木和毛竹)燃烧排放的4类溶解性棕色碳(BrC)组分,包括水溶性有机物(WSOM)、水溶性类腐殖质(HULISWS)、碱溶性有机物(ASOM)和碱溶性类腐殖质(HULISAS)的组成特征和光学性质进行了初步研究.结果显示,薪柴燃烧排放出大量的BrC,其中BrCT(WSOM + ASOM)占烟气PM2.5质量的46%~56%,排放因子为(7.5~16) g/kg.HULIS是薪柴燃烧排放BrC的重要组分,占BrCT的44%~46%.4类BrC的特征吸收指数(SUVA254)、光吸收效率(MAE365)和Ångström指数(AAE)值分别为1.9~4.0m2/g、0.4~2.1m2/g和6.2~11.1,说明薪柴燃烧排放BrC具有较高的芳香度、较强的光吸收能力且其光吸收具有较强的波长依赖性.三维荧光光谱分析结果显示,薪柴燃烧排放BrC主要以类蛋白荧光物质组成为主,这与雨水和大气气溶胶中水溶性BrC以类腐殖质荧光物质组成为主的特征存在显著差异.相关性分析结果显示,BrC的MAE365与HIX和SUVA254呈现显著的正相关性,与2/3、FI、BIX和:呈现显著的负相关性,说明薪柴燃烧排放BrC的光吸收特性与其芳香性、腐殖化程度、自生源贡献和新鲜度等紧密相关.本研究结果有助于进一步认识生物质燃烧BrC的排放特征,为探索大气BrC的来源和环境效应提供数据基础和科学依据.
薪柴燃烧;棕色碳;排放特征;光吸收特性;荧光光谱特性
棕色碳(BrC)是大气气溶胶中一类在紫外-可见光波段具有较强光吸收,且其吸光特性呈现显著的波长依赖性的有机碳(OC)组分[1-3].BrC广泛存在于云、雾、雨水和大气气溶胶中,可以直接和间接影响区域的辐射强迫[4-9].同时,BrC对太阳光的吸收还可提升区域大气平均温度[10],降低大气光化学反应速率[11],对全球气候、大气质量及大气光化学反应等产生重要的影响.BrC已成为当前国际大气环境领域的研究热点之一.
大气BrC的光吸收特性与其来源和化学组成密切相关.BrC的来源非常复杂,大量外场观测的研究表明生物质燃烧(BB)是其重要的来源[6-9,12-16].研究发现BB来源BrC占有机气溶胶的比例达40%~ 92%[12,14-16],且贡献了气溶胶总吸光的17%~65%[6-9].基于热-光分析法和溶剂(水和甲醇等)提取法等[12-13,17-20]对BB源BrC的排放因子和光学特征如Ångström指数(AAE)和单位质量吸收效率(MAE)等进行观测,表明BB排放出大量的BrC,对大气BrC的光吸收具有重要的贡献.另外,通过溶剂提取方法为研究不同类型BrC的化学特征和光学性质等提供了可能[13,19].近年来,有关学者已对BB产生BrC的排放特征(如排放因子、光吸收特性、发色物质组成等)开展了初步研究工作.结果表明生物质的类型和燃烧方式对BrC的排放量和光吸收特性有重要的影响[13,19-20],同时BrC的光吸收特性与其发色物质组成也存在着一定的联系[12,19].总的来说,关于不同形式BB产生BrC的排放特征尤其是各特征之间的关联性等的研究还十分有限.
尽管已有部分工作关注了薪柴燃烧BrC的排放特征[12,19,21],但是由于农村地区薪柴具有使用量大和种类繁多等特点,可能使其燃烧排放BrC在组成和性质上表现出较大的差异性.本研究选用安徽农村地区典型的薪柴(杨木和毛竹)燃料作为燃烧对象,采用有机碳、紫外-可见吸收和荧光光谱方法对实验室模拟薪柴燃烧排放烟气颗粒中的BrC进行定量和表征分析.通过对杨木和毛竹燃烧BrC的排放特征和光学特性的分析,以期为进一步认识大气BrC的来源和环境行为以及为大气环境控制提供可靠的数据基础与科学依据.
1 材料与方法
1.1 薪柴烟气颗粒的采集
本研究中的燃料分别采集于安徽省滁州市和池州市农村地区.自然晾干后,将其切割成长约10cm,直径约0.5cm小块样本,便于进一步燃烧处理.其理化性质如表1所示.
