环境学院陈庆彩教授团队在大气污染成因和控制技术方面取得系列成果

2022-09-22 10:33 文、图/环境学院 沙桐 点击:[]

大气污染成因仍然是我国当前区域性大气污染治理的重要科学问题,大气污染末端处理技术特别是VOCs高效处理技术是控制臭氧的“卡脖子”难题。近期,我校环境科学与工程学院陈庆彩教授课题组围绕区域性大气污染规律和VOCs控制技术开展研究取得了系列进展,在环境领域权威期刊Environment International、Environmental Research、Science of The Total Environment、Journal of Environmental Chemical Engineering等发表多篇学术论文,在区域性大气污染管理策略和控制技术方面提供了理论依据和技术支撑,部分研究成果如下。

【成果1】疫情封锁对西安市大气污染来源和健康风险的影响

陈庆彩教授团队通过长时间监测获取了2020年和2019年雾霾期的大气污染物浓度、采集了大量大气污染样本,研究了2020年疫情期间封控措施对西安市大气污染特征及其大气中有毒物质化学成分的影响,并依据PMF模型分析计算了大气污染物的来源,包括大气细颗粒物(PM2.5)、及其氧化毒性(OP)。首次探讨了疫情下采取城市封控措施对中国西安细颗粒物和健康风险来源的影响,发现疫情管控可以有效降低污染物绝对浓度和健康风险,但相对毒性是增加的。研究成果有助于深入理解人为活动对大气环境的危害程度,为今后大气污染的健康风险管理提供一条途径。成果发表在环境领域TOP期刊Environmental Research上,来自哈萨克斯坦共和国的博士生Dyussenova Ainur为第一作者,陈庆彩教授为通讯作者。

【文章链接】

Dyussenova Ainur, Qingcai Chen?, Yuqin Wang, Hao Li, Hao Lin, Xuying Ma, Xin Xu.Pollution characteristics and sources of environmentally persistent free radicals and oxidation potential in fine particulate matter related to city lockdown (CLD) in Xi'an, China.Environmental Research, 2022, 210, 112899.

https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.112899

【成果2】第三极地区冰川大气污染物光学性质和组成特征

棕碳(BrC)是全球气候变化中的一个因子,在冰川融化中起着至关重要的作用。李小飞副教授等人使用三维荧光光谱仪和电喷雾电离傅里叶变换离子回旋共振质谱仪,研究了四座不同的青藏高原冰川表面雪/冰中BrC的光学性质和组成。研究表明,在青藏高原冰川表面的雪/冰中还发现了2种蛋白质样物质(PRLIS),1种腐殖质物质(HULIS)和1种未确定的BrC。木质素和脂质是青藏高原冰川中的主要成分,以CHO和CHNO分子的形式呈现。BrC在雪/冰中的光吸收能力主要受其氧化性的影响。PRLIS和未确定的物种与微生物来源和冰川当地环境(木质素和脂类)密切相关,而HULIS则受到人为排放(蛋白质/氨基糖)的显著影响。相对于黑碳,BrC引起的辐射强迫在地表雪和颗粒冰中分别占11.62±12.07%和8.40±10.37%。该研究成果有助于深入理解BrC对冰川的影响,为后续冰冻圈的研究开展打下坚定的基础。

【文章链接】

Xiaofei Li, Pingqing Fu, Lekhendra Tripathee, Fangping Yan, Zhaofu Hu, Feng Yu, Qian Chen, Jinwen Li, Qingcai Chen, Junji Cao?, Shichang Kang. Molecular compositions, optical properties, and implications of dissolved brown carbon in snow/ice on the Tibetan Plateau glaciers.Environment International, 2022,164, 107276.

https://doi.org/10.1016/j.envint.2022.107276

【成果3】西安市大气PM2.5中氧化毒性组分及其产毒新机制

陈庆彩教授在环境领域TOP期刊Environmental Research发表了题为“Oxidation potential and coupling effects of the fractionated components in airborne fine particulate matter”的研究文章。详细探讨了不同PM2.5组分对大气颗粒物氧化毒性的贡献,并揭示了其主要机制,进而探究了不同组分间氧化毒性产生的耦合效应和非均质特性。成果指出金属离子等高极性物质对水溶性PM2.5氧化活性的贡献更大,其中呼吸的氧分子是氧化毒性生成最重要的前体物质。水不溶性PM2.5组分具有重要的氧化毒性贡献,而且能够对氧化毒性的产生有较长时间的影响作用,水不溶性组分表现出多相反应特征,研究推测这部分氧化毒性与新型健康风险物质-长寿命自由基(EPFRs)直接相关。

大气PM2.5中HULIS组分和HP-WSM组分氧化还原循环简化机

【文章链接】

Hao Lin, Qingcai Chen?, Mamin Wang, Tian Chang. Oxidation potential and coupling effects of the fractionated components in airborne fine particulate matter.Environmental Research, 2022,213, 113652.

https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.113652

【成果4】关中地区降雨中大气碳质组分污染特征

李小飞副教授在环境领域TOP期刊Science of the Total Environment发表了题为Chromophoric dissolved organic carbon cycle and its molecular compositions and optical properties in precipitation in the Guanzhong basin, China的研究文章。利用激发发射矩阵荧光光谱、傅里叶变换离子共振质谱以及源解析模型研究了关中盆地大气降水中水溶性有机碳(WSOC)的光学特征、分子特性和来源。李小飞指出西安市WSOC中有两种腐殖质样物质(HULIS)和一种蛋白样物质(PRLIS)共三种荧光组分,且总荧光强度的79%由HULIS提供。木质素、蛋白质/氨基糖和脂质是主要化合物。二次前体物、煤燃烧和二次气溶胶是西安WSOC的主要来源。此外,估算发现西安大气降水中WSOC的湿沉积量约为0.63 g C·m?2yr?1。这些研究成果增加了我们对吸光性有机碳估算的理解。

