大气颗粒物：元素富集与表面化学转化

沙尘暴在长途传输中不断发生沙尘气溶胶和污染气溶胶的混合与相互作用，其组分也不断发生化学转化［13，14］。这些化学转化过程，大多或至少首先发生在颗粒物表面，因而颗粒物表面的化学组成，不同于颗粒物整体的组成。通过表面元素的化学组成与整体平均含量的比较，可以洞察发生在颗粒物表面的某些化学转化过程。我们除了用XPS对沙尘暴颗粒物进行表面测试，还用ICP分析了各相关样品中有关元素的整体平均浓度。表19-3列出了不同类型颗粒物表面和总体颗粒物中Fe和S对Al的原子比。由于Al是主要的地壳源元素，相对地较少涉及表面转化过程，故而被采用作为考察表面转化过程的参比元素。表中还列出了在地壳中这些元素的相对比值［23］，以作为比较。

表19-3　不同类型颗粒物表面和总体中有关元素与Al的原子比

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DS：沙尘暴；NDS：非沙尘暴；XPS：X射线光电子能谱；ICP：等离子发射光谱。
*北京-DS-XPS：用X射线光电子能谱测试在北京收集的沙尘暴期间样品的颗粒物表面和总体中有关元素和Al的原子比。北京-DS后-XPS：用X射线光电子能谱测试在北京收集的沙尘暴过后样品的颗粒物表面和总体中有关元素和Al的原子比。北京-NDS-XPS：用X射线光电子能谱测试在北京收集的非沙尘暴期间样品的颗粒物表面和总体中有关元素和Al的原子比。北京-DS-ICP：用等离子光谱测试在北京收集的沙尘暴期间样品的颗粒物表面和总体中有关元素和Al的原子比。北京-DS后-ICP：用等离子光谱测试在北京收集的沙尘暴过后样品的颗粒物表面和总体中有关元素和Al的原子比。北京-NDS-ICP：用等离子光谱测试在北京收集的非沙尘暴期间样品的颗粒物表面和总体中有关元素和Al的原子比。

由表19-3可见，在沙尘暴期间，元素S和Fe在颗粒物表面高度富集，而元素Na、Ca、Si等几乎没有表面富集现象。在ICP测试的沙尘暴整体样品中，S／Al比值为0.06；而在颗粒物表面，S／Al为0.6。S／Al在地壳的平均值则仅为0.004。沙尘暴的第二天，颗粒物表面S／Al的比值达到0.8，比沙尘暴当天还要高。这正说明了沙尘暴携来的沙尘气溶胶颗粒物的碱性表面以及沙尘暴强峰过去后大气湿度有所回升等因素，更有利于SO2在颗粒物表面发生复相化学转化反应，而导致S在颗粒物表面进一步富集。至于S／Al在常日颗粒物样品表面的比值高达3.7，则说明常日颗粒物中硫酸盐等污染物占了相当的比例。值得注意的是，Fe元素在沙尘暴颗粒物表面相对于其在整体中的浓度，亦有相当富集。在ICP测试的沙尘暴整体样品中，Fe／Al比值为0.3，而在颗粒物表面的Fe／Al为0.6。在沙尘暴过后的第二天，颗粒物表面的Fe／Al还略有增加，而整体样品中的Fe／Al比值为0.3。Fe和S在随着沙尘暴席卷而来的颗粒物表面上同时富集，再次说明了Fe-S之间的密切相关。必须指出的是，在常日气溶胶颗粒物表面的Fe／Al比值（0.7），较之整体样品中的Fe／Al比值（0.2），高出3倍多。作为来自地壳源的矿物元素Fe，在常日颗粒物表面异常富集，说明Fe在常日颗粒物表面包括各种均相和复相反应的化学转化过程中，如在低价含硫化合物的氧化和硫酸盐的生成中，扮演着不可或缺的角色。这一事实为Fe-S耦合机制的理论假设［17］提供了重要佐证。