表1 杨木和毛竹的元素组成分析
图1 薪柴燃烧和烟气细颗粒采集装置
薪柴燃烧实验在搭建的生物质燃烧-颗粒物采集系统中进行.该实验装置[19]如图1所示.烟气颗粒采集步骤如下:调节助燃气流和稀释气流分别为60和120L/min,然后点燃燃烧室内薪柴样本(10~30g),产生的烟气在气流作用下通过烟气管道引入混合采样室进行稀释和混合.利用中流量采样器(天虹智能仪表厂,武汉)对烟气颗粒(PM2.5)进行采集,采样流量设为80L/min.采样所用石英滤膜(Φ90,Whatman, USA)使用前需在马弗炉中400℃灼烧4h.每类薪柴燃烧实验重复4次,收集对应滤膜样品.采样期间,收集4组空白滤膜样品,用于分析结果校正.
1.2 BrC的分离与纯化
薪柴燃烧排放BrC的分离和纯化方法参考Fan等[19]的方法.利用纯水和0.1M的NaOH对烟气颗粒滤膜进行连续萃取,进而采用SPE对萃取液中HULIS组分进行纯化.
1.2.1 纯水-NaOH连续萃取 根据采样滤膜上的单位面积烟气颗粒物负载量(1.7~5.7mg/cm2),取1.5~3cm2的颗粒滤膜,加入20mL超纯水,置于超声仪中25℃超声30min.利用0.45μm水系滤头进行过滤,重复2次合并滤液得到40mL滤液,即水溶性有机物(WSOM).利用40mL的0.1M NaOH对残余样品膜片进行萃取,超声30min后滴加适量HCl调节萃取液pH值至2左右,最后利用0.45μm水系滤头进行过滤,得到40mL滤液,即碱溶性有机物(ASOM).
1.2.2 固相萃取(SPE) 利用SPE方法对上述WSOM和ASOM进一步纯化,分别得到水溶性和碱溶性腐殖质(HOLISws,HULISAS)具体方法参见文献[19].
1.3 仪器分析
WSOM、ASOM和HULIS物质的TOC含量利用TOC-VCPN分析仪(Shimadzu,Japan)的NPOC模式进行测定.利用紫外-可见光光谱仪(UV-2600, Shimadzu,Japan)对各类BrC吸收光谱进行测定,扫描范围为200~700nm,扫描间隔1nm.采用荧光光谱仪(F-4600,Hitachi,Japan)对BrC样品进行三维荧光光谱分析.激发和发射波长范围分别设置为200~400和280~520nm,扫描间隔均为5nm,扫描速度为2400nm/min.所有样品信号最后利用空白样品信号进行校正.
1.4 数据处理与分析
1.4.1 排放因子(EF) 薪柴燃烧的BrC排放因子计算公式如下:
式中:EF表示类BrC的排放因子,g/kg;m表示类BrC的排放总量,mg;dry表示薪柴燃烧干基量,g;TOC表示类BrC的TOC测试含量,mg/L;V表示类BrC萃取或纯化体积,L;0表示烟气颗粒滤膜总面积;A表示类BrC分离或纯化对应滤膜面积,cm2;为采样气流稀释比.
1.4.2 光谱参数 本研究中从紫外-可见光吸收光谱和荧光光谱中提取UV250、2/3、SUVA254、SUVA280、AAE、MAE365、FI、HIX、BIX和新鲜度指数(:)等光谱参数,用以描述薪柴燃烧排放BrC的含量、分子特征和光学特性.
UV250是指250nm处的吸收值,用于指示WSOM和HULIS的吸光性物质含量[13,19,23,25].2/3是250和365nm处UV-vis吸光度之比,该值大小与溶解性有机物的分子量和芳香度成反比[19,22-23]. SUVA254和SUVA280值与溶解性有机物的分子量和芳香度成正比[19,22],其计算公式[19,22-23]为:
式中:A表示波长(本研究选择254nm和280nm)处的吸光度;指光皿长度(0.01m);表示样品的TOC值,mg/L.
韩国高校教师学术道德教育实施主体呈现多元化特征。首先,为防范高校教师出现学术道德失范与不端等问题,在全社会形成良性的学术研究道德风气,韩国《学术振兴法》第15条明确规定,教育部作为高校教师学术道德教育的最高决策管理机构,全面负责资助、管理、监督高校教师的学术道德教育工作①(韩)韩国国会,学术振兴法(N):第15条第2至4项。,是韩国学术道德教育的主管部门。而作为政府层面的学术道德教育工作则由韩国教育部下设“国家科学技术人力开发院”,以及韩国未来科技部下设“韩国研究财团”共同组织实施。
Angstrom指数(AAE)表征BrC的光吸收强度的波长依耐性[3,19,24],计算公式为:
A
l
=
K
´
l
-
AAE
(4)
本文范围是330~400nm,为常数.
质量吸收指数(MAE365)是用以表征BrC光吸收能力的重要参数[13,19,25],计算公式为:
式中:365为波长在365nm处的吸光度.
