青藏高原固体燃料燃烧排放棕碳的分子组成及吸光特征

棕碳(BrC)是一种在近紫外和可见光区域有强烈吸收的碳质气溶胶。住宅固体燃料的燃烧排放是大气中棕碳的重要来源。在青藏高原(QTP)地区采暖季节牦牛和藏羚羊等动物粪便在内的固体燃料的消耗量高达10990 Gg,造成了严重的室内空气污染。并且,严重的BrC污染导致分子吸收特性及其辐射强迫对气候敏感的QTP地区BrC的影响存在很大的不确定性。因此,本研究选取我国青藏高原地区三种常用的住宅固体燃料(牦牛粪、藏羊粪和烟煤),区分烹饪和燃烧情景,开展现场燃烧实验,获取源燃烧排放的BrC样品;其次通过超高效液相色谱——四极杆飞行时间质谱仪、紫外-可见+液体波导毛细管流通池光谱仪Smoothened Agonist和傅里叶变换红外光谱仪等技术手段对燃烧排放BrC的分子组成和光学特征进行测定,并通过机器学习偏最小二乘法将分子组成与光吸收系数结合获得单分子吸光特征;最后,本研究针对BrC中已知结构的发色团分子,结合量子化学模拟计算,揭示了典型BrC发色团化学组成的排放特征及吸光特性。本文取得的研究结果如下:本研究中藏羊粪和牦牛粪在300-550nm的BrC光吸收指数(AAE)值为4.7-5.5,牦牛粪、藏羊粪和烟煤的平均BrC的质量吸收系数(MAE)值分别为1.31、0.76和0.95 m~2g~(-1RAD001)。其中,取暖情景MAE值比烹饪情景降低了1~2倍,表明烹饪情景中排放的BrC具有更强的光吸收能力,特别是对牦牛粪。平均PM_(2.5)排放因子(EF_(PM2.5))分别为牦牛粪2.77±1.46 g kg~(-1)、藏羊粪5.63±2.14 g kg~(-1)和烟煤3.31±1.77 g kg~(-1),这表明QTP地区的动物粪便燃料可以释放大量的BrC,并具有相当高的BrC光吸收特性。此外,在辐射强迫方面,烹饪情景下三种固体燃料燃烧排放的BHepatic portal venous gasrC在300-400 nm波长下的简单辐射强迫效应(SFEs)是取暖情景燃烧的1.5-2倍,且动物粪便的不完全燃烧SFEs是燃煤的1.6倍,表明粪便燃料在缺氧取暖燃烧过程中更容易产生造成更高的BrC SFE的具有高芳香性化合物。在BrC分子组成研究方面,三种固体燃料在数量、离子强度和分子光吸收系数(Mb_(abs))方面都呈现出CHON>CHO>CHONS的特征,表明含N的BrC分子吸光能力强。其中,源燃烧排放BrC中CHO和CHON(N_2+N_4)具有长碳链和高不饱和水平的特征,对总b_(abs)的贡献高达99.7%。在烟煤排放BrC中,CHONS的Mb_(abs)占比要明显高于其余两种燃料类型,其分子均为高含氧分子,且具有较高的不饱和度,表明烟煤中含S分子式的吸光较强。对已知结构的BrC发色团分子,硝基芳香族化合物(NACs)都是发色团中排放最大的物质,占已鉴定发色团的50.6-73.0%。两种燃烧情景下NACs的排放特征均呈现出动物粪便大于烟煤燃烧的特征,且取暖情景的EF_(NACs)是烹饪情景的1.8-2.6倍,这可能是因为取暖情景可能存在不完全燃烧,会排放更多的不饱和芳香化合物。牦牛粪和藏羊粪在两种燃烧情景下排放贡献最大的是左旋葡聚糖,而阿糖醇和蔗糖分别是烟煤取暖情景(65.6%)和烹饪情景(22.7%)中贡献最大的物质。此外,量子化学模拟发现已鉴定的发色团都在紫外和近紫外区域有明显吸收,理论吸光相对贡献表明NACs是发色团中吸光占比最高的物质。本研究对BrC吸光能力和分子组成分析测定是对QTP地区BrC排放清单的重要补充,同时也为该区域BrC环境影响评估提供了科学依据。