作者:Satoshi Irei 来源:Applied Sciences 发布时间:2022/3/8 17:06:07
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Applied Sciences | 酸化水中气态元素汞的氧化:评估气态汞在酸性云、雾和雨滴中的可能下沉路径

论文题目:Oxidation of Gaseous Elemental Mercury in Acidified Water: Evaluation of Possible Sinking Pathway of Atmospheric Gaseous Mercury in Acid Cloud, Fog, and Rain Droplets

期刊:Applied Sciences

作者:Satoshi Irei

发表时间:28 January 2021

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像酸雨一样,当硫酸和硝酸等二次污染物被吸收时,大气中的水就会变成酸性。在东亚地区,由于人为排放大量的硫酸和硝酸前体气体,常观测到低pH值,例如云水的pH值为2.9、雨水的pH值介于3和4之间。当这些酸性液滴与气态元素汞 (Gaseous Elemental Mercury, GEM) 相遇时,GEM的吸收可能增强。日本国立水俣病研究所Satoshi Irei博士进行了关于GEM在液体中转化为氧化汞,以及该过程中GEM在云、雾、雨滴和海雾中的下沉途径研究。Satoshi Irei博士是首位研究这一论题的学者,该研究结果发表在了Applied Sciences 期刊。

实验材料及其制备

在2.5 L矩形玻璃容器底部注入0.5 L用硫酸、硝酸(pH 3.2–3.6) 或海水 (pH 8) 弱酸化的纯水 (pH 6–7)。将100–150 ng m-3的GEM标准气体引入容器,从另一端排出。将溶液暴露在气体中0.5至4小时后,对一部分吸收溶液取样,并通过常规捕集方法和冷蒸气原子荧光光谱仪测量分析溶液中溶解的元素汞 (Hg0aq) 和溶解的氧化汞 (Hg2+aq)。

如图1,在室内光照、温度和压力条件下,使用矩形玻璃容器进行溶液吸收GEM的实验。此外为更好地了解GEM吸收过程,还使用了惰性气体氮气的常规吹扫方法从同一溶液中分别提取Hg0aq和Hg2+aq。

图1. 本体溶液吸收GEM实验示意图。

实验分析与讨论

在每次暴露实验期间,渗透器产生的GEM浓度是稳定的。由于空调环境,每个实验过程中的温度也很稳定,波动在±0.6 K内。温度和压力的时间序列观测示例如图2所示。

图2. 稀硝酸溶液中暴露4小时,从玻璃容器中流出的GEM标准气体的温度 (T) 和相对压力 (P) 的时间序列图。

纯水、海水、硫酸、硝酸酸化纯水对GEM的吸收实验结果表明,吸收溶液中的Hg0aq浓度低于GEM标准气体平衡溶液中估计的Hg0aq量 (图3)。

图3. 各种吸收溶液中溶解元素汞 (Hg0aq) 的浓度与暴露于101–153 ng m-3气态元素汞标准气体的时间的函数关系。每个图中显示的灰色水平线代表Hg0aq的最低和最高平衡浓度。图中还显示了线性回归,每个回归显示的不确定性是标准误差。

由图4可见,吸收溶液中的Hg2+aq显示出有趣的趋势。海水中的Hg2+aq浓度低于Hg0aq,而其他溶液中的Hg2+aq浓度高于Hg0aq。纯水 (pH 6.1–6.5)、硝酸酸化水 (pH 3.5–3.6) 和海水 (pH 7.9–8.1) 中的Hg2+aq浓度几乎没有随时间变化,而硫酸酸化水中的Hg2+aq浓度 (pH 3.3) 随时间显著增加。这一结果表明:(1) Hg0aq在海水中的受限氧化可能与高pH值有关,而不是与高离子强度有关,而Hg0aq的一定程度的氧化反应发生在纯水中和用硝酸酸化的水,可能含有溶解氧;(2) Hg0aq在酸化溶液中与硫酸的氧化反应不仅与水合氢离子有关,而且与硫酸根离子有关。

图4. 溶解的氧化汞 (Hg2+aq) 在各种吸收溶液中的浓度与暴露于101–153 ng m-3气态元素汞标准气体的时间的函数关系。每个图中显示的灰色水平线代表Hg0aq的最低和最高平衡浓度。

GEM在本体液相中的传输过程如图5所示。在该实验条件下,GEM浓度从暴露于溶液前到暴露后的变化非常小。

图5. 在酸化水的液相中用硫酸氧化气态元素汞的示意图。

实验结果

结果表明,用硫酸酸化的溶液显著提高了GEM吸收。估计的吸收系数为 (5.5±1.6)×10-6,在典型大气条件下,这条下沉路径的GEM大气寿命为4970年,与其他主要下沉路径相比,可以忽略不计。然而该值可能变化很大,这取决于GEM的质量调节系数、液滴尺寸和数量浓度。本研究首次在报道的酸雨pH范围内,研究了纯水、海水和含硫酸和硝酸的酸化水对GEM的非均质吸收。

原文出自Applied Sciences 期刊

Satoshi Irei. Oxidation of Gaseous Elemental Mercury in Acidified Water: Evaluation of Possible Sinking Pathway of Atmospheric Gaseous Mercury in Acid Cloud, Fog, and Rain Droplets. Appl. Sci. 2021, 11(3), 1196

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Applied Sciences 期刊介绍

主编:Takayoshi Kobayashi,The University of Electro-Communications,Japan

期刊主题涵盖应用物理学、应用化学、工程、环境和地球科学以及应用生物学的各个方面。

2020 Impact Factor:2.679

2020 CiteScore:3.0

Time to Published:35

 
 
 
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