王宗爽，徐舒，王晟，蘇紅梅，武雪芳，李紅，譚玉菲，郭敏，顧閆悅

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京　100012

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國(guó)外環(huán)境煙霧箱及其應(yīng)用研究

王宗爽，徐舒，王晟，蘇紅梅，武雪芳，李紅，譚玉菲*，郭敏，顧閆悅

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012

摘要概述了國(guó)外環(huán)境煙霧箱的定義、分類、壁效應(yīng)、特性表征及其應(yīng)用研究。結(jié)果表明：國(guó)外環(huán)境煙霧箱的材料主要為Teflon FEP；室內(nèi)環(huán)境煙霧箱體積較小，但模擬條件可控性較強(qiáng)，室外環(huán)境煙霧箱體積大，但模擬條件可控性較弱；多數(shù)環(huán)境煙霧箱功能單一，不可移動(dòng)，不能到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行具有區(qū)域針對(duì)性的模擬研究，更不能開展人體暴露和建筑裝飾裝修材料中有害物質(zhì)釋放規(guī)律研究；幾乎每個(gè)環(huán)境煙霧箱都配備了先進(jìn)的分析儀器，如激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器等；主要用于光化學(xué)煙霧機(jī)制機(jī)理、新增痕量氣體的大氣化學(xué)行為和二次有機(jī)氣溶膠的形成等方面的研究。因此，建議未來(lái)我國(guó)建設(shè)的環(huán)境煙霧箱應(yīng)根據(jù)不同科研目的，拓展其應(yīng)用功能；制定環(huán)境煙霧箱應(yīng)用研究戰(zhàn)略，系統(tǒng)研究我國(guó)大氣灰霾污染形成和對(duì)人體健康影響的機(jī)制機(jī)理，為我國(guó)全面防控區(qū)域大氣污染的戰(zhàn)略決策提供科學(xué)支持。

關(guān)鍵詞環(huán)境煙霧箱；光化學(xué)煙霧；二次氣溶膠；暴露；人體健康

大氣污染是工業(yè)化過(guò)程中世界各國(guó)共同面對(duì)的難題[1-3]，國(guó)內(nèi)外大量研究證明大氣污染與人體健康和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)直接或間接相關(guān)[4-10]。近年來(lái)，我國(guó)大氣環(huán)境污染已由局地單一的煤煙型污染向區(qū)域復(fù)合型大氣污染轉(zhuǎn)變，大氣中多種污染物彼此耦合，呈現(xiàn)出多尺度、多來(lái)源、多組分、多過(guò)程及多效應(yīng)等特點(diǎn)，造成細(xì)顆粒物、光化學(xué)煙霧、酸沉降、臭氧層破壞和溫室效應(yīng)等污染問(wèn)題交替、重疊或耦合發(fā)生，逐漸呈現(xiàn)復(fù)雜化趨勢(shì)，成為全球大氣污染嚴(yán)重的地區(qū)之一[2]。

研究和識(shí)別大氣化學(xué)反應(yīng)協(xié)同作用機(jī)制和動(dòng)力學(xué)過(guò)程可為控制區(qū)域復(fù)合大氣污染提供理論依據(jù)，而環(huán)境煙霧箱是研究光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的重要手段。應(yīng)用環(huán)境煙霧箱進(jìn)行大氣光化學(xué)模擬研究不但能夠排除復(fù)雜的氣象、地形等因素的影響，從而在可以控制且能重復(fù)的條件下單純地模擬大氣中的化學(xué)過(guò)程，揭示了大氣化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，獲得反應(yīng)的機(jī)制機(jī)理，而且還可以開發(fā)并驗(yàn)證大氣化學(xué)模式，其研究成果將為大氣污染防治對(duì)策的制定提供科學(xué)依據(jù)。國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)，如美國(guó)加利福尼亞大學(xué)[11-20]、美國(guó)北卡羅來(lái)那大學(xué)[21-25]和北京大學(xué)[26-27]等，從20世紀(jì)70年代開始建立了各自的環(huán)境煙霧箱以開展大氣化學(xué)模擬研究，尤其是光化學(xué)煙霧研究。

