芬兰Kibron专注表面张力仪测量技术,快速精准测量动静态表面张力

热线:021-66110810,66110819,66110690,13564362870 Email: info@vizai.cn

合作客户/

拜耳公司.jpg

拜耳公司

同济大学

同济大学

联合大学.jpg

联合大学

宝洁公司

美国保洁

强生=

美国强生

瑞士罗氏

瑞士罗氏

当前位置首页 > 新闻中心

大气气溶胶表面张力测量新方法

来源: 生态环境科学 浏览 65 次 发布时间:2024-07-04

大气气溶胶作为云凝结核,通过与云的相互作用对气候产生影响。气溶胶活化为云滴,除了取决于气溶胶的粒径大小、化学成分和混合状态,更进一步地,与气溶胶的表面张力息息相关。大气气溶胶和云滴中广泛存在着具有表面活性的有机物,它们可以减小气溶胶活化时的表面张力,降低粒子增长的能量壁垒,使气溶胶更容易被活化为云滴,从而增加云滴数浓度。本次研究结果表明:有机物显著降低了污染大气中气溶胶的表面张力。


气溶胶是指悬浮在气体中的固体或液体微小颗粒所构成的气态分散体系。这些微小颗粒的来源广泛,包括自然源和人为源。在城市环境中,机动车尾气、工业排放、建筑扬尘等都是气溶胶的重要来源。气溶胶的表面张力,则是指气溶胶颗粒表面层分子间相互作用的力,它决定了气溶胶颗粒的稳定性、分散性和反应性。


有机物作为城市大气中的重要组成部分,对气溶胶表面张力具有显著的影响。研究表明,一些具有表面活性的有机物能够吸附在气溶胶颗粒表面,形成一层有机膜,从而改变气溶胶颗粒的表面性质。这层有机膜能够降低气溶胶颗粒的表面张力,使其更易于分散在大气中,同时也增加了气溶胶颗粒与其他物质的反应活性。


然而,目前表面张力的测定主要局限于实验室直接测量法和热力学、统计或经验模型计算法,针对的是特定粒径大小和已知化学成分的气溶胶粒子。外场试验中气溶胶表面张力的测量不属于常规观测项目,因此环境大气中有机物对表面张力的贡献没有得到很好的量化。在本研究中,我们提出了一种将外场观测与κ-Köhler理论相结合的方法来推导表面张力。利用云凝结核活化和吸湿增长因子的外场观测数据,我们推导了不同活化粒径的气溶胶表面张力。该方法不需要对表面张力直接测量,同时保留了与直接测量相当的测量误差。同时,该方法也不需要预先知道气溶胶的化学成分。

基于这种方法,我们计算了中国北京市2016年冬季外场观测试验中采集的城市气溶胶的表面张力。结果表明,有机物显著降低了污染大气中气溶胶的表面张力。活化干粒径约为40 nm的粒子平均表面张力为53.8 mN m-1,远低于纯水的表面张力(72.0 mN m-1),而粒径达到100 nm的粒子显示出接近纯水的表面张力值(图1)。


我们进一步比较了这次外场观测中,城市气溶胶所含有机物与各类已知化学成分的有机物造成的表面张力降低与有机物浓度的依赖关系,即Szyszkowski-Langmuir(S-L)曲线。结果表明,城市气溶胶中随表面活性有机物浓度增加导致表面张力降低的程度最接近二羧酸的依赖曲线。二羧酸在城市大气气溶胶中含量丰富,来源为人为源和生物源挥发性有机物的氧化降解,依此推测二羧酸在降低城市气溶胶表面张力方面起着关键作用(图2)。

研究进一步表明,忽略表面张力降低效应将导致在云中典型过饱和度范围内(0.23%-0.76%)超细云凝结核(直径<100 nm)的数浓度降低6.8%-42.1%。综上所述,本研究提供了有机物降低城市气溶胶表面张力的新证据,表面张力的降低将增加云凝结核的数量,从而影响云和气候(图3)。

云凝结核活化和吸湿增长因子的外场观测在全球均有开展,我们的方法可以应用于这些外场观测数据以推测各种真实大气环境下气溶胶粒子的表面张力。需要注意的是,该方法需要在一定的前提下使用。该方法假设了吸收增长因子在气溶胶吸收水分的过程中变化很小,因此表面张力的变化是影响气溶胶活化的主导因素。本次外场观测中未饱和情况下的吸湿增长因子()与饱和情况下的吸湿增长因子()比较接近,因此可以用推测表面张力。然而,吸湿增长因子随相对湿度增加可能会发生变化,原因包括溶液的非理想性、二次有机气溶胶的逐渐溶解、表面活性有机物的表体分配等。要全面考虑这些因素的影响,我们必须依赖具有表面张力和吸湿增长因子同步变化的热力学模型进行更深入的探讨。


同时,为了应对有机物降低气溶胶表面张力带来的挑战,我们需要采取一系列有效的措施。首先,加强大气污染源的控制和治理,减少机动车尾气、工业排放等有机物的排放。其次,开展针对气溶胶表面张力的研究,深入了解其影响因素和机制,为环境管理和政策制定提供科学依据。此外,加强公众的环保意识和参与度,推动形成全社会共同参与、共同治理的环境保护格局。