環境學院陳慶彩教授團隊在大氣污染成因和控制技術方面取得系列成果

大氣污染成因仍然是我國當前區域性大氣污染治理的重要科學問題，大氣污染末端處理技術特別是VOCs高效處理技術是控制臭氧的“卡脖子”難題。近期，我校環境科學與工程學院陳慶彩教授課題組圍繞區域性大氣污染規律和VOCs控制技術開展研究取得了系列進展，在環境領域權威期刊Environment International、Environmental Research、Science of The Total Environment、Journal of Environmental Chemical Engineering等發表多篇學術論文，在區域性大氣污染管理策略和控制技術方面提供了理論依據和技術支撐，部分研究成果如下。

【成果1】疫情封鎖對西安市大氣污染來源和健康風險的影響

陳慶彩教授團隊通過長時間監測獲取了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西安市大氣污染特征及其大氣中有毒物質化學成分的影響，并依據PMF模型分析計算了大氣污染物的來源，包括大氣細顆粒物（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中國西安細顆粒物和健康風險來源的影響，發現疫情管控可以有效降低污染物絕對濃度和健康風險，但相對毒性是增加的。研究成果有助于深入理解人為活動對大氣環境的危害程度，為今后大氣污染的健康風險管理提供一條途徑。成果發表在環境領域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】第三極地區冰川中大氣污染物光學性質和組成特征

棕碳（BrC）是全球氣候變化中的一個因子，在冰川融化中起著至關重要的作用。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的光學性質和組成。研究表明，在青藏高原冰川表面的雪/冰中還發現了2種蛋白質樣物質（PRLIS），1種腐殖質物質（HULIS）和1種未確定的BrC。木質素和脂質是青藏高原冰川中的主要成分，以CHO和CHNO分子的形式呈現。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地環境（木質素和脂類）密切相關，而HULIS則受到人為排放（蛋白質/氨基糖）的顯著影響。相對于黑碳，BrC引起的輻射強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對冰川的影響，為后續冰凍圈的研究開展打下堅定的基礎。

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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毒新機制

陳慶彩教授在環境領域TOP期刊Environmental Research發表了題為“Oxidation potential and coupling effects of the fractionated components in airborne fine particulate matter”的研究文章。詳細探討了不同PM_2.5組分對大氣顆粒物氧化毒性的貢獻，并揭示了其主要機制，進而探究了不同組分間氧化毒性產生的耦合效應和非均質特性。成果指出金屬離子等高極性物質對水溶性PM_2.5氧化活性的貢獻更大，其中呼吸的氧分子是氧化毒性生成最重要的前體物質。水不溶性PM_2.5組分具有重要的氧化毒性貢獻，而且能夠對氧化毒性的產生有較長時間的影響作用，水不溶性組分表現出多相反應特征，研究推測這部分氧化毒性與新型健康風險物質-長壽命自由基（EPFRs）直接相關。

大氣PM2.5中HULIS組分和HP-WSM組分氧化還原循環簡化機制

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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】關中地區降雨中大氣碳質組分污染特征

李小飛副教授在環境領域TOP期刊Science of the Total Environment發表了題為Chromophoric dissolved organic carbon cycle and its molecular compositions and optical properties in precipitation in the Guanzhong basin, China的研究文章。利用激發發射矩陣熒光光譜、傅里葉變換離子共振質譜以及源解析模型研究了關中盆地大氣降水中水溶性有機碳（WSOC）的光學特征、分子特性和來源。李小飛指出西安市WSOC中有兩種腐殖質樣物質（HULIS）和一種蛋白樣物質（PRLIS）共三種熒光組分，且總熒光強度的79%由HULIS提供。木質素、蛋白質/氨基糖和脂質是主要化合物。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，估算發現西安大氣降水中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吸光性有機碳估算的理解。

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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】揮發性有機物（VOCs）末端治理新技術

常甜副教授在環境領域TOP期刊Science of the Total Environment上發表了關于揮發性有機物（VOCs）處理技術的綜述性論文。VOCs主要來源于工業廢氣、汽車尾氣、吸煙、采暖和烹調等過程，大部分VOCs具有毒性，嚴重威脅生態環境和人類健康。開發綠色高效的VOCs污染控制技術成為當前國內外的研究熱點。成果系統介紹了近10年來等離子體協同催化技術在VOCs去除領域的研究進展，涵蓋了體系中催化劑種類、關鍵影響因素、副產物的產生和反應機理等，同時還比較了等離子體催化技術對不同VOCs的去除性能，特別是催化劑的設計以及等離子體與催化劑之間的協同效應。全面闡釋了等離子體協同催化去除VOCs的研究進展及二者的協同機制，為該領域未來的研究提供理論參考。

研究團隊對等離子體催化技術展開基礎研究的同時，在實際應用層面也取得了相關成果。采用了一種基于玻璃珠填充床介質阻擋放電（DBD）反應器的非熱等離子體（NTP）法去除餐飲油煙（CFs）。指出在DBD反應器中引入玻璃珠顯著增強了電場強度，能夠有效改善油煙去除效果。當放電功率為9.4 W時，油煙、非甲烷碳氫化合物（NMHCs）和PM₁₀的去除效率分別可達90.4%、99.8%和80.3%，由于含碳化合物的氧化，可獲得較高CO_x產率（37%）和CO_x能量產率（41.19 g·kWh^-1）。基于發射光譜（OES）和氣相色譜質譜（GC-MS）分析，常甜提出了一種NTP降解油煙的反應途徑。以上研究成果為NTP高效去除油煙型污染創新技術的發展提供了理論依據。

等離子體協同催化降解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、博士生導師。畢業于日本名古屋大學，現任陜西科技大學環境學院院長助理，從事大氣污染監測與成因、環境效應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章提名獎、陜西省青年科技新星稱號、中國產學研合作創新獎、日本大氣化學學會獎、HORIBA和Bruker企業獎等獎勵榮譽，Environmental Advances、《地球環境學報》等國內外知名期刊編輯/編委，國家和省部級科研和人才項目評審專家、政府生態建設專家、環保企業技術顧問。主持中國國家自然科學基金、日本學術振興會科研基金、大氣污染成因與治理攻關項目等10余項科研項目，第一或通訊作者已在大氣環境領域頂級期刊Environ. Sci. Technol.、Atmos. Chem. Phys.等發表學術論文60余篇，授權國家專利和軟件注冊權10余項。

李小飛，副教授，中國冰凍圈科學學會會員，研究方向為冰凍圈與環境、氣溶膠與環境、大氣氣溶膠化學與來源。近年主持和參與中國國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中國科學院重點研究項目、中國科學院地球環境研究所創新基金等多項國家及省部級科研項目，擔任Chemosphere，Science of The Total Environment，Environmental Science and Pollution Research等期刊的審稿人。

常甜，副教授，碩士生導師，西安交通大學和比利時根特大學雙學位工學博士，從事大氣污染控制、生物質焦油重整和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基金、陜西省自然科學基金等多項國家及省部級項目，以第一作者在Applied catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Science of the Total Environment等期刊發表學術論文13篇，授權國家專利8項。

沙桐，副教授。畢業于南京信息工程大學，美國愛荷華大學聯合培養博士。主要從事空氣質量數值模擬與預報、大氣環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基金及橫向課題等多項科研項目。在研究領域共發表學術論文10余篇，分別發表于國際著名期刊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）