特别说明:本文由中科院广州地球化学研究所(以下简称“广州地化所”)授权发布,来源南方都市报,内容有调整。

亚洲最大的室内雾霾舱就藏在中科院广州地球化学研究所。

读完这句话,办公室一片困惑,为什么还特意在广州搞一个,我们明明有很多室外雾霾舱啊!

据地化所空气污染和大气环境学科组负责人王新明介绍,这个烟雾舱是国内首个室内大型雾霾舱,也是亚洲最大的室内雾霾舱,2006年开始筹建并于2011年建成。他介绍,“臭氧和PM2.5是我国当前主要空气质量难题,建设烟雾舱,其实就是要搞清楚我国复合污染背景下这些二次污染物是如何生成的,弄清灰霾形成的内在机制。”

雾霾舱长什么样?30立方米“透明物体”

位于天河区科华街的地化所有机楼二楼,这正是烟雾舱实验室的所在位置。烟雾舱反应器30立方米,附设有一套总造价约2000万元的精密的实时在线监测系统,监控反应器内各种空气污染物发生的物理化学反应过程。

整个透明装置就是特氟龙反应器,因为特氟龙具备惰性,不会与空气中的化学物质发生反应,所以选用这种材料。

打开烟雾舱大门,一个巨大的“透明物体”呈现眼前,它几乎占据整个房子的空间。

在该透明物体的底部和四周是传感器,这些传感器用来监控光、温度、湿度等外界环境因素。

“平时在进行实验时,大门紧闭,必须保证整个空间完全封闭。这层透明膜是一种特氟龙膜,整个透明装置就是特氟龙反应器,里面装的是纯净空气。”

据介绍,特氟龙具备惰性,不会与空气中的化学物质发生反应,所以选用这种材料。地化所公共支撑部博士赵劲松介绍,由于空气中含有颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、氨气、挥发性有机物等,所以在进行试验之前,实验人员要先把反应器的空气净化后,才能进行模拟实验。

事实上,雾霾的内因是空气中的颗粒物污染加剧所致,这也是雾霾形成的根源。

在很多时候,大家都存在这样的疑惑,机动车尾气排放时大家看不到黑烟,但雾霾就像个灰色的“云朵”盘旋在头顶,影响了市民的生活和工作。

王新明解释,成霾的颗粒物大多并不是直接排放的,而是经过大气反应二次生成。

“我们在烟雾舱中模拟可以看到,机动车尾气在光照下会有新的粒子生成,颗粒物的粒径也在不断增长,长大到粒径与可见光波长相近的时候,就会因米氏散射而产生消光现象。我们在雾霾天看到天变得灰蒙蒙的,主要也就是因为这些细颗粒物把我们肉眼能感知的可见光给消掉了。”

要做哪些准备?收集的空气要先过滤

“造成雾霾的PM2.5主要组分有硫酸盐、硝酸盐以及有机气溶胶等,其中有机气溶胶是PM2.5的一个重要组分。对广州来说,它占到PM2.5近50%。”为了研究汽车尾气一次排放和二次生成有机气溶胶的情况,地化所在读博士生邓威在烟雾舱里进行柴油车尾气的实验。

“实时系统监控的是空气质量情况,实际大气中有成千上万的污染源,烟雾舱是就某个单独的污染源进行模拟实验。在实际观测中,遇到一些不能解释的问题,我们就用烟雾舱进行模拟,从而也更好地解释环境监测站检测到的现象,两者之间是互补关系。”邓威认为,烟雾舱是一个有效手段,可排除在真实大气过程中的复杂气象因素。

比如,柴油车尾气的实验需要用纯空气为介质,再导入柴油车尾气进行模拟实验。

邓威介绍,纯空气的收集可以直接在烟雾舱进行,舱内有一个空气压缩机,通过空气压缩机把空气注入到储气罐里,然后用一系列吸附剂除去空气中的二氧化硫、氮氧化物、氨气及挥发性有机物,并且把颗粒物过滤掉,就成了干净的空气。

接下来,需要把尾气直接导入到装有纯净空气的特氟龙反应器中,调节好温度、湿度后,再启动由135个灯组成的光源阵列,让烟雾舱内的光照条件也接近自然环境。尾气中的污染气体在光照下开始发生化学作用,通过专业仪器检测的数据显示,可以“看到”小颗粒在“疯狂”生长,数量和质量都呈现增长状态。

