大氣氣溶膠中鐵的溶解機(jī)制研究.pdf

1、浮游生物吸收的可溶性Fe被認(rèn)為是限制海洋浮游植物生產(chǎn)力最為重要的微量元素之一，全球30％～50％“高葉綠素低營養(yǎng)鹽”(HNLC)海域因?yàn)椤叭盕e”而導(dǎo)致初級生產(chǎn)力較低。而大氣氣溶膠中鐵的輸入是遠(yuǎn)洋海域中鐵的重要來源。氣溶膠中鐵由于成結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，所以在海水中不易析出。然而在大氣傳輸老化過程中，經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，可以提高礦塵中鐵的可溶性。大氣顆粒物中鐵的溶解機(jī)制主要包括酸促進(jìn)的、有機(jī)鍵控制的和光還原溶解。研究大氣傳輸過程中氣溶膠中鐵

2、的溶解機(jī)制及可溶性，是全球氣候變化中重要一環(huán)，對研究海洋初級生產(chǎn)力及全球氣候變化具有重要意義。
　　由于沙塵氣溶膠鐵含量占全球大氣鐵循環(huán)的95％，而人為源氣溶膠（主要為化石燃料及生物質(zhì)燃燒排放）鐵含量僅占全球大氣鐵循環(huán)的5％，所以在研究氣溶膠中鐵的溶解時對人為源氣溶膠中鐵的溶解研究比較少，但最近外場觀測表明鐵的溶出率與黑炭濃度呈正相關(guān)，推測人為源氣溶膠是某些區(qū)域可溶性鐵的重要來源。有機(jī)酸促進(jìn)得鐵的溶解是大氣鐵溶解的重要過程之一，所

3、以選用針鐵礦作為模型來研究大氣中富含的小分子有機(jī)酸對鐵的可溶性的影響機(jī)制。并以上海地區(qū)一次沙塵暴為例，研究沙塵暴前后一個月內(nèi)鐵的溶解規(guī)律，全面分析影響大氣中鐵溶解的關(guān)鍵因素及溶解規(guī)律。
　　本論文主要成果如下:
　　1.人為燃燒源氣溶膠鐵形態(tài)、鐵溶解及關(guān)系研究。
　　人為源鐵的溶出率與顆粒物中鐵的形態(tài)密切相關(guān)，即使同為人為源，由于顆粒物本身鐵形態(tài)不同，鐵的溶出率有很大的差異。不論在光照條件還是黑暗條件下，人為源氣溶膠中

4、的鐵的溶出量大于中國黃土中鐵的溶出量。其中油飛灰顆粒物中鐵的溶出量最高，其次是生物質(zhì)燃燒顆粒物，煤飛灰中鐵的溶出量最低。電鏡和穆斯堡爾譜技術(shù)分析得出油飛灰中含有大量的納米級的Fe3O4和鐵的硫酸鹽，而水稻稈燃燒顆粒物中主要是鉀富含的無定型鐵，顆粒物中的鐵較易溶解;煤飛灰中鐵的形態(tài)和中國黃土類似，主要是鋁硅相鐵和晶型完好的氧化鐵，因而較難溶解。
　　2.小分子有機(jī)酸對鐵氧化物溶解的促進(jìn)作用。
　　有機(jī)鍵對針鐵礦的溶解有明顯的促

5、進(jìn)的作用。其中促進(jìn)效果:草酸＞丙二酸＞丁二酸＞甲磺酸。有機(jī)酸對鐵氧化物溶解的促進(jìn)作用與有機(jī)酸對鐵的絡(luò)合常數(shù)正相關(guān)。有機(jī)酸-COOH首先與顆粒物表面Fe(Ⅲ)絡(luò)合，在有機(jī)鍵作用下，F(xiàn)e(Ⅲ)-O鍵變?nèi)?，最后以Fe(Ⅲ)溶出。光照條件下鐵的溶出量提高且溶出的鐵中90％以上以Fe(Ⅱ)形態(tài)存在。進(jìn)行有氧/無氧對比實(shí)驗(yàn)，在無氧條件下更有利于鐵的溶出，主要是由于溶液中O2的存在，加速了顆粒物表面Fe(Ⅱ)的氧化，從而抑制了溶解;分析單一因素的促進(jìn)

6、效果時，對鐵的溶出的促進(jìn)作用:草酸＞光照＞無氧條件。
　　3.沙塵暴期間，大氣中顆粒物中總鐵含量增加，但在沙塵暴期間鐵的溶出量少于正常天氣;鐵的溶出量與酸性氣體SO2和NOx濃度成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.60、055;沙塵暴期間，受高濃度礦物、強(qiáng)勁風(fēng)速影響，SO2、NOx、CO等污染物被稀釋，濃度降低。由于酸性氣體/總鐵濃度比降低，可以推測顆粒物表面pH提高，所以抑制了沙塵暴期間鐵的溶出率。此外，礦塵中鐵的形態(tài)主要是難溶解的硅鋁