腐殖化指数HIX[16,25-26]为激发波长为254nm时,发射光谱435~480nm区间积分值与300~345nm区间积分值之比,该值越大表明溶解性有机质(DOM)的腐殖化程度越高.荧光指数FI[16,26]为激发波长为370nm时,荧光发射光谱在470与520nm处的强度比值,该值越大表明芳香氨基酸对DOM荧光强度的贡献率越大.自生源指数BIX[16,26]为激发波长在310nm时,发射光谱在380与430nm处荧光强度的比值,反映自生源贡献的大小.新鲜度指数[26-27]为激发波长为310nm时,发射光谱在380nm荧光强度和420~435nm区间最大荧光强度的比值,反映新生DOM贡献大小.
本研究采用Microsoft Excel 2016, Origin 2018和CorelDRAW X8进行数据处理和作图.本研究中数据结果均以平均值(±标准偏差)表示(=4).
2 结果与讨论
2.1 薪柴燃烧排放BrC的组成和排放特征
杨木和毛竹燃烧排放出大量的BrC组分,其中WSOM、ASOM、HULISWS和HULISAS分别占对应烟气PM2.5质量的(以C计,下同)34%和37%、12%和19%、15%和17%、6%和7%.HULIS是大气气溶胶中重要的光吸收物质[13,20,22-23],因此本研究对薪柴燃烧排放的HULIS组分进行了观测.结果显示,杨木和毛竹燃烧排放HULISWS(以TOC计)分别占WSOM的44%和49%,而以UV250计[19,23],相对比例分别升高至60%和53%.同时,HULISAS占薪柴燃烧排放ASOM的34%~57%(以TOC含量计)和72%~ 74%(以UV250计).这些结果同Fan等[13,19]报道的薪柴和农作物秸秆燃烧排放HULIS相对含量类似,说明HULIS组分是BB排放WSOM和ASOM中重要组分,富集了大量的吸光性物质.另一方面,薪柴燃烧排放的总BrC总量(BrCT= WSOM + ASOM)约占烟气PM2.5质量的46%~56%,HULIS的总量(HULISWS+HULISAS)约占总烟气PM2.5质量的21%~24%,均高于本课题组前期研究的松木和杉木的BrCT相对含量(35.6%~39.9%)[19]和HULIS的相对含量(6.4%~ 16.9%)[13,19].这些差异可能归因于薪柴燃料化学组成、燃烧条件和燃烧状态等的差异[28-29].
图2 杨木和毛竹燃烧BrC排放因子
2.2 紫外-可见光吸收特征
2.2.1 UV-vis光谱 本研究观测了薪柴燃烧排放BrC经TOC校正过的紫外-可见光吸收光谱特征,如图3所示,各类BrC在200~700nm区间均呈现出光吸收强度随波长增大而减小的趋势,同典型的大气BrC的吸收光谱特征类似[13,24].
尽管各类BrC的UV-vis吸收光谱特征类似,但是在吸收强度和峰位置方面存在显著的差异.对比吸收强度发现,杨木和毛竹排放HULISWS和HULISAS组分的特征吸收强度均高于对应的WSOM和ASOM,说明HULIS是溶解性BrC中主要的吸光类物质,与前期报道的BB气溶胶和大气气溶胶中HULIS的特征类似[13,19,23].其中,HULISAS的特征吸收光谱明显高于其他类型BrC,说明HULISAS具有最强的芳香性和光吸收能力.另一方面,就UV-Vis吸收谱图中峰位置而言,杨木和毛竹排放WSOM和HULISWS吸收光谱在250~270nm区间均呈现出明显的吸收峰,尤其是WSOM组分.该结果与Fan等[13,19]研究中其它类型BB排放WSOM和HULIS的吸收光谱特征类似,这类峰的出现主要是由于有机物中C=C和C=O双键π-π*电子跃迁所引起的[22-23,30].
2.2.2 UV-vis吸收光谱特征参数 本研究对薪柴燃烧排放BrC的23、SUVA254和SUVA280值进行分析,用以表征各类BrC的分子特征.由表2可看出,杨木和毛竹燃烧排放HULISWS的2/3值分别为6.2和9.4,均低于对应WSOM的值(6.6和15.9); HULISWS的SUVA254(以C计,下同)为3.1m2/g,高于对应WSOM值(2.4m2/g和3.0m2/g).SUVA280呈现特征与SUVA254类似.另一方面,相对于ASOM,薪柴燃烧排放HULISAS同样表现出较低的2/3值和较高的SUVA254和SUVA280值.这些结果说明HULIS组分是WSOM和ASOM中重要的芳香性有机混合物,与Fan等[13,19]报道的BB排放HULIS的特征一致.同时,HULISAS的2/3值均低于、SUVA254和SUVA280值均高于同类薪柴燃烧排放HULISWS的相关值,表明HULISAS比HULISWS芳香性更高.
