華北霾之謎“破解者”：優(yōu)先減排氮氧化物可令重污染“減速”
近日，一篇發(fā)表在《ScienceAdvances》(《科學(xué)進(jìn)展》)、由中德兩地科學(xué)家對霧霾重要組成成分之一——硫酸鹽形成機(jī)制探討的論文引發(fā)公眾關(guān)注。
12月22日晚，該文通訊作者之一、中國工程院院士、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院院長賀克斌在接受澎湃新聞采訪時(shí)稱，學(xué)術(shù)界此前認(rèn)為，硫酸鹽主要形成的場所是云里的液態(tài)水環(huán)境(簡稱“云水環(huán)境”)。
然而，該研究發(fā)現(xiàn)，在我國華北地區(qū)，大氣顆粒物表面的“結(jié)合水”中可以溶解的二氧化氮是經(jīng)典云水環(huán)境的約50倍，這種高濃度的二氧化氮環(huán)境，可以使二氧化硫迅速轉(zhuǎn)化為二次氣態(tài)污染物硫酸鹽。而這才是華北地區(qū)硫酸鹽形成的主要路徑。
賀克斌介紹，該研究意味著，如果能把氮氧化物減排提到更優(yōu)先的位置上，便可以把硫酸鹽的形成有效抑制住，那么重污染天氣的快速形成便會“減速”。
據(jù)了解，硫酸鹽是細(xì)顆粒物(PM2.5)的重要“貢獻(xiàn)”成分之一。
新華社曾報(bào)道稱，這項(xiàng)研究“破解了北京及華北地區(qū)霧霾最主要組分硫酸鹽的形成之謎”。
經(jīng)典理論：云水環(huán)境中臭氧等氧化作用形成硫酸鹽
“重霾污染天氣的形成，基本不是由于一次排放的顆粒污染物，而主要是因?yàn)槎螝鈶B(tài)污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化。其中，在迅速增多的二次污染物中，硫酸鹽的質(zhì)量比大概占到20%，這樣的比例是很高的。”22日晚，中國工程院院士、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院院長賀克斌說。
同一天，南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授、國家環(huán)境保護(hù)城市環(huán)境顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任馮銀廠也向澎湃新聞證實(shí)，硫酸鹽是細(xì)顆粒物(PM2.5)的重要“貢獻(xiàn)”成分之一。
事實(shí)上，硫酸鹽構(gòu)成大氣污染物的基本構(gòu)成原理一直非常明確，即二氧化硫在大氣中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成硫酸鹽。
據(jù)賀克斌介紹，過去歐美研究發(fā)展的經(jīng)典理論是，硫酸鹽主要在云水環(huán)境中形成。
在這種云水環(huán)境里，硫酸鹽的形成主要靠過氧化氫和臭氧對二氧化硫進(jìn)行氧化。相較之下，云水環(huán)境中溶解的二氧化氮濃度很低，對二氧化硫的氧化作用幾乎可忽略不計(jì)。
最新研究：二氧化氮的氧化作用其實(shí)被忽視
值得關(guān)注的是，此次研究顯示，經(jīng)典云水環(huán)境可被忽略的二氧化氮氧化在我國特有的重霾環(huán)境下成為作用明顯的因素。
22日晚，賀克斌向澎湃新聞解釋課題組如何發(fā)現(xiàn)了華北地區(qū)大氣中二氧化氮對硫酸鹽形成的重要作用：
“之前大家便有過疑問，觀測到二氧化硫作為反應(yīng)原料(前體物)和臭氧等傳統(tǒng)氧化劑濃度很低的情況下，還是能夠形成大量的硫酸鹽。后來發(fā)現(xiàn)二氧化氮的濃度比較高，本研究就是循著這個思路往下進(jìn)行的。”
“另外，學(xué)術(shù)界對顆粒物吸濕后表面氧化反應(yīng)形成硫酸鹽的速率更高也有共識，但是具體的原因沒有進(jìn)一步‘縷清楚’”。
“所以說，這次的成果并不是說發(fā)現(xiàn)了一個生成硫酸鹽的新機(jī)制，而是說原來認(rèn)為排序不重要的機(jī)制現(xiàn)在變成目前最重要的了。”
“詳細(xì)來說，該研究發(fā)現(xiàn)，在我國華北地區(qū)，大氣中存在大量的顆粒物，當(dāng)濕度較大時(shí)，顆粒物的表面便會吸附水分，充分潤濕，形成顆粒物‘結(jié)合水’。此時(shí)，溶解于結(jié)合水的二氧化氮的濃度大約是經(jīng)典云水環(huán)境中的50倍左右，可以迅速氧化二氧化硫形成硫酸鹽。”
“此外，在重污染天氣形成過程中，由于氨、礦物塵等堿性物質(zhì)在北京及華北地區(qū)的大量存在，使得顆粒物結(jié)合水的pH遠(yuǎn)高于美國等地區(qū)，呈現(xiàn)出特有的偏中性環(huán)境。而在這種中性環(huán)境下，二氧化硫的氧化速率也會急速提升。”賀克斌說。
澎湃新聞此前報(bào)道，今年11月來自中國中科院及美國、英國和以色列等國多家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合完成的一項(xiàng)研究也曾有類似結(jié)論。該研究指出，硫酸鹽在倫敦和中國產(chǎn)生機(jī)理的不同主要在于，中國的氨氮排放對硫酸鹽的形成有重要作用。
22日，中國環(huán)境研究院副院長柴發(fā)合也表示，盡管他還尚未詳細(xì)了解該研究，不過學(xué)術(shù)界有一種看法是，在二氧化氮的作用下，特別是在濕度增加的時(shí)候，硫酸鹽的形成速度確實(shí)會加快。
精準(zhǔn)治霾：應(yīng)更注重二氧化氮和二氧化硫協(xié)同減排
賀克斌表示，大氣污染物科學(xué)減排應(yīng)遵從不同成分各自的大氣化學(xué)規(guī)律協(xié)同治理，才能起到事半功倍的作用。
而對于抑制硫酸鹽快速生成來講，就應(yīng)更加注重二氧化氮和二氧化硫的協(xié)同減排。
這就意味著，如果能把氮氧化物減排提到更優(yōu)先的位置上，便可以把硫酸鹽的形成有效抑制住，重污染天氣的快速形成就會因此“減速”。
澎湃新聞注意到，7月5日，中國工程院曾對過去三年大氣污染行動進(jìn)行中期評估。評估報(bào)告顯示，二氧化硫減排效果最明顯的措施是重點(diǎn)行業(yè)提標(biāo)改造、燃煤鍋爐整治和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，分別貢獻(xiàn)減排量的39%、29%和22%;氮氧化物減排效果顯著的措施有重點(diǎn)行業(yè)提標(biāo)改造、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和黃標(biāo)車及老舊車輛淘汰與油品升級，分別貢獻(xiàn)減排量的63%、20%和9%。
“氮氧化物的主要來源還是燃煤，其次是機(jī)動車，尤其是冬季供暖期，燃煤的占比更高。”賀克斌說道。
值得注意的是，上述評估報(bào)告顯示，今后將更多利用理論模型進(jìn)行精準(zhǔn)治霾。
“近幾年改善主要的貢獻(xiàn)是末端治理，其實(shí)今后還需要更多延伸到能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。”
賀克斌認(rèn)為，通過數(shù)值模擬模型逐步吸納此類研究成果，并逐漸優(yōu)化減排應(yīng)對措施，可以進(jìn)一步提高實(shí)際減排措施的精準(zhǔn)度。
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