丁香醛和β-月桂烯的臭氧化反应机理以及动力学研究

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大气环境中的挥发性有机化合物(VOCs)主要来源分为天然源和人为源。我国生物质燃烧的排放占总的人为源VOCs排放的23.3%,燃烧过程中产生一系列物质,其中包括甲氧基酚类化合物。然而天然源VOCs排放在全球范围内的VOCs排放中占据主导地位,在天然源排放的VOCs中绝大多数是异戊二烯以及单萜烯类化合物。排放到大气环境中的VOCs能直接影响人类健康,并且能与大气中的氧化剂,如OH、NO3和O3发生光化学反应生成更高氧化态的化合物,并增加大气颗粒物的有机成分,形成二次有机气溶胶。二次有机气溶胶是造成能见度下降以及灰霾天气的主要因素,在反应过程中还会造成区域性臭氧浓度超标,影响空气质量。大多数的甲氧基酚类化合物具有较低的挥发性,易吸附于颗粒物表面,从而与大气中的氧化剂发生非均相的降解反应。月桂烯是植物排放的单萜烯之一,结构中含有多个双键,具有较高的反应活性。月桂烯的氧化产物对于二次有机气溶胶(SOAs)有较大的贡献。本文研究了丁香醛在颗粒物表面的臭氧化非均相反应以及月桂烯的臭氧化反应。1、自行搭建了丁香醛的臭氧化非均相降解反应装置,装置包括臭氧发生器,由旋转蒸发仪改装的反应装置,恒温水浴以及臭氧分析仪。采用HPLC对不同时间点颗粒物表面的丁香醛进行定量,并对反应时间作图得到丁香醛的准一级反应动力学速率。采用两种不同的非均相动力学模型拟合准一级反应动力学速率和臭氧浓度得到二级反应速率常数以及臭氧在颗粒物表面的吸附平衡常数。通过非均相反应的气体直接表面反应模型(GSR)拟合作图得到丁香醛在高岭土以及SiO2表面的二级反应速率常数分别为4.10×10-17,8.08×10-18 cm3 molecules-1 s-1。并由此计算在臭氧浓度为7×1011molecules cm-3的情况下,丁香醛的大气寿命为4.8-9.86 h。2、采用高水平的量子化学以及动力学理论计算方法对月桂烯臭氧化反应机理进行计算研究。计算发现,O3会加成到月桂烯的单烯烃双键上形成初级臭氧化物(POZ),POZ会发生快速的分解形成4-Vinyl-4-Pentenal+(CH32OO,syn-My-CI+(CH32CO以及anti-My-CI+(CH32CO,三种初级产物通道的分支比分别为0.73,0.04和0.23。生成的高能量的Criegee中间体(CIs)可以快速异构化或者于大气中惰性分子发生碰撞而稳定化,(CH32OO*,syn-My-CI*,anti-My-CI*稳定化的分支比分别为0.60,0.23和0.25。syn-My-sCI,anti-My-sCI可以经历单分子1,4-氢转移形成乙烯基氢过氧化物,乙烯基氢过氧化物会快速的分解生成OH以及含氧乙烯基自由基。anti-My-sCI在相对湿度低的条件下与水蒸气发生双分子反应或者分子环化形成双环化合物。通过反应速率的比较,只有在低湿度以低温(<273K)的条件条件下,My-CIs与SO2发生的双分子反应是其主要的路径。
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