过氧乙酰硝酸酯分析仪的光化学合成标定方法研究及应用

陈瑾一, 彭月祥, 张成龙, 孙旭, 贺晓伟, 刘成堂, 牟玉静. 过氧乙酰硝酸酯分析仪的光化学合成标定方法研究及应用[J]. 环境化学, 2021, 40(6): 1862-1870. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020012003
引用本文: 陈瑾一, 彭月祥, 张成龙, 孙旭, 贺晓伟, 刘成堂, 牟玉静. 过氧乙酰硝酸酯分析仪的光化学合成标定方法研究及应用[J]. 环境化学, 2021, 40(6): 1862-1870. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020012003
CHEN Jinyi, PENG Yuexiang, ZHANG Chenglong, SUN Xu, HE Xiaowei, LIU Chengtang, MU Yujing. Study and application in calibration method of photochemical synthesis for peroxyacetyl nitrate analyzer[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(6): 1862-1870. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020012003
Citation: CHEN Jinyi, PENG Yuexiang, ZHANG Chenglong, SUN Xu, HE Xiaowei, LIU Chengtang, MU Yujing. Study and application in calibration method of photochemical synthesis for peroxyacetyl nitrate analyzer[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(6): 1862-1870. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020012003

过氧乙酰硝酸酯分析仪的光化学合成标定方法研究及应用

    通讯作者: Tel:13661308770,E-mail:pengyuexiang@bjut.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金(41727805, 21876186)资助

Study and application in calibration method of photochemical synthesis for peroxyacetyl nitrate analyzer

    Corresponding author: PENG Yuexiang, pengyuexiang@bjut.edu.cn
  • Fund Project: the National Natural Science Foundation of China (41727805, 21876186)
  • 摘要: 搭建了一套过氧乙酰硝酸酯(PAN)同步稀释光化学合成系统,就光源及光照强度、产物残留等因素对PAN光化学合成与PAN分析仪标定的影响进行了分析与探讨. 最终选用遮挡3/4长度的312 nm紫外灯管作为系统光照条件,确保PAN的高效率合成且丙酮光解副产物对标定干扰最小. 系统内产物残留影响PAN合成的稳定性,实验前应当采用零级空气清洗反应池以降低残留的影响. 优化的同步稀释光化学合成系统可在半小时后实现PAN的连续稳定合成,不同浓度梯度PAN的合成相对标准偏差值均小于2%. 利用本套系统对北京市2019年3月大气PAN外场观测中的PAN在线分析仪进行了标定,获得观测期间北京大气中PAN体积分数范围为0.20 × 10−9—7.34 × 10−9,平均值为(1.88 × 10−9 )± (1.63 × 10−9),显著高于2011年同期平均浓度水平. 大气污染物在静稳天气条件下的累积增强了大气氧化性,促进了大气中PAN和PM2.5的生成与积累,使得春季大气PAN与PM2.5浓度呈现显著正相关.
  • 好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,AGS)是一种特殊的生物膜结构[1],污水生物处理系统中的微生物在适宜的环境条件下互相聚集,最终能够形成颗粒污泥[2],具有传质条件好、抗冲击负荷和抗毒性能力强、活性高以及沉淀性好等优点[3]。自1997年,MORGENROTH[4]首次在实验室的SBR中培养出好氧颗粒污泥,且发现此类污泥具有较好的降解水中污染物的能力。此后,好氧颗粒污泥法便成为废水处理领域的研究热点。但随着研究的深入发现,好氧颗粒污泥稳定性不好,运行中易出现解体现象,存在一定的工艺难操控性[5],限制了好氧颗粒污泥技术的推广,亟待解决。

    好氧颗粒污泥的培养过程受很多因素影响,如进水C/N比、有机负荷、接种污泥等都对好氧颗粒污泥的快速形成及颗粒性能具有重要影响[6-7]。其中进水中C/N比是影响微生物生长的重要因素,培养微生物所必需的碳源是构成微生物细胞含碳物质和供给微生物生长、繁殖及运动所需要的能量,而氮源是合成微生物体内蛋白质的主要原料。有些学者在研究C/N比对好氧颗粒污泥稳定性的影响时,较多采用的是在培养过程中随培养时间改变进水负荷的方法,如张睿[8]在实验中采用间隔10 d改变一次进水C/N比来观察C/N比对好氧颗粒污泥的影响,以及采用交替改变进水的C/N比来研究污泥的特性,如李亚峰等[9]通过交替改变进水C/N比的方式培养好氧颗粒污泥。

    采用随时间改变进水C/N的方式培养好氧颗粒污泥的方法只能研究不同C/N比对不同颗粒污泥生长阶段的稳定性影响,而无法明确指出在整个污泥生长过程中C/N比对好氧颗粒污泥特性的影响。本研究采用气升式内循环反应器,在3个不同碳氮比条件下分别进行好氧颗粒污泥的培养,探讨了C/N比对好氧颗粒污泥物理性能和降解性能的影响,分析好氧颗粒污泥形成过程中胞外聚合物及其组分的变化,探讨其对维持好氧颗粒污泥稳定性的作用,为促进好氧颗粒污泥的工程应用奠定理论基础。

    磷酸氢二钾(K2HPO4)、七水合硫酸镁(MgSO4·7H2O)、无水氯化钙(CaCl2)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、葡萄糖、氯化铵(NH4Cl)、蛋白胨、牛肉膏均为分析纯;为保证提供微生物生长所需的必要物质,在废水中加入微量元素,微量元素组分为硼酸(H3BO4)、七水合硫酸锌(ZnSO4·7H2O)、七水合氯化锰(MnCl2·7H2O)、五水合硫酸铜(CuSO4·5H2O)、钼酸钠(MoNa2O4)、氯化镍(NiCl2)、六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)、碘化钾(KI)。接种污泥取自哈尔滨市百威啤酒厂污水处理二沉池中的活性污泥,污泥基本性质如表1所示。