图3 杨木和毛竹燃烧排放BrC的校正UV-vis吸收光谱
表2 杨木和毛竹燃烧排放BrC的UV-vis光学特征参数
AAE和MAE365是表征BrC光吸收特性重要的参数.从表2可看出,薪柴燃烧排放WSOM和HULISWS的AAE分别为10.5~11.1和7.4~8.9,说明薪柴燃烧排放水溶性BrC的光吸收具有较强的波长依赖性.该结果同前期大量报道的BB[13,19-20]和大气气溶胶[7,24,31-32]中水溶性BrC的AAE值(6.2~9.2)类似.同时ASOM和HULISAS的AAE值分别为7.3~7.4和6.2~6.8,同Fan等[19]报道的BB排放碱溶性BrC的AAE值(5.75~6.93)类似,亦说明碱溶性BrC的光吸收同样具有强烈的波长依赖性.另一方面,薪柴燃烧排放WSOM和HULISWS的MAE365分布为(以C计,下同)(0.4~0.9)m2/g和(0.8~1.2)m2/g.观测值基本在BB[13,19-20]气溶胶中水溶性BrC的MAE365[(0.86~ 1.60)m2/g]和大气气溶胶[4-5,7,14,24,31-32]中水溶性BrC的MAE365[(0.13~1.79) m2/g]范围内.由此说明BB排放BrC具有与大气气溶胶中BrC的类似的吸光能力.此外,ASOM和HULISAS的MAE值分别是0.8~1.2和1.7~2.1,分别高于对应WSOM和HULISAS值,该结果类似于前期报道的其他类型BB排放特征[19],说明碱溶性BrC比水溶性BrC具有更强的光吸收能力.值得注意的是,HULIS是薪柴燃烧排放BrC中重要的吸光物质,其中HULISAS光吸收能力最强,其MAE365值几乎是HULISWS的2倍.
2.3 荧光光谱特征
2.3.1 三维荧光光谱 三维荧光光谱(3DEEM)技术可有效鉴别出DOM中不同类型的荧光发色团,根据其组成特征进而判断DOM的性质和来源.近年来,3DEEM已广泛应用于雨水[16,26,33-35]、云雾[36]、BB气溶胶[13]和大气气溶胶[37-39]中WSOM和HULISWS的研究.本研究对杨木和毛竹燃烧排放各类型BrC的3DEEM特征进行了观测和分析,具体谱图见图4.
从图4可看出,杨木和毛竹燃烧排放WSOM、ASOM、HULISWS和HULISAS的3DEEM中均呈现出2类主要的荧光峰,分别为荧光峰T1(E/E= 220~ 225nm/340~360nm)和荧光峰T2(E/E= 255~260nm/ 330~340nm).查阅相关文献发现[16,34,40],荧光峰T1和T2均可能归属为类色氨酸荧光峰.此外,荧光峰T2还可能归属为芳香类氨基酸和类酚类物质[13,34].这些结果说明杨木和毛竹燃烧排放BrC中的荧光发色团以类色氨酸物质或芳香类氨基酸和类酚类荧光物质组成为主.荧光峰T1和T2常在雨水[16,34,40]、BB气溶胶[13]和大气气溶胶[39,41]的WSOM和HULISWS中被检测到.相比而言,本研究中薪柴燃烧排放BrC的荧光峰T1和T2的强度均显著高于雨水和气溶胶样品中的BrC,而后者的荧光峰以紫外光区类腐殖质荧光峰(E/E=220~260nm/380~460nm)和可见光区类腐殖质荧光峰(E/E=320~360nm/420~460nm)为主[16,26,33-35,37,39-41].这些荧光峰的差异表明薪柴燃烧排放BrC与雨水和气溶胶BrC的荧光物质组成存在明显区别,而后者以类腐殖质荧光物质组成为主,说明雨水和气溶胶中BrC的腐殖化程度较高.因此,大气环境中BrC的类蛋白荧光峰可归属为BB源的贡献.相对而言,荧光峰T1是杨木和毛竹燃烧排放各类BrC中最主要的荧光峰.通过比较分析发现,薪柴燃烧排放HULISWS荧光峰T1强度占WSOM的55%~ 72%,HULISAS荧光峰T1强度占对应ASOM的99%~ 118%倍.这些数据明显高于以TOC计的HULISWS/ ASOM和HULISAS/ASOM比例,说明HULIS组分是WSOM和ASOM重要的荧光发色物质.另一方面,突出的荧光强度百分比(特别是HULISAS)可能与SPE能有效分离WSOM和ASOM中的荧光淬灭物质,如盐类和过渡金属等有关[23].
