環(huán)境學(xué)院陳慶彩教授團(tuán)隊(duì)在大氣污染成因和控制技術(shù)方面取得系列成果

大氣污染成因仍然是我國當(dāng)前區(qū)域性大氣污染治理的重要科學(xué)問題，大氣污染末端處理技術(shù)特別是VOCs高效處理技術(shù)是控制臭氧的“卡脖子”難題。近期，我校環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院陳慶彩教授課題組圍繞區(qū)域性大氣污染規(guī)律和VOCs控制技術(shù)開展研究取得了系列進(jìn)展，在環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊Environment International、Environmental Research、Science of The Total Environment、Journal of Environmental Chemical Engineering等發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，在區(qū)域性大氣污染管理策略和控制技術(shù)方面提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐，部分研究成果如下。

【成果1】疫情封鎖對(duì)西安市大氣污染來源和健康風(fēng)險(xiǎn)的影響

陳慶彩教授團(tuán)隊(duì)通過長時(shí)間監(jiān)測獲取了2020年和2019年霧霾期的大氣污染物濃度、采集了大量大氣污染樣本，研究了2020年疫情期間封控措施對(duì)西安市大氣污染特征及其大氣中有毒物質(zhì)化學(xué)成分的影響，并依據(jù)PMF模型分析計(jì)算了大氣污染物的來源，包括大氣細(xì)顆粒物（PM_2.5）、及其氧化毒性（OP）。首次探討了疫情下采取城市封控措施對(duì)中國西安細(xì)顆粒物和健康風(fēng)險(xiǎn)來源的影響，發(fā)現(xiàn)疫情管控可以有效降低污染物絕對(duì)濃度和健康風(fēng)險(xiǎn)，但相對(duì)毒性是增加的。研究成果有助于深入理解人為活動(dòng)對(duì)大氣環(huán)境的危害程度，為今后大氣污染的健康風(fēng)險(xiǎn)管理提供一條途徑。成果發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域TOP期刊Environmental Research上，來自哈薩克斯坦共和國的博士生Dyussenova Ainur為第一作者，陳慶彩教授為通訊作者。

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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】第三極地區(qū)冰川中大氣污染物光學(xué)性質(zhì)和組成特征

棕碳（BrC）是全球氣候變化中的一個(gè)因子，在冰川融化中起著至關(guān)重要的作用。李小飛副教授等人使用三維熒光光譜儀和電噴霧電離傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀，研究了四座不同的青藏高原冰川表面雪/冰中BrC的光學(xué)性質(zhì)和組成。研究表明，在青藏高原冰川表面的雪/冰中還發(fā)現(xiàn)了2種蛋白質(zhì)樣物質(zhì)（PRLIS），1種腐殖質(zhì)物質(zhì)（HULIS）和1種未確定的BrC。木質(zhì)素和脂質(zhì)是青藏高原冰川中的主要成分，以CHO和CHNO分子的形式呈現(xiàn)。BrC在雪/冰中的光吸收能力主要受其氧化性的影響。PRLIS和未確定的物種與微生物來源和冰川當(dāng)?shù)丨h(huán)境（木質(zhì)素和脂類）密切相關(guān)，而HULIS則受到人為排放（蛋白質(zhì)/氨基糖）的顯著影響。相對(duì)于黑碳，BrC引起的輻射強(qiáng)迫在地表雪和顆粒冰中分別占11.62±12.07%和8.40±10.37%。該研究成果有助于深入理解BrC對(duì)冰川的影響，為后續(xù)冰凍圈的研究開展打下堅(jiān)定的基礎(chǔ)。

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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】西安市大氣PM_2.5中氧化毒性組分及其產(chǎn)毒新機(jī)制

陳慶彩教授在環(huán)境領(lǐng)域TOP期刊Environmental Research發(fā)表了題為“Oxidation potential and coupling effects of the fractionated components in airborne fine particulate matter”的研究文章。詳細(xì)探討了不同PM_2.5組分對(duì)大氣顆粒物氧化毒性的貢獻(xiàn)，并揭示了其主要機(jī)制，進(jìn)而探究了不同組分間氧化毒性產(chǎn)生的耦合效應(yīng)和非均質(zhì)特性。成果指出金屬離子等高極性物質(zhì)對(duì)水溶性PM_2.5氧化活性的貢獻(xiàn)更大，其中呼吸的氧分子是氧化毒性生成最重要的前體物質(zhì)。水不溶性PM_2.5組分具有重要的氧化毒性貢獻(xiàn)，而且能夠?qū)ρ趸拘缘漠a(chǎn)生有較長時(shí)間的影響作用，水不溶性組分表現(xiàn)出多相反應(yīng)特征，研究推測這部分氧化毒性與新型健康風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)-長壽命自由基（EPFRs）直接相關(guān)。

大氣PM2.5中HULIS組分和HP-WSM組分氧化還原循環(huán)簡化機(jī)制

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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】關(guān)中地區(qū)降雨中大氣碳質(zhì)組分污染特征

李小飛副教授在環(huán)境領(lǐng)域TOP期刊Science of the Total Environment發(fā)表了題為Chromophoric dissolved organic carbon cycle and its molecular compositions and optical properties in precipitation in the Guanzhong basin, China的研究文章。利用激發(fā)發(fā)射矩陣熒光光譜、傅里葉變換離子共振質(zhì)譜以及源解析模型研究了關(guān)中盆地大氣降水中水溶性有機(jī)碳（WSOC）的光學(xué)特征、分子特性和來源。李小飛指出西安市WSOC中有兩種腐殖質(zhì)樣物質(zhì)（HULIS）和一種蛋白樣物質(zhì)（PRLIS）共三種熒光組分，且總熒光強(qiáng)度的79%由HULIS提供。木質(zhì)素、蛋白質(zhì)/氨基糖和脂質(zhì)是主要化合物。二次前體物、煤燃燒和二次氣溶膠是西安WSOC的主要來源。此外，估算發(fā)現(xiàn)西安大氣降水中WSOC的濕沉積量約為0.63 g C·m^?2yr^?1。這些研究成果增加了我們對(duì)吸光性有機(jī)碳估算的理解。