    表 1  污泥的基本性质
    Table 1.  Characteristics of sludge
    MLSS/(mg·L−1)SVI/(mg·L−1)粒径小于0.2 mm/%污泥性状
    5 290177.699.8絮状灰褐色
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    实验采用自制式气升式内循环序批式反应器[10],实验装置见图1。反应器为双层有机玻璃柱构成,柱体体积为5.0 L,高径比(H/D)约为15,其中外部管经约为8 cm,高约120 cm,内部管径约6 cm,高约90 cm,出水口距底部40 cm,反应器的进水、曝气、沉降以及排水时间由PLC控制器进行控制,反应器采用外部水浴控温。

    图 1  实验装置示意图
    Figure 1.  Schematic diagram and experimental equipment

    本研究采用3个并列的反应器柱,分别为R1、R2和R3,实验连续运行60 d,反应器运行条件如表2所示。其中0~10 d时曝气时间为335 min,沉降时间为15 min;11~20 d时曝气时间为340 min,沉降时间为10 min;21~60 d时曝气时间为345 min,沉降时间为5 min。

    表 2  SBAR主要运行参数
    Table 2.  Main parameters of SBAR system
    进水时间/min曝气时间/min沉淀时间/min排水时间/min运行周期/h表面气流速度/(m·s−1)曝气量/(m3·h−1)温度/℃
    5335~3455~15562.40.3230
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    COD、NH+4-N、TP、MLSS、和SVI采用标准方法测定[11];颗粒污泥的粒径分布利用激光粒度分布仪测量;胞外聚合物(EPS)采用分光光度法;多糖采用硫酸-蒽酮法测定;蛋白质采用考马斯亮蓝G-250法测定。

    EPS 采用改良型热提取法提取。松散型胞外聚合物(LB-EPS)的提取:取40 mL泥水混合物,在4 ℃,2 100 r·min−1的条件下离心10 min,取上清液,经0.45 μm的微孔膜过滤,所得液体即为LB-EPS。紧密型胞外聚合物(TB-EPS)的提取:用生理盐水将提取过上清液的离心管中剩余泥水混合物补足至40 mL,再80 ℃恒温水浴60 min,冷却后在4 ℃,12 000 r·min−1的条件下离心10 min,取上清液经0.45 μm的微孔膜过滤,所得液体为TB-EPS[14]

    在好氧颗粒污泥培养过程中,定期测定不同碳氮比条件下好氧颗粒污泥的MLSS和SVI值,结果见图2。从图2可以看出,R1在启动后的第17天,污泥颜色从接种时的黄褐色变为淡褐色,并且出现较小颗粒,此时反应器中存在较多絮状污泥,SVI值为49.8 mL·g−1。运行26 d后,R1中污泥颗粒不断增加,反应器中颗粒污泥占主体地位,其SVI值为38.27 mL·g−1。在运行至第35天后,R1中的颗粒略有解体现象,但在8 d之后又重新形成颗粒,至反应器运行结束为止。在整个运行期间MLSS最大值可达6 431 mg·L−1,SVI值可降到30.32 mL·g−1;R2和R3在运行到第17天时,反应器中都出现较多颗粒,SVI值分别为63.05 mL·g−1和76.2 mL·g−1;R2在运行至第26天时,反应器中基本没有絮状污泥,实现颗粒化,此时颗粒SVI值为42.79 mL·g−1,MLSS值为5 609 mg·L−1;反应器继续运行至第55天,SVI值最低降至16.98 mL·g−1;R3在运行至第43天时,SVI降至32.86 mL·g−1,且在运行过程中存在反应器内污泥浓度较低,MLSS值仅为3 347 mg·L−1,导致其对污染物的降解效果明显下降。

    图 2  污泥浓度MLSS和污泥容积指数SVI的变化
    Figure 2.  Change of mixed liquid suspended solids MLSS and sludge volume index SVI

    经分析可知,进水不同C/N比条件下培养的好氧颗粒污泥的性状有较大区别,在C/N比为15时培养的好氧颗粒污泥的稳定性最好。其中R1(C/N=10)在运行阶段有形成颗粒,但是随着反应器的持续运行,出现颗粒大部分解体现象。造成这种现象的原因可能由于C/N比较低,丝状菌长势过度,导致颗粒粒径增大,结构松散,最终好氧颗粒污泥解体,这与赵霞等[12]在SBR中培养好氧颗粒污泥得到的结果一致。R2(C/N=15)在整个污泥培养的过程中颗粒运行稳定,未曾出现颗粒解体的现象。R3(C/N=25)在污泥培养过程中,由于C/N比值较高,氮源不足,菌体繁殖量少,不利于微生物的积累,导致反应器中污泥量较少,不利于对有机物的稳定去除。

    在反应器运行过程中,采用激光粒度分布仪定期对颗粒粒径进行了检测,结果见图3。从图3可以看出,R1中的颗粒粒径大于0.2 mm颗粒分布呈先上升后下降再上升的趋势,颗粒经历解体再形成的过程。在第25天,粒径大于0.2 mm的颗粒占比为49.29%;且粒径范围在0.2~0.6 mm的颗粒占37.89%;0.6~1.0 mm的颗粒占8.88%;1.0~2.0 mm的颗粒占2.52%。虽然R1形成颗粒,但是颗粒粒径较小,很容易解体成絮状污泥。而R2中颗粒粒径大于0.2 mm的颗粒分布起初一直呈上升的趋势,后期趋于平稳。在第55天时大于0.2 mm的颗粒占比达到76.43%,且粒径范围在0.2~0.6 mm的颗粒占比达到45.24%;0.6~1.0 mm的颗粒占17.56%;1.0~2.0 mm的颗粒占比为13.63%,在颗粒化后,R2反应器中的颗粒粒径主要在0.2~1.0 mm范围内。R3中的颗粒粒径大于0.2 mm的颗粒开始呈增加趋势,在第25天时达到最大,占比为73.56%。粒径范围在0.2~0.6 mm的颗粒占38.39%;0.6~1.0 mm的颗粒占19.32%;1.0~2.0 mm的颗粒占比为15.75%;在之后大于0.2 mm的颗粒略微下降,但依然保持50%以上。