2.3.2 荧光特征参数分析 为了进一步分析杨木和毛竹燃烧排放BrC的光谱特征,本文对各类BrC的荧光特征参数进行了分析,具体结果如表3所示.由表3可看出,杨木和毛竹燃烧排放WSOM的HIX值范围是0.06~0.17,该值基本低于前期报道的雨水[16,26,36,38]和大气气溶胶[25,37,42]中WSOM的HIX值(0.74~6.79).说明薪柴燃烧排放WSOM的腐殖化程度要比大气环境中的低,这与后者的复杂来源(包括大气过程)有关[25,37].例如,具有显著BB来源的冬季气溶胶WSOM的腐殖化程度明显低于夏季[37];经过强烈老化过程的灰霾期气溶胶WSOM的腐殖化程度明显高于非灰霾期[25].其次,HULISWS的HIX值为0.24~0.43,高于对应WSOM,说明前者具有更高的腐殖化程度,与其类腐殖质物质属性一致.该结果与前期研究报道的广州气溶胶中HULISWS的HIX值高于WSOM结果一致[25].另外,HULISAS的HIX值(0.67~1.05)也明显高于对应ASOM值(0.62~0.8),同时也高于对应HULISWS值,说明HULISAS是腐殖化程度最高的BrC.
FI、BIX和值可用以表征DOM的自生源贡献大小[37,42]及其芳香性强弱[42-43].本研究中,杨木和毛竹燃烧排放WSOM的FI、BIX和值分别是2.10~2.28、2.17~2.40和1.89~2.02(表4),这些值要高于实际观测的雨水和气溶胶中WSOM的相关结果[26,36-37].例如,雨水和气溶胶中WSOM的FI、BIX和值报道范围分别是1.1~1.83[36-37]、0.64~ 1.4[36-37]和0.74~0.84[26].前期研究结果表明,FI>1.9和BIX>1均指示DOM的高自生源贡献[16,26,37,42],然而此处薪柴燃烧WSOM具有较高的FI和BIX值并不是由于自生源的贡献.由此说明,大气中WSOM呈现较高的FI和HIX值也可归属为生物质燃烧的贡献.例如,Qin等[37]研究表明冬季大气PM2.5中WSOM的FI和HIX值均高于夏季的,可能因为BB对前者有重要贡献造成的.而:反映了新产生的WSOM在整体WSOM中所占的比例,薪柴燃烧排放WSOM具有较高的:值说明其新鲜排放的本质.另一方面,薪柴燃烧排放HULISWS的FI、BIX和:值分别是1.90~2.11、1.32~1.66和1.21~1.47,均低于对应WSOM值.同时,HULISAS的此3类荧光光谱参数值也低于对应ASOM值.这些结果说明HULIS比对应WSOM或ASOM具有更高的芳香性,这与前面2/3、SUVA254和SUVA280反映结论一致.
2.4 光学参数相关性分析
通过对杨木和毛竹燃烧排放的4种类型BrC(=32)的9类光学参数进行相关性分析,研究薪柴燃烧排放BrC的光学特性与物质组成和分子结构之间的关系,结果如表3所示.可以看出,MAE365与SUVA254和SUVA280(=0.744~0.806,<0.01)以及与HIX(= 0.798,<0.01)具有显著正相关关系,同时与2/3值呈现显著负相关性(=−0.687,<0.01).这些结果说明薪柴燃烧排放BrC的光吸收能力与其芳香性和腐殖化程度呈显著正相关.而AAE与2/3和HIX具有显著相关性,其相关系数为0.786(<0.01)和−0.881(<0.01),说明薪柴燃烧排放BrC光吸收的波长依赖性与其芳香性和腐殖化程度呈负相关关系.范行军等[25]研究发现广州气溶胶中WSOM和HULISWS的HIX与MAE365和AAE亦分别呈现出显著正相关和负相关关系,同样表明大气BrC的腐殖化程度与其光吸收特性具有显著相关性.另外,本文中BrC的MAE365、FI、BIX和具有显著的负相关(−0.448~−0.691,<0.05),而AAE与这些参数呈现显著正相关(0.560~0.677,<0.01).因此,基于BrC的荧光发色团组成和性质的研究有助于对其光吸收特性的认识.
表3 薪柴燃烧排放BrC各光学参数之间的相关性
注:* *表示在0.01水平(双侧)上显著相关,*表示在0.05水平(双侧)上显著相关.
3 结论
3.1 薪柴燃烧可排放出大量的WSOM、ASOM、HULISWS和HULISAS组分,其含量分别占烟气颗粒质量的34%~37%,12%~19%,15%~17%和6%~7%,对应排放因子分别为5.5~10.9、2.0~5.5、2.4~5.1和1.0~1.9g/kg,说明薪柴燃烧对大气BrC具有重要的贡献.
