仪器概述

二次颗粒物氧化生成反应器(英文名:Potential Aerosol Mass(PAM) Oxidation Flow Reactor;英文缩写:PAM)是由位于美国马萨诸塞州比尔瑞卡市(Billerica, Massachusetts, USA)的“飞行器研究”公司(Aerodyne Research, Inc.)制造。该仪器通过准确控制温度、相对湿度、氧化剂浓度与相互比例等参数,在反应腔内产生一个已知的高氧化环境,能够以分钟为时间分辨率模拟大气环境中气体前体物生成的氧化过程。该设备还能够与许多气溶胶观测设备搭配使用,是一次气溶胶非均相氧化研究与二次气溶胶生成研究的重要工具。

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图1. 二次颗粒物氧化生成反应器外观

应用范围

  • 通过气相前体物的气相-OH自由基或者O3氧化对二次气溶胶进行实验室或者外场观测研究;
  • 一次气溶胶的非均相氧化研究;
  • 同时兼容气体和粒子的质谱技术;
  • 对实验室生成二次气溶胶的烟雾箱技术的补充;

技术特点

  • 基于宾夕法尼亚州立大学(Penn State)流量反应器设计;
  • 可外场使用且能够与多种气溶胶设备兼容;
  • 在较高的分辨率条件下,通过调节紫外灯(初始发射强度:λ=254 nm)可获得不同尺度的氧化剂暴露时间;
  • 反应器中OH、HO2、O3的浓度是日间对流层中浓度的100-10000多倍,但其相对比例保持近似,能够在几分钟内模拟实际大气中一天的氧化过程;

性能展示

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    图2. OH自由基标定实验中的时间变化序列,实验使用SO2作为反应示踪物。供给UV灯的电压从0-10V逐步上升,从而逐步改变紫外辐射强度和臭氧在PAM腔中的混合比。

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    图3. 利用PAM得到的测量结果。在宾夕法尼亚州匹兹堡Fort Pitt隧道进行的观测实验中,排放的气态污染物在PAM中经OH自由基氧化生成的二次气溶胶颗粒,包括铵盐、硫酸盐、硝酸盐、有机物。灰色区域所在时间表示隧道内的气体不经过PAM氧化直接到达测量仪器。

技术指标

  1. 主要功能: 模拟大气中氧化反应及粒子生成过程
  2. PAM反应腔规格: 直径:20cm,长: 60cm;体积:19L
  3. UV栅格灯: 185nm和254nm
  4. 气体流量: 5-20L/min,可调
  5. OH接触量: 2*101111到2*1012个分子/cm3*s,滞留时长为100秒
  6. 尺寸、重量: 尺寸[长(cm) x 宽(cm) x 高(cm)] 60.96 x 45.72 x 53.34
    重量(kg)23.14
  7. 功耗: 最高:160W,110VAC,60Hz或者220VAC,50Hz
  8. 可选选项: 臭氧反应腔,纳分增湿器,RH/T传感器,自动三通阀,控制和数据记录软件
  9. 所需配件: V灯所需的高纯N2载气,针型阀和流量控制器

工作原理

设备结构如下图所示,主要由进样口、臭氧发生腔、样品加湿器、PAM反应器(含两个UV栅格灯)、状态检测探头以及相应的外部控制软件构成。

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图3. PAM结构原理图

设备的运行流程为:压缩后的室内纯净空气通过零气发生装置,产生零气后经过一系列过滤装置(如干燥器、活性炭、一氧化碳吸收器与HEPA过滤器等),处理后的气体通过一个含有去离子水的玻璃起泡器进行增湿处理,湿度可以通过软件对流量的控制进行调节,然后用185nm和254nm的紫外光对湿润和净化过的空气进行处理,从而在PAM中生成相应的氧化剂(OH与HO2主要来自于H2O,O3主要来自于O2),通过改变相对湿度和紫外灯的功率能够控制各种氧化剂所占的比例。

与此同时,含有气体和气溶胶粒子的样品则通过最下面的进气管道直接进入PAM(可通过阀门控制),持续的气流能够提供足够的滞留时间,使气相前体物充分氧化成气溶胶粒子,同时通过PAM腔室的气流能够孤立气溶胶样品使其不受势阱的影响。气相前体物和气溶胶粒子会在含有高浓度氧化剂的PAM腔室内迅速发生反应,产生新粒子或者生成二次有机气溶胶。用户可以根据需要将生成的样品通入相应设备进行分析研究。

参考文献

  1. E. Kang, M. J. Root, D. W. Toohey, and W. H. Brune, Introducing the concept of Potential Aerosol Mass (PAM), Atmos. Chem. Phys., 7, 5727–5744, 2007.
  2. A. T. Lambe, A. T. Ahern, L. R. Williams, J. G. Slowik, J. P. S. Wong, J. P. D. Abbatt, W. H. Brune, N. L. Ng, J. P. Wright, D. R. Croasdale, D. R. Worsnop, P. Davidovits, and T. B. Onasch, Characterization of aerosol photooxidation flow re?actors: heterogeneous oxidation, secondary organic aerosol formation and cloud condensation nuclei activity measure?ments, Atmos. Meas. Tech., 4, 445–461, 2011.