    图 3  颗粒粒径变化
    Figure 3.  Variation of particle size distribution

    由此可见,C/N比为15和25时,好氧颗粒污泥的粒径主要分布在0.2~1.0 mm的范围,R2中占比为62.8%,R3中占比为57.7%,颗粒分布较均匀。

    进水COD值为1 500 mg·L−1,在不同碳氮比情况下,R1、R2和R3的进出水COD值以及对COD的去除率见图4。由图4可知,在反应器运行初期,接种污泥中的微生物处于适应期,对COD的去除率有较大波动。运行13 d后,3个反应器中COD的去除率呈现上升趋势,在17 d后趋于平稳,R1由50%上升到83%;R2由44%上升到88%;R3由68%上升到89%。在运行到第35天时,由于R1内的好氧颗粒污泥出现解体,对COD的去除效果有所下降,但也保持在70%以上,随后经历颗粒再形成,对COD的去除率上升到80%以上,最高可达84%,但是运行到第51天时,R1对COD的去除率又下降到70%,之后到运行结束虽有提高,但是最高只达到77%;R2在经历污泥适应期后,对COD的去除率一直保持在80%以上,最高可达93%;R3在经历污泥适应期后,对COD的去除率达到最大值后略有下降,在此之后虽有波动,但是基本保持在80%以上。

    图 4  反应器进出水COD浓度及去除率
    Figure 4.  Influent and effluent concentration and removal rate of COD in reactor

    由此可见,C/N比为15时好氧颗粒污泥对COD的去除率保持在80%以上,而且运行过程稳定,不存在颗粒解体现象。有研究表明[11],好氧颗粒污泥在C/N比从20降低至10的过程中对COD的去除率保持在87%,这与本研究的结果基本相符。

    在好氧颗粒污泥培养过程中,定期测定不同碳氮比条件下好氧颗粒污泥的TP去除率以及进出水内TP的浓度,结果见图5。从图5可以看出,在反应器运行初期,接种污泥中的微生物处于适应期,对TP的去除率有较大波动。在运行13 d后,R1、R2和R3中的TP去除率呈现上升趋势,在17 d后趋于平稳,R1中的TP去除率由44%上升到92%;R2由54%上升到92%;而R3在第21天后趋于平稳,对TP的去除率由69%上升到89%。其中,在R1在运行35 d后,反应器内好氧颗粒污泥部分解体,对TP的去除率由92%下降到65%,在第37天略微升高后又下降至53%,之后稳定在80%以上;R2对TP的去除率在经历适应期后迅速上升,在第15天之后趋于稳定,始终保持对TP的去除率在80%以上,最高可达91%;R3对TP的去除率在经历20 d左右的适应期后达到平稳,之后有所波动,但保持在80%以上。

    图 5  反应器进出水TP浓度及去除率
    Figure 5.  Influent and effluent concentration and removal rate of TP in reactor

    C/N比为10的条件下由于出现颗粒解体现象,导致对TP去除效果在培养后期呈现较大波动;C/N比为15的条件下,好氧颗粒污泥对TP的去除效果最稳定;C/N比为25的条件下培养的好氧颗粒污泥对TP的去除效果有波动,但也保持在80%以上。在本研究中,由于R1在运行过程中存在污泥解体现象,分析其原因可能是由于反应器内硝态氮的增多,抑制了释磷菌的活性,不利于释磷菌对磷的去除[13],因此,造成R1反应器对TP的去除率呈现较大程度的降低。分析可知,在C/N比为15的条件下培养的好氧颗粒污泥对TP的去除效果最稳定。

    在好氧颗粒污泥培养过程中,定期测定不同碳氮比条件下好氧颗粒污泥的NH+4-N去除率,结果见图6。如图6所示,不同C/N比条件下培养的好氧颗粒污泥对NH+4-N的去除效果有显著差异。在污泥接种阶段,反应器内的污泥微生物处于适应阶段,R1、R2和R3对NH+4-N的去除率有明显的先下降后上升再趋于平稳的趋势,其中R1对NH+4-N的去除率由55%上升到70%,随后略有下降,在第40天时,去除率达到最低,为49%,之后R1对NH+4-N的去除率始终保持在50%以上。在整个培养阶段,R1对NH+4-N的去除率均达到49%以上,最高可达70%;R2在接种阶段对NH+4-N的去除率有明显下降,之后在第9天后迅速回升,对NH+4-N的去除率保持在70%左右,在第9天时达到最高值,为75%;R3对NH+4-N的去除率由21%上升到42%,在之后略有下降,但仍保持在30%以上。

    图 6  反应器进出水NH4+-N浓度及去除率
    Figure 6.  Influent and effluent concentration and removal rate of NH4+-N in reactor

    不同碳氮比条件下培养的好氧颗粒污泥对NH+4-N的去除效果有较大影响,在C/N比为15时效果最好。造成这种显著差异的原因可能是由于在R1中的进水NH+4-N含量要高于R2,而较高的氨氮负荷会抑制硝化菌和反硝化菌的活性,导致对NH+4-N的去除效果下降,这也和刘宏波等[14]的研究结论相符,而R3中的进水NH+4-N的含量过低,导致反应器内微生物量不足,无法对NH+4-N进行有效的去除。