3.2 薪柴燃烧排放HULIS的SUVA254和MAE365分别为3.1~4.0m2/g和0.8~2.1m2/g,均高于对应WSOM和ASOM的相关值,说明HULIS是薪柴燃烧排放BrC中主要的芳香性有机物且具有较强的光吸收能力;相比而言,HULISAS的芳香度和光吸收能力最强,说明碱溶性大分子有机物亦是不可忽视的一类吸光性物质.
3.3 3DEEM分析结果显示薪柴燃烧排放BrC的发色团均以类色氨酸为主,这与大气BrC的荧光发色团以类腐殖质为主的组成特征差异明显;与BrC的HIX值(0.06~1.05)基本低于实际大气气溶胶中WSOM的观测结果一致.说明薪柴燃烧排放BrC腐殖化程度低,可能会经过复杂的大气过程改变其荧光物质组成.
3.4 薪柴燃烧排放BrC的AAE和MAE365与2/3、SUVA254、HIX、FI、BIX和光学参数具有显著相关性,说明薪柴燃烧排放BrC的光吸收特性与其芳香度、腐殖化程度和芳香族氨基酸的含量等有重要关联.
[1] 闫才青,郑 玫,张远航.大气棕色碳的研究进展与方向 [J]. 环境科学, 2014,35(11):4404-4414. Yan C Q, Zheng M, Zhang Y H. Research progress and direction of atmospheric brown carbon [J]. Environmental science, 2014,35(11): 4404-4414.
[2] 支国瑞,蔡 竟,杨俊超,等.棕色碳气溶胶来源、性质、测量与排放估算 [J]. 环境科学研究, 2015,28(12):1797-1814. Zhi G R, Cai J, Yang J C, et al. Origin, properties, measurement and emission estimation of brown carbon aerosols [J]. Research of Environmental Sciences, 2015,28(12):1797-1814.
[3] Andreae M O, Gelencser A. Black carbon or brown carbon? The nature of light-absorbing carbonaceous aerosols [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2006,6:3131-3148.
[4] Liu J, Bergin M, Guo H, et al. Size-resolved measurements of brown carbon in water and methanol extracts and estimates of their contribution to ambient fine-particle light absorption [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013,13(24):12389-12404.
[5] Yan C, Zheng M, Sullivan A P, et al. Chemical characteristics and light-absorbing property of water-soluble organic carbon in Beijing: Biomass burning contributions [J]. Atmospheric Environment, 2015, 121:4-12.
[6] Hecobian A, Zhang X, Zheng M, et al. Water-Soluble Organic Aerosol material and the light-absorption characteristics of aqueous extracts measured over the Southeastern United States [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010,10(13):5965-5977.
[7] Du Z, He K, Cheng Y, et al. A yearlong study of water-soluble organic carbon in Beijing II: Light absorption properties [J]. Atmospheric Environment, 2014,89:235-241.
[8] 段菁春,毕新慧,谭吉华,等.广州灰霾期大气颗粒物中多环芳烃粒径的分布 [J]. 中国环境科学, 2006,26(1):6-10. Duan J C, Bi X H, Tan J H, et al. The particle diameter distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in atmospheric particle during haze period in Guangzhou [J]. China Environmental Science, 2006,26(1):6-10.
[9] 崔 杰,黄晓锋,袁金凤,等.基于在线观测的大气PM2.5中棕色碳吸光贡献估算 [J]. 中国环境科学, 2017,37(2):401-406. Cui J, Huang X F, Yuan J F, et al. Estimation of light absorption by brown carbon in PM2.5based on on-line measurement [J]. China Environmental Science, 2017,37(2):401-406.
[10] Feng Y, Ramanathan V, Kotamarthi V R. Brown carbon: a significant atmospheric absorber of solar radiation? [J] Atmospheric Chemistry and Physics, 2013,13(17):8607-8621.
[11] Laskin A, Laskin J, Nizkorodov S A. Chemistry of Atmospheric Brown Carbon [J]. Chemical Reviews, 2015,115(10):4335-4382.
[12] Chen Y, Bond T C. Light absorption by organic carbon from wood combustion [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010,10(4): 1773-1787.
[13] Fan X, Wei S, Zhu M, et al. Comprehensive characterization of humic-like substances in smoke PM2.5emitted from the combustion of biomass materials and fossil fuels [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2016,16(20):13321-13340.
[14] Cheng Y, He K B, Zheng M, et al. Mass absorption efficiency of elemental carbon and water-soluble organic carbon in Beijing, China [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2011,11(22):11497-11510.
[15] Kirillova E N, Andersson A, Han J, et al. Sources and light absorption of water-soluble organic carbon aerosols in the outflow from northern China [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2014,14(3):1413- 1422.
[16] 梁 俭,江 韬,魏世强,等.夏、冬季降雨中溶解性有机质(DOM)光谱特征及来源辨析 [J]. 环境科学, 2015,36(3):888-897. Liang J, Jiang T, Wei S Q, et al. Absorption and fluorescence characteristics of dissolved organic matter (DOM) in rainwater and sources analysis in summer and winter season [J]. Environmental Science, 2015,36(3):888-897.