為加強(qiáng)對(duì)我國(guó)區(qū)域大氣污染防治科技支撐，2013年我國(guó)發(fā)布實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[28]，明確提出要推進(jìn)大型大氣光化學(xué)模擬倉(cāng)、大型氣溶膠模擬倉(cāng)等科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)灰霾、臭氧的形成機(jī)理等方面的研究，加強(qiáng)大氣污染與人體健康關(guān)系的研究。為此，筆者研究了國(guó)外環(huán)境煙霧箱及其應(yīng)用情況，以期為我國(guó)未來(lái)全面開展環(huán)境煙霧箱的建設(shè)和研究提供參考。

1環(huán)境煙霧箱的定義與分類

1.1定義

環(huán)境煙霧箱是由箱體、光源、零空氣發(fā)生裝置、溫濕控制系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、采樣分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)構(gòu)成的大氣光化學(xué)模擬裝置。箱體采用惰性材料(如塑料膜、玻璃和不銹鋼等)制成，并可模擬大氣層[29]；光源(如黑光燈、氙燈和氬燈等)可模擬不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)光輻射；零空氣發(fā)生裝置可發(fā)生清潔空氣以清洗箱體內(nèi)壁并可作為稀釋氣；各種有效的檢測(cè)儀器，如激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器(LIF)、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(PTR-MS)、氣溶膠質(zhì)譜儀(AMS)及氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(ATOFMS)等，可了解和分析其中的反應(yīng)物和產(chǎn)物的大氣化學(xué)轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)規(guī)律。盡管不同實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境煙霧箱名稱不同(如環(huán)境艙、光化學(xué)煙霧艙、環(huán)境煙霧箱、煙霧箱和環(huán)境模擬箱等)，但其構(gòu)成相差不大。

1.2分類

環(huán)境煙霧箱根據(jù)使用的地點(diǎn)可分為室內(nèi)環(huán)境煙霧箱和室外環(huán)境煙霧箱。室外環(huán)境煙霧箱的優(yōu)點(diǎn)是可利用自然陽(yáng)光，使模擬試驗(yàn)較為真實(shí)；缺點(diǎn)是光照強(qiáng)度、溫度和相對(duì)濕度的可控性不強(qiáng)，難以進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。室內(nèi)環(huán)境煙霧箱的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供準(zhǔn)確試驗(yàn)條件控制，試驗(yàn)?zāi)軌蛑貜?fù)進(jìn)行，但人工光源不能很好地模擬太陽(yáng)光譜，某些模擬反應(yīng)與實(shí)際大氣中的反應(yīng)不一致。

根據(jù)體積大小把環(huán)境煙霧箱分為微型煙霧箱(體積從幾L到幾十L)、小型煙霧箱(100 L到5 m3)和大型煙霧箱(5 m3到幾百m3)。根據(jù)煙霧箱能否移動(dòng)，又可分為固定煙霧箱和可移動(dòng)煙霧箱。固定煙霧箱大多放置在專門的實(shí)驗(yàn)室中，擁有專門配套的儀器和設(shè)備，可以快速及時(shí)分析樣品；可移動(dòng)煙霧箱根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，把煙霧箱運(yùn)送到試驗(yàn)地點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采集大氣樣品或來(lái)自污染源的樣品進(jìn)行具有區(qū)域和大氣污染源的針對(duì)性研究。