    在好氧颗粒污泥培养过程中,定期测定不同碳氮比条件下好氧颗粒污泥的EPS及其组分变化,结果见图7。从图7中可以看出,在整个好氧颗粒污泥的培养阶段,R1和R3内的EPS总量呈先上升后下降再上升的趋势,R2内的EPS总量呈先迅速上升后缓慢上升的趋势。在污泥培养的前21 d,3个反应器内的EPS总量都呈快速上升的趋势,R1的EPS总量为96.88 mg·g−1;R2的EPS总量为87.89 mg·g−1;R3的EPS总量为108.37 mg·g−1,而这一时期颗粒污泥正处于快速形成期。但在第35天时,R1反应器内污泥的EPS总量由96.88 mg·g−1减少至86.56 mg·g−1,而后呈上升趋势,在第54天时EPS总量为112.17 mg·g−1;R2中颗粒污泥的EPS总量整体呈现缓慢上升的趋势,在第35天时由87.89 mg·g−1减少至82.66 mg·g−1,在43 d时增加至92.55 mg·g−1,在49 d时减少至86.45 mg·g−1,在54 d时增加至99.17 mg·g−1;R3中的EPS总量在21 d后呈快速减少的趋势,在第43天时由108.37 mg·g−1减少至60.58 mg·g−1,之后缓慢上升,在第54天时增加至95.89 mg·g−1。3个反应器内的EPS总量的变化趋势与好氧颗粒污泥的稳定状态一致。由此可知,在好氧颗粒污泥的培养过程中,碳氮比对好氧颗粒污泥中的EPS含量有较大影响,这与孙洪伟等[15]的研究结论一致,且EPS总量的变化与好氧颗粒污泥的稳定性呈正相关关系。

    图 7  运行阶段EPS值的变化
    Figure 7.  Variations of EPS at the operation phase

    R1中的紧密型EPS含量由最初的30.12 mg·g−1增加至第54天的65.62 mg·g−1,随着运行时间呈逐渐增加的趋势,松散型EPS的含量由24.25 mg·g−1增加至第21天的52.03 mg·g−1,随后在43 d时降低至39.72 mg·g−1,而后在第54天时增加至46.55 mg·g−1;R2中的紧密型EPS含量由30.12 mg·g−1增加至第43天的51.01 mg·g−1,在第49天减少至45.76 mg·g−1,而后在第54天又增加至54.20 mg·g−1,松散型EPS的含量由24.25 mg·g−1增加至第21天的44.05 mg·g−1,在第35天时减少至39.60 mg·g−1,而后在第54天增加至44.97 mg·g−1;R3中的紧密型EPS由30.12 mg·g−1增加至第21天的54.79 mg·g−1,随后降低至第49天的30.61 mg·g−1,在第54天时增加至51.43 mg·g−1,松散型EPS的含量由24.25 mg·g−1增加至第21天的53.58 mg·g−1,随后降低至49 d的29.97 mg·g−1,在第54天时增加至44.46 mg·g−1。经分析可知,在好氧颗粒污泥培养过程中,不同碳氮比的条件下紧密型EPS与松散型EPS的含量相差不大。

    分析其变化趋势可知,在污泥培养的前21 d,3个反应器内的松散型EPS含量都呈快速增加的趋势,而在第35天时,R1中的松散型EPS含量迅速降低,随后在第49天时又缓慢增加,这一趋势与R1中的颗粒的粒径变化趋势相一致;R2中的松散型EPS含量在第35天增加至最大值后,呈相对稳定的趋势;R3中的松散型EPS的含量在第35天达到最大值,呈先降后升的趋势。可见,3个反应器中松散型EPS的变化均与其颗粒粒径的变化趋势相吻合,这与夏志红等[16]的研究结论相一致,这说明松散型EPS在促进好氧颗粒污泥形成,维持其稳定性上起到更重要的作用。

    1)在C/N为10、15和25的条件下均能形成好氧颗粒污泥,其中,C/N比为15时污泥颗粒化效果最好,此时,好氧颗粒污泥粒径大于0.2 mm的颗粒占76.43%,SVI值为16.98 mL·g−1

    2)不同碳氮比对好氧颗粒污泥的降解性能均有所影响,在C/N为10时,对COD、NH+4-N和TP的最高去除率为84%、70%和92%;在C/N为15时,对COD、NH+4-N和TP的最高去除率为93%、75%和91%;在C/N为25时,对COD、NH+4-N和TP的最高去除率为95%、43%和92%,其中,C/N比为15时对有机物的去除效果最好。

    3)在好氧颗粒污泥培养过程中,EPS总量的变化与好氧颗粒污泥的稳定性呈正相关关系,而不同碳氮比的条件下紧密型EPS与松散型EPS的含量相差不大,其中松散型EPS在促进好氧颗粒污泥形成,维持其稳定性上起到更重要的作用。

  • 图 1  同步稀释光化学合成系统示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of synchronous diluted photochemical synthesis system

    图 2  光源光谱

    Figure 2.  Spectrum of different light sources

    图 3  (a) 不同光源下PAN合成情况色谱图,(b) 不同光照强度下PAN合成情况色谱图

    Figure 3.  Chromatogram of PAN under different irradiation conditions: (a) light source, (b) intensity

    图 4  光化学反应池中残留PAN浓度(背景浓度)对光化学PAN合成的影响

    Figure 4.  Effect of background concentration of PAN in photochemical reaction vessel on photochemical PAN synthesis

    图 5  长时间连续合成PAN情况

    Figure 5.  Long-time continuous synthesis of PAN

    图 6  (a) 同步稀释光化学合成系统的稳定性,(b) 同步稀释光化学合成系统的线性

    Figure 6.  Evaluation of the synchronous diluted photochemical synthesis system: (a) stability, (b) linearity

    图 7  北京3月份PAN、PM2.5、氮氧化物以及气象条件的时间序列图

    Figure 7.  Time series of PAN, PM2.5, Nitrogen Oxide and Meteorological Parameters in March in Beijing