[17] 孙建中,支国瑞,陈颖军,等.居民生活用煤和生物质棕色碳排放因子研究 [J]. 环境科学与技术, 2016,39(S1):338-345. Sun J Z, Zhi G R, Chen Y J, et al. Measurement of brown carbon emission factors for household use of coal and biomass in China [J]. Environmental Science & Technology, 2016,39(S1):338-345.
[18] 蔡 竟,支国瑞,陈颖军,等.中国秸杆焚烧及民用燃煤棕色碳排放的初步研究 [J]. 环境科学研究, 2014,27(5):455-461. Cai J, Zhi G R, Chen Y J,et al. A preliminary study on brown carbon emissions from open agricultural biomass burning and residential coal combustion in China [J]. Research of Environmental Sciences, 2014,27(5):455-461.
[19] Fan X, Li M, Cao T, et al. Optical properties and oxidative potential of water- and alkaline-soluble brown carbon in smoke particles emitted from laboratory simulated biomass burning [J]. Atmospheric Environment, 2018,194:48-57.
[20] Park S S, Yu J. Chemical and light absorption properties of humic-like substances from biomass burning emissions under controlled combustion experiments [J]. Atmospheric Environment, 2016,136: 114-122.
[21] 韦思业,苏玉红,沈国锋,等.农村室内薪柴燃烧的颗粒物和炭黑排放因子 [J]. 生态毒理学报, 2013,8(1):29-36. Wei S Y, Su Y H, Shen G F, et al. Emission factors of particulate matter and elemental carbon from rural residential wood combustion [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2013,8(1):29-36.
[22] Baduel C, Voisin D, Jaffrezo J L. Seasonal variations of concentrations and optical properties of water soluble HULIS collected in urban environments [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010,10(9): 4085-4095.
[23] Fan X, Song J, Peng P. Comparison of isolation and quantification methods to measure humic-like substances (HULIS) in atmospheric particles [J]. Atmospheric Environment, 2012,60:366-374.
[24] Cheng Y, He K, Du Z, et al. The characteristics of brown carbon aerosol during winter in Beijing [J]. Atmospheric Environment, 2016,127:355-364.
[25] 范行军,余旭芳,操 涛,等.广州冬季气溶胶中水溶性有机物和类腐殖质的吸光性和荧光光谱特性 [J]. 环境科学, 2019,40(2):532-539. Fan X J, Yu X F, Cao T, et al. Light absorption and fluorescence characteristics of atmospheric water-soluble organic compounds and humic-like substances during the winter season in Guangzhou. Environmental Science, 2019,40(2):532-539.
[26] 周石磊,张艺冉,黄廷林,等.基于UV-vis及EEMs解析周村水库夏秋季降雨不同相对分子质量DOM的光谱特征及来源 [J]. 环境科学, 2019,40(1):172-184. Zhou S L, Zhang Y R, Huang T L, et al. Spectral characteristics and sources of dissolved organic matter with different relative molecular weight from rainwater from summer and autumn in the zhoucun reservoir based on UV-Vis and EEMs. Environmental Science, 2019, 40(1):172-184.
[27] Kothawala D N, von Wachenfeldt E, Koehler B, et al. Selective loss and preservation of lake water dissolved organic matter fluorescence during long-term dark incubations [J]. Science of the Total Environment, 2012,433:238-246.
[28] 祝 斌,朱先磊,张元勋,等.农作物秸秆燃烧PM2.5排放因子的研究 [J]. 环境科学研究, 2005,18(2):29-33. Zhu B, Zhu X L, Zhang Y X, et al. Emission factor of PM2.5from crop straw burning [J]. Research of Environmental Sciences, 2005,18(2): 29-33.
[29] Hong L, Liu G, Zhou L, et al. Emission of organic carbon, elemental carbon and water-soluble ions from crop straw burning under flaming and smoldering conditions [J]. Particuology, 2017,31:181-190.
[30] Peuravuori J, Pihlaja K. Isolation and characterization of natural organic matter from lake water: Comparison of isolation with solid adsorption and tangential membrane filtration [J]. Environment International, 1997,23(4):441-451.
[31] Yuan J F, Huang X F, Cao L M, et al. Light absorption of brown carbon aerosol in the PRD region of China [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2016,16(3):1433-1443.
[32] Zhang X, Lin Y H, Surratt J D, et al. Sources, composition and absorption Angstrom exponent of light-absorbing organic components in aerosol extracts from the Los Angeles Basin [J]. Environmental Science and Technology, 2013,47(8):3685-93.
[33] Kieber R J, Whitehead R F, Reid S N, et al. Chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in rainwater, southeastern North Carolina, USA [J]. Journal of Atmospheric Chemistry, 2006,54(1):21-41.