【文章链接】

Xiaofei Li?, Feng Yu, Junji Cao??, Pingqing Fu, Xiaoyu Hua, Qian Chen, Jinwen Li, Dongjie Guan,Lekhendra Tripathee, Qingcai Chen, Yuqin Wang. Chromophoric dissolved organic carbon cycle and its molecular compositions and optical properties in precipitation in the Guanzhong basin, China.Science of The Total Environment, 2022,814, 152775.

http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152775

【成果5】挥发性有机物VOCs)末端治理新技术

常甜副教授在环境领域TOP期刊Science of the Total Environment上发表了关于挥发性有机物(VOCs)处理技术的综述性论文。VOCs主要来源于工业废气、汽车尾气、吸烟、采暖和烹调等过程,大部分VOCs具有毒性,严重威胁生态环境和人类健康。开发绿色高效的VOCs污染控制技术成为当前国内外的研究热点。成果系统介绍了近10年来等离子体协同催化技术在VOCs去除领域的研究进展,涵盖了体系中催化剂种类、关键影响因素、副产物的产生和反应机理等,同时还比较了等离子体催化技术对不同VOCs的去除性能,特别是催化剂的设计以及等离子体与催化剂之间的协同效应。全面阐释了等离子体协同催化去除VOCs的研究进展及二者的协同机制,为该领域未来的研究提供理论参考。

研究团队对等离子体催化技术展开基础研究的同时,在实际应用层面也取得了相关成果。采用了一种基于玻璃珠填充床介质阻挡放电(DBD)反应器的非热等离子体(NTP)法去除餐饮油烟(CFs)。指出在DBD反应器中引入玻璃珠显著增强了电场强度,能够有效改善油烟去除效果。当放电功率为9.4 W时,油烟、非甲烷碳氢化合物(NMHCs)和PM10的去除效率分别可达90.4%、99.8%和80.3%,由于含碳化合物的氧化,可获得较高COx产率(37%)和COx能量产率(41.19 g·kWh-1)。基于发射光谱(OES)和气相色谱质谱(GC-MS)分析,常甜提出了一种NTP降解油烟的反应途径。以上研究成果为NTP高效去除油烟型污染创新技术的发展提供了理论依据。

等离子体协同催化降解VOCs示意图

【文章链接】

Tian Chang, Yu Wang, Yaqi Wang, Zuotong Zhao, Zhenxing Shen, Yu Huang, Savita K.P. Veerapandian?, Nathalie De Geyter, Chuanyi Wang, Qingcai Chen**, Rino Morent. A critical review on plasma-catalytic removal of VOCs: Catalyst development, process parameters and synergetic reaction mechanism.Science of The Total Environment, 2022, 154290.

http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154290

Tian Chang?, Yaqi Wang, Zuotong Zhao, Yu Wang, Chuanlong Ma, Ruili Gao,Yu Huang, Qingcai Chen**, Anton Nikiforov. Nonthermal plasma: An emerging innovative technology for the efficient removal of cooking fumes.Journal of Environmental Chemical Engineering, 2022, 10, 107721.

https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107721

新闻小贴士:

陈庆彩,教授、博士生导师。毕业于日本名古屋大学,现任mg4355电子游戏网址环境学院院长助理,从事大气污染监测与成因、环境效应及其控制与管理等方面的研究工作。入选陕西省高层次人才、荣获陕西省五四青年奖章提名奖、陕西省青年科技新星称号、中国产学研合作创新奖、日本大气化学学会奖、HORIBA和Bruker企业奖等奖励荣誉,Environmental Advances、《地球环境学报》等国内外知名期刊编辑/编委,国家和省部级科研和人才项目评审专家、政府生态建设专家、环保企业技术顾问。主持中国国家自然科学基金、日本学术振兴会科研基金、大气污染成因与治理攻关项目等10余项科研项目,第一或通讯作者已在大气环境领域顶级期刊Environ. Sci. Technol.、Atmos. Chem. Phys.等发表学术论文60余篇,授权国家专利和软件注册权10余项。

李小飞,副教授,中国冰冻圈科学学会会员,研究方向为冰冻圈与环境、气溶胶与环境、大气气溶胶化学与来源。近年主持和参与中国国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院重点研究项目、中国科学院地球环境研究所创新基金等多项国家及省部级科研项目,担任Chemosphere,Science of The Total Environment,Environmental Science and Pollution Research等期刊的审稿人。

常甜,副教授,硕士生导师,西安交通大学和比利时根特大学双学位工学博士,从事大气污染控制、生物质焦油重整和CO2资源化利用等方面的研究工作。近年来主持和参与国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等多项国家及省部级项目,以第一作者在Applied catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Science of the Total Environment等期刊发表学术论文13篇,授权国家专利8项。

沙桐,副教授。毕业于南京信息工程大学,美国爱荷华大学联合培养博士。主要从事空气质量数值模拟与预报、大气环境与大气污染防治等方面的研究工作。近年来作为主要完成人参与国家自然科学基金及横向课题等多项科研项目。在研究领域共发表学术论文10余篇,分别发表于国际著名期刊Environmental Science & Technology (ES&T)、Science of Total Environment (STE)、Atmospheric Environment (AE)、Atmospheric Research (AR)和Environmental Pollution (EP)。

(核稿:陈庆彩 编辑:刘倩)

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