    图 8  (a) PAN与O3相关性,(b) PAN与PM2.5相关性

    Figure 8.  Correlation between PAN and pollutants: (a) O3, (b) PM2.5

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-20
  • 刊出日期:  2021-06-27
陈瑾一, 彭月祥, 张成龙, 孙旭, 贺晓伟, 刘成堂, 牟玉静. 过氧乙酰硝酸酯分析仪的光化学合成标定方法研究及应用[J]. 环境化学, 2021, 40(6): 1862-1870. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020012003
引用本文: 陈瑾一, 彭月祥, 张成龙, 孙旭, 贺晓伟, 刘成堂, 牟玉静. 过氧乙酰硝酸酯分析仪的光化学合成标定方法研究及应用[J]. 环境化学, 2021, 40(6): 1862-1870. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020012003
CHEN Jinyi, PENG Yuexiang, ZHANG Chenglong, SUN Xu, HE Xiaowei, LIU Chengtang, MU Yujing. Study and application in calibration method of photochemical synthesis for peroxyacetyl nitrate analyzer[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(6): 1862-1870. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020012003
Citation: CHEN Jinyi, PENG Yuexiang, ZHANG Chenglong, SUN Xu, HE Xiaowei, LIU Chengtang, MU Yujing. Study and application in calibration method of photochemical synthesis for peroxyacetyl nitrate analyzer[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(6): 1862-1870. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020012003

过氧乙酰硝酸酯分析仪的光化学合成标定方法研究及应用

    通讯作者: Tel:13661308770,E-mail:pengyuexiang@bjut.edu.cn
  • 1. 北京工业大学应用数理学院,北京, 100124
  • 2. 中国科学院生态环境研究中心,北京, 100085
  • 3. 中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心,厦门, 361021
  • 4. 中国科学院大学,北京, 100049
基金项目:
国家自然科学基金(41727805, 21876186)资助

摘要: 搭建了一套过氧乙酰硝酸酯(PAN)同步稀释光化学合成系统,就光源及光照强度、产物残留等因素对PAN光化学合成与PAN分析仪标定的影响进行了分析与探讨. 最终选用遮挡3/4长度的312 nm紫外灯管作为系统光照条件,确保PAN的高效率合成且丙酮光解副产物对标定干扰最小. 系统内产物残留影响PAN合成的稳定性,实验前应当采用零级空气清洗反应池以降低残留的影响. 优化的同步稀释光化学合成系统可在半小时后实现PAN的连续稳定合成,不同浓度梯度PAN的合成相对标准偏差值均小于2%. 利用本套系统对北京市2019年3月大气PAN外场观测中的PAN在线分析仪进行了标定,获得观测期间北京大气中PAN体积分数范围为0.20 × 10−9—7.34 × 10−9,平均值为(1.88 × 10−9 )± (1.63 × 10−9),显著高于2011年同期平均浓度水平. 大气污染物在静稳天气条件下的累积增强了大气氧化性,促进了大气中PAN和PM2.5的生成与积累,使得春季大气PAN与PM2.5浓度呈现显著正相关.

English Abstract

  • 过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetyl nitrate, PAN)是对流层大气中重要的活性有机含氮化合物,由挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOx)光化学反应产生[1],在大气化学过程中发挥着重要作用. PAN不存在天然源,比臭氧更适合作为光化学污染的指示剂[2]. PAN不溶于水、不易光解,但具有热不稳定性质[3-4]. PAN易热解释放氮氧化物(PAN的大气寿命在25 ℃时仅为30 min),是对流层中氮氧化物的重要储库;在低温条件下(PAN的大气寿命在−10 ℃时长达10 d)可远距离传输至偏远背景地区,成为当地大气中氮氧化物的重要来源[5-6],进而影响区域大气氧化性. 此外,PAN还具有显著的环境毒性,可毒害植物、刺激人眼、诱发突变等[7-8]. 鉴于PAN的重要大气化学影响和显著环境健康效应,其相关研究已经成为当前大气化学研究的热点之一.

    对流层大气中PAN的体积分数通常处于10−9及以下水平,加之其极易热解,PAN的准确测量已成为当前研究中的难点. 大气中PAN的分析方法[9-14]已有较多报道,其中气相色谱-电子捕获检测法(GC-ECD)具有灵敏度高、抗干扰性强、设备成本低以及运输维修简便等特点,已成为当前国际上使用最广泛的分析方法. 目前基于GC-ECD的PAN分析方法必须通过标准物质的校准才能够进行准确定量. PAN极易热解的性质使其不易长期稳定保存,因此目前国内外仍无法提供稳定的商业化PAN标准物质. 当前PAN的标准物质主要通过湿法制备法[15]和光化学制备法[16-19]合成,而标准气体只能通过现场制备方式获得. 前者首先利用硝酸与过氧乙酸在液态烃中合成纯净PAN,随后通过气化及稀释制备出标准气体. 此种方法操作复杂繁琐、试剂消耗量大、花费时间较长,不适用于PAN的分析仪器外场标定. 后者主要利用丙酮光解与NOx反应合成PAN,操作简单且重复性好,容易在现场稳定制备PAN的标准气体[20],已在PAN分析仪标定中得到广泛应用. 该方法通常采用高浓度NOx与高浓度丙酮进行反应,随后对合成的高浓度PAN进行定量稀释,从而获得不同浓度梯度的PAN标准气体. 该方法必须提供过量[1, 19]丙酮才能够保障NOx向PAN的高效转换,并认为丙酮及其光解产物不会对GC-ECD检测造成影响[18]. 然而,研究表明高浓度NOx与高浓度丙酮光化学反应通常需要15 min至20 min[19]才能实现NOx向PAN的高效转化,所以气体在反应器停留时间内可能会对PAN的合成造成一定影响. 此外,丙酮光解的副产物实际上会在GC-ECD分析仪上有响应,且可能会影响PAN的准确标定.

    为了更全面评估光化学制备法对PAN标准气体合成以及PAN分析仪标定的影响,本研究基于丙酮光解与NOx反应合成PAN原理搭建了一套同步稀释光化学合成系统,实现了低浓度NOx与高浓度丙酮快速混合的光化学合成PAN的方法,探讨了不同紫外光源及光照强度、产物残留等因素对PAN光化学合成的影响,获得了光化学稳定合成PAN的制备条件,并将其应用到GC-ECD-PAN分析仪的外场观测标定.

