儀器概述
二次顆粒物氧化生成反應(yīng)器（PAM）通過(guò)準(zhǔn)確控制溫度、相對(duì)濕度、氧化劑濃度與相互比例等參數(shù)，在反應(yīng)腔內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)已知的高氧化環(huán)境，能夠以分鐘為時(shí)間分辨率模擬大氣環(huán)境中氣體VOC前體物的氧化過(guò)程。該設(shè)備還能夠與許多氣溶膠觀(guān)測(cè)設(shè)備搭配使用，是一次氣溶膠非均相氧化研究與二次氣溶膠生成研究的重要工具。
圖1. 二次顆粒物氧化生成反應(yīng)器外觀(guān)
應(yīng)用范圍
- 通過(guò)前體物的"氣體-OH自由基"或者"O3"氧化對(duì)二次氣溶膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室或者外場(chǎng)觀(guān)測(cè)研究；
- 一次氣溶膠的非均相氧化研究；
- 同時(shí)兼容氣體和粒子的質(zhì)譜技術(shù)；
- 對(duì)實(shí)驗(yàn)室生成二次氣溶膠的煙霧箱技術(shù)的補(bǔ)充；
技術(shù)特點(diǎn)
- 基于賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State）流動(dòng)反應(yīng)器設(shè)計(jì)；
- 可外場(chǎng)使用且能夠與多種氣溶膠設(shè)備兼容；
- 在較高的分辨率條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)紫外燈（初始發(fā)射強(qiáng)度：λ=254 nm）可獲得不同尺度的氧化劑暴露時(shí)間；
- 反應(yīng)器中OH、HO2、O3的濃度是日間對(duì)流層中濃度的100-10000多倍，但其相對(duì)比例保持近似，能夠在幾分鐘內(nèi)模擬實(shí)際大氣中一天的氧化過(guò)程；
性能展示
圖2. OH自由基標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間變化序列，實(shí)驗(yàn)使用SO2作為反應(yīng)示蹤物。供給UV燈的電壓從0-10V逐步上升，從而逐步改變紫外輻射強(qiáng)度和臭氧在PAM腔中的混合比。
圖3. 利用PAM得到的測(cè)量結(jié)果。在賓夕法尼亞州匹茲堡Fort Pitt隧道進(jìn)行的觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，排放的氣態(tài)污染物在PAM中經(jīng)OH自由基氧化生成的二次氣溶膠顆粒，包括銨鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)物?；疑珔^(qū)域所在時(shí)間表示隧道內(nèi)的氣體不經(jīng)過(guò)PAM氧化直接到達(dá)測(cè)量?jī)x器。
技術(shù)指標(biāo)
- 主要功能: 模擬大氣中氧化反應(yīng)及粒子生成過(guò)程
- PAM反應(yīng)腔規(guī)格: 直徑：22cm，長(zhǎng)： 46cm；體積：13.3L
- UV柵格燈: 185nm和254nm
- 氣體流量: 5-20L/min，可調(diào)
- OH接觸量: 2*1011到2*1012個(gè)分子*cm-3*sec，滯留時(shí)長(zhǎng)為100秒
- 尺寸、重量: 尺寸[長(zhǎng)(cm) x 寬(cm) x 高(cm)] 60.96 x 45.72 x 53.34
重量（kg）23.14 - 功耗: 最高：160W，110VAC，60Hz或者220VAC，50Hz
- 可選選項(xiàng): 臭氧反應(yīng)腔，納分增濕器，RH/T傳感器，自動(dòng)三通閥，控制和數(shù)據(jù)記錄軟件
- 所需配件: V燈所需的高純N2載氣，針型閥和流量控制器
工作原理
設(shè)備結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由進(jìn)樣口、臭氧發(fā)生腔、樣品加濕器、PAM反應(yīng)器（含兩個(gè)UV柵格燈）、狀態(tài)檢測(cè)探頭以及相應(yīng)的外部控制軟件構(gòu)成。
圖3. PAM結(jié)構(gòu)原理圖
設(shè)備的運(yùn)行流程為：壓縮后的室內(nèi)純凈空氣通過(guò)零氣發(fā)生裝置，產(chǎn)生零氣后經(jīng)過(guò)一系列過(guò)濾裝置（如干燥器、活性炭、一氧化碳吸收器與HEPA過(guò)濾器等），處理后的氣體通過(guò)一個(gè)含有去離子水的玻璃起泡器進(jìn)行增濕處理，濕度可以通過(guò)軟件對(duì)流量的控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后用185nm和254nm的紫外光對(duì)濕潤(rùn)和凈化過(guò)的空氣進(jìn)行處理，從而在PAM中生成相應(yīng)的氧化劑（OH與HO2主要來(lái)自于H2O，O3主要來(lái)自于O2），通過(guò)改變相對(duì)濕度和紫外燈的功率能夠控制各種氧化劑所占的比例。
與此同時(shí)，含有氣體和氣溶膠粒子的樣品則通過(guò)最下面的進(jìn)氣管道直接進(jìn)入PAM（可通過(guò)閥門(mén)控制），持續(xù)的氣流能夠提供足夠的滯留時(shí)間，使氣相前體物充分氧化成氣溶膠粒子，同時(shí)通過(guò)PAM腔室的氣流能夠孤立氣溶膠樣品使其不受勢(shì)阱的影響。氣相前體物和氣溶膠粒子會(huì)在含有高濃度氧化劑的PAM腔室內(nèi)迅速發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生新粒子或者生成二次有機(jī)氣溶膠。用戶(hù)可以根據(jù)需要將生成的樣品通入相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行分析研究。
參考文獻(xiàn)
- 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.
- 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.