污染源怎么分析?每2秒测一次颗粒浓度

在烟雾舱实验过程中,成千上万种化学反应在进行着。

在烟雾舱旁边的另外一件房间内,这些化学反应发生的各种数据正被先进的仪器记录着。比如说,在特氟龙反应器里面氮氧化物、氨气、臭氧、一氧化氮和二氧化氮浓度含量多少,颗粒物的大小和数量等,在对应的仪器上都有具体显示。

“你可以通过监测屏幕看到,舱内的气态挥发性有机物是如何从气体变化到颗粒,还会显示出实时的颗粒浓度。”邓威介绍。

例如,汽车尾气中含有甲苯,甲苯在经过光照等反应后,会从气态变成颗粒物,其中就有仪器检测气态甲苯浓度在减少,颗粒物中对应转化产物在增多,每2秒钟测出来一次,非常快速精准。邓威补充解释,除了汽车尾气原有排放的颗粒物外,绝大部分颗粒物都是经过二次生成的,就像上述甲苯的二次生成反应。

基本上一次实验持续时间至少要8个小时,烟雾舱实时产生的各种数据仪器室内的几十台仪器同步记录,全程自动化操作。之后,实验人员再根据数据检测结果进行深入分析。例如,可以算出汽车每烧1升油可以产生多少有机颗粒物,进而知道汽车尾气对雾霾形成的“贡献率”。

那么,车辆尾气污染源又是怎么获取?邓威介绍,在实验进行之前,将车辆放在测量台架上,就像在机动车检测站那样,车辆发动后标准工况运行,以此收集所排放的尾气进行模拟实验。

烟雾舱清洗要花一天多时间

在烟雾舱每进行完一次试验之后,邓威都要对透明的特氟龙反应器装置进行清洗,以免下次实验产生交叉污染。30立方的反应器用大流量干净的空气多次注入再抽空,清洗干净要花一天以上的时间。

烟雾舱研究可以深层次看不同污染的复合效应

王新明表示,臭氧和PM2.5是空气污染难题。最早在2006年左右,他开始观测分析PM2.5。近几年,王新明通过烟雾舱实验发现,煤燃烧排放的二氧化硫和机动车尾气在形成细颗粒物方面是相互促进的,机动车尾气碰到农业排放的氨气也会造成颗粒物的爆发性增长,这也就是我们通常所说的一加一大于二。所以对雾霾的防治是一个系统工程。

“一直以来,我们都是用纯空气为介质再导入污染物进行模拟实验,到现在我们可以直接采用自然空气为介质进行实验,这样更接近实验情况。”王新明称,与烟雾舱在纯净空气中模拟的实验相比,甲苯在实际空气中进行测试时,生成二次有机气溶胶的数量要高达10倍以上。

目前国内外已建成多个大型大气环境模拟舱

目前以欧美为代表的发达国家,已建成了多个大型大气环境模拟舱。例如,德国SAPHIR大气模拟反应室(370立方米)、西班牙EUPHORE烟雾箱(204立方米)、美国加州UNC烟雾箱(150立方米)等。这些国家都发展出了适合本地大气污染状况下的空气质量诊断和预测模型。其中,欧洲的烟雾箱主要进行单一的大气化学过程研究,并验证了多个大气化学机制;美国、澳大利亚的烟雾箱则主要用于复合大气污染过程模拟和健康效应的研究。

据介绍,烟雾箱常用由塑料膜、玻璃、不锈钢等惰性材料制成的容器来模拟大气层。目前我国仅有为数不多的中小型模拟舱。在中科院广州地球化学研究所建有30立方米室内烟雾箱、中国环境科学研究院大气所的光化学烟雾箱、中科院生态环境研究中心在北京奥运会期间建设的4个6立方米室外烟雾箱。此外,在清华大学环境科学与工程系也拥有目前国内较完备的烟雾箱。

5月19日,这个雾霾舱实验室,将在中科院公众科学日活动中,向大家开放。

欢迎来现场玩,也欢迎在知乎的线上公众科学日发布想法或内容,和我们互动!2018 年中科院公众科学日

对了,本次开放的重点实验室,除了雾霾舱,还有二次等离子探针质谱仪和  \ce{^{14}C} 专用加速器质谱仪等大型核武器级科学研究仪器(造价1.5亿元人民币以上)……

出品:南方都市报科学新闻工作室

主持:陈养凯 采写:南都记者 钟丽婷

实习生 郭丹萍 摄影:南都记者 邹卫

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:中国科普博览

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