  • 同步稀释光化学合成系统由气源、流量控制和合成反应等部分组成(如图1). 气源部分主要包括一氧化氮标准气体、利用鼓泡法产生的丙酮-空气混合气体以及稀释用零级空气. 流量控制部分主要采用电子质量流量计(MFC)分别控制一氧化氮标准气体、鼓泡用零级空气以及稀释用零级空气流量;合成反应部分为混合气源进入紫外灯照射的石英反应池进行同步稀释和光化学合成反应,其合成原理如下[21-23]

    丙酮在紫外灯照射下发生光解,产生乙酰基自由基CH3C(O),其随后迅速与氧气结合生成过氧乙酰自由基CH3C(O)OO,NO被氧化成NO2后快速与CH3C(O)OO结合生成PAN.

    Meyrahn等指出丙酮和NOx体积分数分别在0.1%以上和10 × 10−6以下,可保证NOx向PAN的高效转化(大于90%)[18]. 为保障丙酮充足且混合气体在反应池中光化学反应充分,结合丙酮饱和蒸汽压和本研究光化学合成系统特点,各路气体流量设置如下:丙酮鼓泡用零级空气与稀释用零级空气流速分别为15 mL·min−1和500 mL·min−1,一氧化氮标准气体流速为2—96 mL·min−1范围内的梯度流量,实现PAN不同体积分数生成. PAN体积分数基于同步稀释的NO体积分数计算得出. 本合成系统中丙酮气体和PAN的体积分数计算如下式:

    式中,[ac]为丙酮气体体积分数,VPac为丙酮(10 ℃)饱和蒸汽压(数值为1.541 × 104 Pa,根据安托因方程计算),Pair为标准大气压(数值为1.013 × 105 Pa),[PAN]表示合成的PAN体积分数,[NO]表示NO标准气体的体积分数,α表示NO向PAN的转化效率(取93% ± 3%[24]),vNOvacvtot分别表示实际校准的一氧化氮标准气体、鼓泡用零级空气和总混合气体的气体流速. 计算得出反应池中丙酮气体和NO体积分数分别约为0.4%和0.4 × 10−9—16 × 10−9,丙酮体积分数为NO的105倍以上. 合成的PAN体积分数范围约为0.31 × 10−9—13.37 × 10−9. 根据气体流量以及反应池容积(约500 mL),估算得出气体在反应池中停留时间在1 min左右. 在每个NO体积分数梯度下分别开展连续合成实验,合成达到稳定后连续测量10次,并开展长时间合成的连续稳定性实验. 实验开始前向系统内通入一段时间零级空气,随后测定系统内PAN峰色谱响应背景值以避免系统背景干扰.

    本研究使用的零级空气由AG-5000型号空气发生器(中科汇恒公司)产生的压缩空气经除水、脱烃和净化等处理后获得;一氧化氮标准气体为中国计量科学研究院研制的低浓度气体,体积分数为98 × 10−9,剩余充填气体为氮气;丙酮为分析纯丙酮液体(国药集团化学试剂公司). 为保证丙酮气化速率的稳定,利用半导体制冷装置控制丙酮液体温度为10 ℃. 电子质量流量计选用GT-130D型号流量计(天津吉思特仪器仪表有限公司),其中控制一氧化氮标准气体和鼓泡用零级空气的流量计量程范围为1—100 mL·min−1,控制稀释用零级空气的流量计量程范围为1—1000 mL·min−1. 质量流量计在实验温度下由皂膜流量计校准,精密度RSD < 2%. 本研究采用4种紫外灯(光谱图如图2,灯管规格:6 W),主峰波长分别为254 nm(#1和#2)、312 nm(#3)和365 nm(#4). 通过遮挡发光灯管长度改变光照强度(如全灯管、3/4灯管、半灯管及1/4灯管). 本研究使用的石英反应池为薄壁圆柱型腔体(外径60 mm,长180 mm).

  • PAN分析仪为中国科学院生态环境研究中心自主研制TGC-PAN分析仪. 分析仪基于配有电子捕获检测器的气相色谱仪(GC-ECD)设计而成,采用气泵抽气和定量环(1 mL)定量方式直接进样,利用电驱动两位十通阀进行气路切换. 气体样品经低温(5 ℃)毛细管色谱柱进行分离,在ECD检测器(温度为38 ℃[25])进行检测. 载气和尾吹气采用高纯氮气(99.999%),流速分别为25 mL·min−1和15 mL·min−1. 分析仪的每个样品分析周期为10 min.

  • 本研究于2019年3月1日至3月31日期间利用TGC-PAN分析仪对北京大气中PAN进行观测,观测频率为每10 min 1次,观测期间采用本研究优化的PAN光化学合成方法每周对分析仪进行一次校准. 观测站点位于中国科学院生态环境研究中心环境技术楼8层(40°0′N,116°20′E),距地高度约为20 m. 观测点位于北京市北四环与北五环之间,周围主要为教学楼、居民区以及公园,绿化覆盖率较高. 观测点西侧150 m处有1条东北-西南走向双向四车道公路,南侧200 m处有1条东西走向双向两车道公路,工作日早晚高峰车辆较多,平时交通流量不大. 观测期内的气象参数(风速风向、气温、相对湿度)及气态污染物(PM2.5、NO、NO2、NOx、O3)浓度数据来自中国科学院生态环境研究中心监测台站.