2國(guó)外的環(huán)境煙霧箱

2.1室內(nèi)環(huán)境煙霧箱

國(guó)外室內(nèi)環(huán)境煙霧箱很多，如美國(guó)加利福尼亞大學(xué)河濱分校環(huán)境煙霧箱〔包括5.8 m3EC(evacuable chamber)煙霧箱、6 m3ITC(indoor Teflon chamber)煙霧箱、4 m3ETC(Ernie′s Teflon chamber)煙霧箱、10 m3DTC(divided Teflon chamber)煙霧箱、5 m3XTC(xenon Teflon chamber)煙霧箱以及7 m3CTC(CE-CERT Teflon chamber)煙霧箱〕[11-20]，日本國(guó)立環(huán)境研究所的6 m3環(huán)境煙霧箱[30]，福特汽車研究中心的140 L FORD環(huán)境煙霧箱[31]，德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心84.3 m3環(huán)境煙霧箱[32]以及美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)與加利福尼亞大學(xué)聯(lián)合建成的大型NGC(next-generation chamber)環(huán)境煙霧箱[33-35]等。需要特別指出的是，德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心的84.3 m3環(huán)境煙霧箱代表了能夠同時(shí)適合對(duì)流層和同溫層條件的室內(nèi)煙霧箱，該煙霧箱的材料為鎂鋁合金，箱內(nèi)壓力操作范圍為0.01～1 000 hPa，溫度的調(diào)節(jié)范圍為183～333 K，因而可以模擬高空低溫低壓條件下的大氣化學(xué)反應(yīng)[32]。

2.1.1NGC環(huán)境煙霧箱

US EPA與加利福尼亞大學(xué)合建的NGC環(huán)境煙霧箱是世界上較為先進(jìn)的室內(nèi)環(huán)境煙霧箱，主要由外層艙(圍護(hù)結(jié)構(gòu))、內(nèi)層艙(平行雙反應(yīng)器)、光源、空氣凈化系統(tǒng)、空氣混合和反應(yīng)物進(jìn)樣系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、分析系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成[33]，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　NGC環(huán)境煙霧箱內(nèi)部布置[33]Fig.1　Schematic of the next-generation chamber reactors and enclosure

整個(gè)外層艙的尺寸為6 m×12 m×6 m，內(nèi)部安裝空調(diào)和100 kW熱交換器，溫度為4～50 ℃可調(diào)，5 min內(nèi)達(dá)到要求；內(nèi)層艙材料為0.05 mm厚的Teflon FEP，2個(gè)平行反應(yīng)器的尺寸為5.5 m×5.5 m×5.5 m(體積80 m3)，其獨(dú)特之處在于反應(yīng)器的上部安裝了恒重器和步進(jìn)電機(jī)，使內(nèi)層艙的頂部隨著采樣的進(jìn)行而逐漸降低，從而保證內(nèi)部壓力恒定，不影響采樣和分析；光源采用功率為200 kW的水冷卻氬燈，其光譜為300～800 nm，接近太陽(yáng)光譜(圖2)，此外還配備了9 600 W的黑光燈，單純進(jìn)行紫外光條件下的模擬試驗(yàn)；采用Adco儀器公司的空氣凈化器產(chǎn)生潔凈空氣(約1 m3min)，該凈化器包括吸收塔(去除NOx、CO和重碳?xì)浠衔?、催化氧化凈化器(去除CH4和輕碳?xì)浠衔?，凈化效果為NOx濃度小于0.2×10-9，其他污染物濃度小于1×10-9(CO2除外)；采用空氣再循環(huán)裝置，保證2個(gè)平行反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度均勻；由于長(zhǎng)的采樣管線會(huì)導(dǎo)致氣溶膠損失，并且如果采樣管溫度或檢測(cè)儀器與反應(yīng)器中的溫度不同會(huì)導(dǎo)致氣溶膠的特征發(fā)生變化，因此在內(nèi)層艙附近放置氣溶膠儀器，以減少氣溶膠的損失及其理化性質(zhì)變化；采用人工抽取方法把低揮發(fā)性物質(zhì)捕集到合適的材料上，避免損失；系統(tǒng)配備了可調(diào)二極管激光吸收光譜儀(分析NO2、HNO3、H2O2和甲醛)，差分光學(xué)吸收光譜儀(DOAS)，激光誘導(dǎo)光譜儀(LIF，分析自由基)，以及氣溶膠儀器〔如掃描電遷移顆粒物譜分析儀(SMPS)等〕，所有儀器具體指標(biāo)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[33-35]。NGC環(huán)境煙霧箱具有體積大、壁效應(yīng)小、溫度可控性強(qiáng)、光譜范圍寬、光照強(qiáng)度大、光分布均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，并且內(nèi)層艙的體積可時(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，避免艙內(nèi)壓力變化干擾采樣分析。此外，平行雙反應(yīng)器可進(jìn)行平行試驗(yàn)，對(duì)反應(yīng)物種具有較強(qiáng)的針對(duì)性。