[34] Santos P S, Otero M, Duarte R M, et al. Spectroscopic characterization of dissolved organic matter isolated from rainwater [J]. Chemosphere 2009,74(8):1053-1061.
[35] Santos P S, Santos E B, Duarte A C. First spectroscopic study on the structural features of dissolved organic matter isolated from rainwater in different seasons [J]. Science of the Total Environment, 2012,426: 172-179.
[36] Birdwell J E, Valsaraj K T. Characterization of dissolved organic matter in fogwater by excitation–emission matrix fluorescence spectroscopy [J]. Atmospheric Environment, 2010,44(27):3246-3253.
[37] Qin J, Zhang L, Zhou X, et al. Fluorescence fingerprinting properties for exploring water-soluble organic compounds in PM2.5in an industrial city of northwest China [J]. Atmospheric Environment, 2018, 184:203-211.
[38] Zhang Y, Gao G, Shi K, et al. Absorption and fluorescence characteristics of rainwater CDOM and contribution to Lake Taihu, China [J]. Atmospheric Environment, 2014,98:483-491.
[39] Matos J T, Freire S M, Duarte R M, et al. Natural organic matter in urban aerosols: Comparison between water and alkaline soluble components using excitation–emission matrix fluorescence spectroscopy and multiway data analysis [J]. Atmospheric Environment, 2015,102:1-10.
[40] Santos P S, Otero M, Filipe O M, et al. Comparison between DAX-8 and C-18 solid phase extraction of rainwater dissolved organic matter [J]. Talanta, 2010,83(2):505-512.
[41] Duarte R M, Pio C A, Duarte A C. Synchronous scan and excitation- emission matrix fluorescence spectroscopy of water-soluble organic compounds in atmospheric aerosols [J]. Journal of Atmospheric Chemistry, 2004,48(2):157-171.
[42] Fu P, Kawamura K, Chen J, et al. Fluorescent water-soluble organic aerosols in the High Arctic atmosphere [J]. Scientific Reports, 2015, 5:9845.
[43] McKnight D M, Boyer E W, Westerhoff P K, et al. pectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity [J]. Limnology and Oceanography, 2001,46(1):38-48.
Emission characteristics and optical properties of extractable brown carbon from residential wood combustion.
FAN Xing-jun1, CAO Tao2,3, YU Xu-fang1, SONG Jian-zhong2*, WANG Yan1, XIAO Xin1, XIE Yue1, LI Fei-yue1
(1.College of Resources and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;2.State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)., 2019,39(8):3215~3224
The study was aimed to investigate the emission characteristics and optical properties of primary brown carbon (BrC), including water-soluble organic matters (WSOM), water-soluble humic like substances (HULISWS), alkaline-soluble organic matters (ASOM), alkaline-soluble HULIS (HULISAS), emitted from household residential wood combustion. The results showed that residential wood combustion emitted large amounts of BrC. Among them, BrCT(WSOM + ASOM) were observed to make up 46%~56% of total smoke PM2.5mass, and the emission factors of them were 7.5~16g/kg. HULIS were important light absorber in primary BrC, which accounted for 44%~46% of BrCT. The SUVA254, MAE365and AAE values for primary BrC were 1.9~4.0m2/g, 0.4~2.1m2/gand 6.2~11.1, respectively, indicating that the primary BrC emitted from wood combustion exhibited high aromaticity, strong light absorbing capacity and its light absorption presented strong wavelength dependence. 3DEEM results showed that the protein-like substances were dominant fluorophores for primary BrC fractions. It was significantly different from the fluorescent characteristics for WSOM in rainwater and atmospheric aerosols, in which the humic-like substances were predominant fluorophores. The correlation analysis revealed that MAE365present strong positive correlations with HIX and SUVA254, while strong negative correlations were found with2/3, FI, BIX and:. It implied that the light absorption of primary BrC emitted from residential wood combustion were greatly related to their aromaticity, humification degree, autochthonous and freshness characteristics. The results obtained in this study are helpful to better understand the emission characteristics of BrC from BB, and also can provide such deep insight into the sources and environment effects of atmospheric BrC.
residential wood combustion;brown carbon;emission characteristics;light absorption;fluorescence spectral properties
X513
A
1000-6923(2019)08-3215-10
范行军(1987-),男,安徽六安人,讲师,博士,主要研究方向为大气气溶胶中棕色碳的光学特征和来源解析.发表论文10篇.
2019-01-28
国家自然科学基金资助项目(41705107,41673117);安徽省科技重大专项(16030701102);安徽省教育厅重点项目(KJ2017A520);安徽省自然科学基金资助项目(1808085MB49,1708085QD85)
* 责任作者, 副研究员, songjzh@gig.ac.cn