  • 不同紫外光源和光照强度条件下PAN合成情况色谱结果如图3所示. 4种紫外灯照射条件下均在(2.83 ± 0.01) min和(3.05 ± 0.01) min产生两个峰(如图3(a)所示),其中后峰为PAN,前峰为丙酮光化学反应产生的未知副产物X,表明4种光源照射条件下均有PAN和X生成,且副产物在ECD上存在明显的响应. 254 nm(#1和#2)和312 nm(#3)下合成PAN的色谱峰面积相当(101151 μV·s、108767 μV·s及124185 μV·s),但365 nm(#4)光源条件下合成PAN色谱峰面积明显较小,仅为30578 μV·s. 表明254 nm和312 nm紫外光源条件下均可产生充足的过氧乙酰自由基并实现NOx向PAN的高效转化,而365 nm光源相对较弱,丙酮光解产生的过氧自由基明显不足,NO向PAN的转换效率远低于254 nm和312 nm光源. 对于未知副产物X而言,X产量在254 nm(#1)光源下最多,在254 nm(#2)和312 nm(#3)光源下相对较少,在365 nm(#4)光源下最少,其中254 nm(#1)光源下X与PAN的色谱峰产生较为严重的峰叠加问题,直接影响到PAN色谱峰的准确积分. 本研究以PAN与X的峰面积比值(PPAN/PX)作为衡量光化学合成的信噪比参数,其比值越高,光化学合成过程中未知副产物X对PAN的标定影响越小. 从图3(a)可见,312 nm(#3)光源条件下的PPAN/PX最大(3.7),254 nm(#1)光源条件下的PPAN/PX最小(0.4),表明312 nm(#3)光源条件下的未知副产物X对PAN的影响最小. 综上可知,312 nm(#3)光源下丙酮光解可产生充足的过氧自由基保障NOx向PAN的高效率转化,且未知副产物提供的干扰最小.

    图3(a)中可以看出,尽管312 nm(#3)光源条件未知副产物的干扰较小,但副产物的色谱峰仍会与PAN峰出现一定程度的叠加而影响PAN的准确积分. 由于副产物的量会随着紫外辐射减弱而降低,为此本研究拟通过遮挡发光灯管长度改变到达反应池的总紫外辐射量,从而寻找保证PAN高转化率并且降低副产物影响的辐射条件. 图3(b)给出了在312 nm(#3)光源不同光照条件下PAN和X的色谱分离检测情况. 由图可知,PAN峰面积基本不随光照强度变化而变化(全灯管至1/4灯管分别为124185 μV·s、112799 μV·s、117954 μV·s及127857 μV·s),而X的色谱峰随灯管发光长度减小而减小. 从PPAN/PX可以更加清楚看出,1/4灯管照射条件下PPAN/PX最大(15.9),副产物对PAN影响最小. 此外,在1/4灯管照射条件下X峰基本与基线齐平,对PAN的积分基本不会产生影响,已满足实验需求,无需开展更短灯管实验. 因此,选取312 nm(#3)光源1/4灯管作为光化学合成系统的光源条件,可以保障NOx向PAN的高效率转化,且未知副产物基本不会干扰PAN的积分.

  • 光化学合成系统中的石英反应池及气路内壁均可能对PAN以及副产物X存在一定的吸附,导致该系统存在产物残留现象(图4),并可能对PAN的标定造成影响. 本研究开展了不同初始背景浓度下PAN合成的对比实验,结果如图4所示. 实验发现,在高初始背景浓度(> 0.11 × 10−9)情况下,合成PAN的色谱响应随着连续合成的进行会出现持续下降现象,即在90 min内从43 mV·s下降至38 mV·s,下降约12%;在低初始背景浓度(0.03 × 10−9)情况下,合成PAN的色谱响应能够快速稳定到34 mV·s并在随后的依次合成中基本保持不变(RSD = 1.06%),这有可能归因于PAN与X在反应池及气路内壁表面与系统内合成气体之间存在吸附和脱附的动态平衡. 当系统残留浓度较高时,系统内发生PAN与X由反应池及气路内壁向合成气体的脱附释放过程并最终达到动态平衡,导致合成气体中PAN的浓度逐渐降低并最后达到稳定;反之,系统内发生PAN与X由合成气体向反应池及气路内壁吸附过程并快速达到动态平衡,引起合成气体中PAN浓度开始快速抬升并达到稳定. 由此可见,光化学产物的残留使得合成系统达到稳定所需时间变长,而低残留条件下合成系统能够快速达到稳定. 因此,在开始PAN的合成实验时,应首先采用大流量零级空气对合成系统进行清洗以降低产物残留的影响,并检测确定背景浓度,以保证标定数据的准确性.

  • 如前文所述,光化学合成系统存在产物残留现象,这些产物是否会在合成系统内随着合成时间的进行而累积并影响PAN标定的稳定性尚未清楚. 为此,本研究开展了连续长时间光化学合成实验,结果如图5所示. 实验发现,实验开始后半小时内PAN的合成基本趋于稳定,并在随后的38 h连续合成实验中基本保持稳定,其PAN峰面积的相对标准偏差RSD = 1.62%,表明本研究所搭建的同步稀释光化学合成系统基本不存在产物累积问题,并可在长时间连续稳定合成PAN.

    基于以上工作所确定的光化学合成条件,本研究在6个NO体积分数梯度(0.38 × 10−9、0.79 × 10−9、1.50 × 10−9、2.95 × 10−9、5.73 × 10−9、15.40 × 10−9)下进行了PAN的不同体积分数梯度的合成实验,每个梯度实验时间维持在2 h以上,且保证PAN的测试数据不少于12组. 实验结果发现,每个梯度的合成实验均在半小时以内达到稳定并随后保持稳定状态. 每个梯度合成稳定后的数据波动情况如图6(a)所示,对于NO体积分数0.38 × 10−9—15.4 × 10−9的范围内,每个梯度连续合成10组PAN的峰面积相对标准偏差值均小于2%,表明PAN的连续合成均非常稳定.

    基于梯度合成实验数据,建立了PAN分析仪的标准工作曲线(图6(b)). 根据曲线,线性回归决定系数为R2 = 0.999,表明所搭建的同步稀释光化学合成系统性能稳定,并且本研究所使用的TGC-PAN在线分析仪对PAN具有非常好的线性响应关系.