圖2　太陽(yáng)光譜、過(guò)濾氬燈光譜和非過(guò)濾光譜比較[35]Fig.2　Comparison of power spectra for outsidesunlight and the new Vortek light source

2.1.2FORD環(huán)境煙霧箱

典型的室內(nèi)小型環(huán)境煙霧箱——FORD環(huán)境煙霧箱，采用1個(gè)140 L的耐熱玻璃材料做成圓柱形反應(yīng)器。反應(yīng)器周圍放22個(gè)熒光燈，用來(lái)激發(fā)光化學(xué)反應(yīng)。在實(shí)際試驗(yàn)中，有8個(gè)熒光燈是覆蓋磷的GEFs40日光燈，其中心波長(zhǎng)為310 nm；其余為GEF15T8-BL黑光燈，最大輻射波長(zhǎng)約為360 nm。反應(yīng)器配備了紅外光譜儀，分辨率為0.25 cm-1，光程27.4 m。FORD環(huán)境煙霧箱還配備了其他設(shè)備，如臭氧分析儀、NOx分析儀、顆粒物分析儀等。試驗(yàn)時(shí)將機(jī)動(dòng)車尾氣直接或者稀釋后引入煙霧箱，在不同的光照強(qiáng)度、溫度等模擬大氣環(huán)境條件下，分析檢測(cè)其中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，從而了解機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)環(huán)境造成的影響[31]。該環(huán)境煙霧箱的特點(diǎn)是具有2個(gè)紫外光譜中心，并且小巧、容易移動(dòng)；但光源光譜都在紫外范圍內(nèi)，可見(jiàn)光引發(fā)的某些光化學(xué)反應(yīng)可能觀察不到；此外由于其體積較小，壁效應(yīng)會(huì)很大[36]。

2.2室外環(huán)境煙霧箱

由于室外環(huán)境煙霧箱幾乎不受空間限制，因此體積通常較大(幾十m3到幾百m3)，壁效應(yīng)相對(duì)較小[36]，材料多采用Teflon FEP，光源多采用太陽(yáng)光，但光照強(qiáng)度、溫度和相對(duì)濕度的可控制性較差，不可以移動(dòng)，通常都有保護(hù)外罩和大流量零空氣發(fā)生系統(tǒng)，并配備先進(jìn)的檢測(cè)分析儀器。由于系統(tǒng)復(fù)雜，因此通常操作費(fèi)用較高。目前，許多大氣環(huán)境化學(xué)研究機(jī)構(gòu)都建立了自己的室外環(huán)境煙霧箱，如德國(guó)地質(zhì)化學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究所(ICG)的370 m3環(huán)境煙霧箱[37]、歐洲光化學(xué)實(shí)驗(yàn)室204 m3平行雙環(huán)境煙霧箱(EUPHORE)[38]、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)河濱分校50 m3室外煙霧箱(outdoor Teflon chamber，OTC)[39]、美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)300 m3環(huán)境煙霧箱[40]等。

作為室外環(huán)境煙霧箱的典型代表，ICG環(huán)境煙霧箱由2個(gè)大小相同的環(huán)境煙霧箱組成，其為半球形狀，直徑為9.2 m，體積為204 m3，表面積體積比為0.65 m-1。整個(gè)裝置由光化學(xué)反應(yīng)艙、冷卻系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、采樣分析系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。箱體材料為Teflon FEP，厚度為0.127 mm，對(duì)于波長(zhǎng)為280～640 nm的太陽(yáng)光透過(guò)率大于80%；在箱體的頂部安裝了1個(gè)氣動(dòng)閥，調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力始終大于箱外大氣壓力330 Pa以下；在整個(gè)模擬箱的外部安裝可拆卸的半球形鋁板保護(hù)層，保護(hù)煙霧箱；底板上的2部大混合風(fēng)扇能夠產(chǎn)生4 000 m3h空氣流動(dòng)量，以保證試驗(yàn)過(guò)程中氣袋內(nèi)的物質(zhì)均勻分布；空氣凈化系統(tǒng)流量為500 m3h，達(dá)到油蒸汽和非甲烷碳?xì)浠衔镄∮?.000 3 mgm3；為減少太陽(yáng)照射造成的箱內(nèi)溫度波動(dòng)，在底板的下面安裝了制冷能力達(dá)到0.75 kWm2的循環(huán)水冷卻管，抵消箱內(nèi)溫度變化；在2個(gè)箱內(nèi)部都裝有傅里葉紅外光譜儀(FTIR)以及DOAS，在線分析包括自由基在內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物，其中2個(gè)FTIR的光程分別為326.8和553.5 m，分辨率為1 cm-1；平行雙艙能夠進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。ICG環(huán)境煙霧箱配備的各種儀器及其指標(biāo)見(jiàn)文獻(xiàn)[37]。