【文章鏈接】

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】揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）末端治理新技術(shù)

常甜副教授在環(huán)境領(lǐng)域TOP期刊Science of the Total Environment上發(fā)表了關(guān)于揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）處理技術(shù)的綜述性論文。VOCs主要來源于工業(yè)廢氣、汽車尾氣、吸煙、采暖和烹調(diào)等過程，大部分VOCs具有毒性，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和人類健康。開發(fā)綠色高效的VOCs污染控制技術(shù)成為當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。成果系統(tǒng)介紹了近10年來等離子體協(xié)同催化技術(shù)在VOCs去除領(lǐng)域的研究進(jìn)展，涵蓋了體系中催化劑種類、關(guān)鍵影響因素、副產(chǎn)物的產(chǎn)生和反應(yīng)機(jī)理等，同時(shí)還比較了等離子體催化技術(shù)對(duì)不同VOCs的去除性能，特別是催化劑的設(shè)計(jì)以及等離子體與催化劑之間的協(xié)同效應(yīng)。全面闡釋了等離子體協(xié)同催化去除VOCs的研究進(jìn)展及二者的協(xié)同機(jī)制，為該領(lǐng)域未來的研究提供理論參考。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)等離子體催化技術(shù)展開基礎(chǔ)研究的同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用層面也取得了相關(guān)成果。采用了一種基于玻璃珠填充床介質(zhì)阻擋放電（DBD）反應(yīng)器的非熱等離子體（NTP）法去除餐飲油煙（CFs）。指出在DBD反應(yīng)器中引入玻璃珠顯著增強(qiáng)了電場強(qiáng)度，能夠有效改善油煙去除效果。當(dāng)放電功率為9.4 W時(shí)，油煙、非甲烷碳?xì)浠衔铮∟MHCs）和PM₁₀的去除效率分別可達(dá)90.4%、99.8%和80.3%，由于含碳化合物的氧化，可獲得較高CO_x產(chǎn)率（37%）和CO_x能量產(chǎn)率（41.19 g·kWh^-1）?；诎l(fā)射光譜（OES）和氣相色譜質(zhì)譜（GC-MS）分析，常甜提出了一種NTP降解油煙的反應(yīng)途徑。以上研究成果為NTP高效去除油煙型污染創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展提供了理論依據(jù)。

等離子體協(xié)同催化降解VOCs示意圖

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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

新聞小貼士：

陳慶彩，教授、博士生導(dǎo)師。畢業(yè)于日本名古屋大學(xué)，現(xiàn)任陜西科技大學(xué)環(huán)境學(xué)院院長助理，從事大氣污染監(jiān)測與成因、環(huán)境效應(yīng)及其控制與管理等方面的研究工作。入選陜西省高層次人才、榮獲陜西省五四青年獎(jiǎng)?wù)绿崦?jiǎng)、陜西省青年科技新星稱號(hào)、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、日本大氣化學(xué)學(xué)會(huì)獎(jiǎng)、HORIBA和Bruker企業(yè)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)榮譽(yù)，Environmental Advances、《地球環(huán)境學(xué)報(bào)》等國內(nèi)外知名期刊編輯/編委，國家和省部級(jí)科研和人才項(xiàng)目評(píng)審專家、政府生態(tài)建設(shè)專家、環(huán)保企業(yè)技術(shù)顧問。主持中國國家自然科學(xué)基金、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)科研基金、大氣污染成因與治理攻關(guān)項(xiàng)目等10余項(xiàng)科研項(xiàng)目，第一或通訊作者已在大氣環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊Environ. Sci. Technol.、Atmos. Chem. Phys.等發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，授權(quán)國家專利和軟件注冊(cè)權(quán)10余項(xiàng)。

李小飛，副教授，中國冰凍圈科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，研究方向?yàn)楸鶅鋈εc環(huán)境、氣溶膠與環(huán)境、大氣氣溶膠化學(xué)與來源。近年主持和參與中國國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、中國科學(xué)院重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所創(chuàng)新基金等多項(xiàng)國家及省部級(jí)科研項(xiàng)目，擔(dān)任Chemosphere，Science of The Total Environment，Environmental Science and Pollution Research等期刊的審稿人。

常甜，副教授，碩士生導(dǎo)師，西安交通大學(xué)和比利時(shí)根特大學(xué)雙學(xué)位工學(xué)博士，從事大氣污染控制、生物質(zhì)焦油重整和CO2資源化利用等方面的研究工作。近年來主持和參與國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金等多項(xiàng)國家及省部級(jí)項(xiàng)目，以第一作者在Applied catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Science of the Total Environment等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文13篇，授權(quán)國家專利8項(xiàng)。

沙桐，副教授。畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)，美國愛荷華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士。主要從事空氣質(zhì)量數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)、大氣環(huán)境與大氣污染防治等方面的研究工作。近年來作為主要完成人參與國家自然科學(xué)基金及橫向課題等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。在研究領(lǐng)域共發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，分別發(fā)表于國際著名期刊Environmental Science & Technology (ES&T)、Science of Total Environment (STE)、Atmospheric Environment (AE)、Atmospheric Research (AR)和Environmental Pollution (EP)。

（核稿：陳慶彩 編輯：劉倩）