  • 本研究使用TGC-PAN在线分析仪于2019年3月在中国科学院生态环境研究中心开展了为期一个月的外场观测,并利用所搭建的同步稀释光化学合成系统每周对TGC-PAN在线分析仪进行校准. 2019年3月份北京市大气中PAN、PM2.5、O3、氮氧化物以及气象参数的时间序列如图7所示. 分析结果表明,2019年3月份北京市大气中PAN的体积分数范围为0.20 × 10−9—7.34 × 10−9,平均值为1.88 × 10−9 ± 1.63 × 10−9,明显高于2011年3月北京同期PAN体积分数平均值和最大值(0.69 × 10−9 ± 0.55 × 10−9,2.26 × 10−9[26],而最小值与其基本一致(均为0.20 × 10−9),表明北京市2019年3月份大气氧化性平均水平出现了显著抬升,而大气氧化性的背景水平基本维持不变. 从图中可见,观测期间大气中PAN、PM2.5以及NOx和相对湿度的变化趋势相似,明显受到风速变化的影响. 风速相对较小时(如3月1—5日、3月7—11日、3月17—20日及3月26—28日),各类污染物以及相对湿度均出现了较大抬升;而当风速增大时,各类污染物以及相对湿度又快速降低至较低水平. 然而大气中O3的变化趋势却明显不同. 风速较低时,O3在白天的峰值出现了一定抬升,而在夜晚快速降至零点附近;风速较高时,O3浓度并没有出现显著降低,却呈现出昼夜浓度水平基本相当的现象,大约维持在40 × 10−9左右,这与已有北京春季大气臭氧报道一致[27-28]. 这可能由于较低风速有利于各类大气污染物积累,日间的光化学反应增加了臭氧生成,而夜间O3会被NO快速滴定消耗降至极低浓度水平. 当风速较大时,大气中PAN、PM2.5以及NOx等污染物被快速清除至较低水平,而O3则受到高空背景输入影响,因此臭氧处于相对较高浓度水平.

    PAN与O3通常作为光化学污染的重要指示剂,一般具有较好的正相关性. 本研究发现,北京市3月大气中PAN与O3在观测期基本不存在相关性(昼间r = 0.06, P = 0.35;夜间r = −0.04, P = 0.50,见图8(a)),与以往的观测结果相一致[29]. 这可能主要由于大气中PAN和O3的源汇过程差异所致. PAN只能通过挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOx)光化学反应产生,主要通过热解去除;而O3的源汇更加复杂,其来源既可以由光化学生成,也存在高空背景O3的对流传输,其去除主要包括NO的滴定、光解以及还原物质消耗等多种途径. 北京市3月份太阳辐射相对较弱,气温较低,该时期大气光化学生成PAN和O3速率相对较低. 气温较低的相对静稳(通常低于15 ℃,风速通常小于3 m·s−1)气象条件有利于NO和PAN的积累,反而会加速O3与NO的滴定消耗;此外大风过境时,PAN会被快速清除,而此时高空O3成为北京市O3的主要来源,这些最终导致了北京市3月份大气中PAN和O3观测期间基本不存在相关性.

    如前文所述,观测期间大气中PAN和PM2.5浓度呈现非常相似的变化趋势,本研究利用线性回归分析对他们之间的相关性进行探究. 分析结果表明(图8(b)),两者呈显著的正相关(r = 0.85, P < 0.01),大气中PAN的浓度随PM2.5浓度的增加而增大. 这可能由于大气中PAN在气温相对较低的3月份具有较长的大气寿命,光化学产生的PAN可以在大气中相对稳定存在,其大气浓度会受到扩散条件改变而发生积累或清除,于是便表现出与颗粒物相似的变化趋势. 除了受气象条件这个外因影响以外,PAN和PM2.5某些相似性的形成机制也可能是该现象的内因. PAN来自于光化学二次生成,而PM2.5除了直接排放外,也存在复杂的二次生成,两者的二次生成均是大气氧化的产物. 观测期间大气中PAN的浓度较好地记录了气团所经受的氧化历程. 当风速较低时,大气中挥发性有机物和NOx等各类大气污染物浓度容易累积[27],并增强了大气氧化性[30],于是非常有利于大气中PAN的快速生成和积累,此时相对静稳的气象条件也加速了PM2.5前体物的累积,增强的大气氧化性进而促进了PM2.5的生成和积累,最终导致了大气中PAN和PM2.5出现同步抬升的现象. 而当大风过境时,大气中PAN、PM2.5及其前体物就会被快速清除至极低浓度. 综上所述,在北京市气温较低的3月份,相对静稳天气条件加速了大气污染物的积累,增强了大气的氧化性,促进了大气中PAN和PM2.5的生成与积累,使得两者浓度呈现显著正相关.

  • (1)同步稀释光化学合成系统中紫外光源是影响PAN合成与标定的重要影响因素之一,其中副产物对PAN的影响随着辐射强度减弱而降低,最终发现紫外光源为遮挡3/4的312 nm紫外灯管,可在保证PAN的高合成效率的情况下,最大程度上降低丙酮光解副产物对标定的干扰. 光化学合成系统的产物残留会直接影响PAN合成的稳定性,每次开始合成实验前应当采用零级空气清洗反应池,以降低残留的影响,以保证标定数据的准确性.

    (2)优化后的同步稀释光化学合成条件可在半小时后实现PAN的连续稳定合成,相对标准偏差值均小于2%,且不同浓度合成梯度的PAN呈现非常显著的线性,完全满足PAN在线分析仪的标定需求.

    (3)2019年3月北京市大气中PAN的体积分数范围为0.20 × 10−9—7.34 × 10−9,平均值为(1.88 × 10−9 )± (1.63 × 10−9),显著高于2011年同期平均浓度水平. 静稳天气下污染物的积累增强了大气氧化性,并促进了大气中PAN和PM2.5的生成与积累,使得北京春季PAN与PM2.5浓度呈现显著正相关.

参考文献 (30)

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