2.3可移動(dòng)環(huán)境煙霧箱

可移動(dòng)環(huán)境煙霧箱不但可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，還可以將環(huán)境煙霧箱移動(dòng)到污染源或觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，采集現(xiàn)場(chǎng)空氣樣品或者源樣品，進(jìn)行有針對(duì)性的模擬研究。但為了方便移動(dòng)，所建設(shè)的環(huán)境煙霧箱體積相對(duì)較小。目前國(guó)外可移動(dòng)環(huán)境煙霧箱并不多，主要有德克薩斯大學(xué)2 m3可移動(dòng)環(huán)境煙霧箱[41]和日本汽車研究所移動(dòng)式車載5 m3環(huán)境煙霧箱[42]。

德克薩斯大學(xué)建成的3個(gè)可移動(dòng)環(huán)境煙霧箱均為2 m3，箱壁的材料為Teflon FEP，其規(guī)格為1.22 m×1.22 m×0.13 mm，表面積體積比為4.46 m-1。箱體用5.1 cm寬、0.95 cm厚的鋁條作為框架，由4個(gè)輪子支撐，方便室內(nèi)外之間的移動(dòng)。其中1個(gè)煙霧箱用于空白試驗(yàn)，另外2個(gè)用做非空白試驗(yàn)。煙霧箱的每個(gè)面都可以取下來(lái)，便于進(jìn)行箱內(nèi)部的清洗和空氣交換。取下2個(gè)相對(duì)的面，箱體可暴露在周圍環(huán)境空氣中，快速裝上2個(gè)面，可采集到環(huán)境空氣。通過(guò)使用內(nèi)部框架和所有邊緣固定，Teflon膜不會(huì)起皺或因折疊而導(dǎo)致漏氣。除常規(guī)儀器外，還配備有矩陣分離光譜儀等先進(jìn)儀器。該煙霧箱的最大優(yōu)勢(shì)在于方便拆卸，可以移動(dòng)，適合現(xiàn)場(chǎng)大氣化學(xué)反應(yīng)模擬研究。由于3個(gè)煙霧箱的尺寸和材料相同，因而增加了試驗(yàn)的平行性和針對(duì)性。缺點(diǎn)是箱體的容積固定，沒(méi)有外層箱控制溫度，也沒(méi)有配備模擬光源，試驗(yàn)條件可控性較差。相比之下，日本汽車研究所的移動(dòng)式環(huán)境煙霧箱不但配備了紫外光源，并且配備了外層箱，因而可控性大大提高。

3國(guó)外環(huán)境煙霧箱應(yīng)用研究

國(guó)外科研工作者應(yīng)用環(huán)境煙霧箱對(duì)光化學(xué)污染機(jī)理、新增痕量氣體等方面開展了大氣環(huán)境化學(xué)模擬研究，取得了大量有價(jià)值的科學(xué)成果，為制定大氣污染防治政策提供了重要的理論依據(jù)。

3.1大氣光化學(xué)污染機(jī)理研究

大氣光化學(xué)污染機(jī)理的研究主要是從光輻射條件下各種物質(zhì)之間的反應(yīng)出發(fā)，模擬研究各類揮發(fā)性有機(jī)化合物、半揮發(fā)性有機(jī)化合物以及無(wú)機(jī)氣體化合物(如NOx等)在環(huán)境大氣中發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生O3、PAN(過(guò)氧乙酰硝酸酯)和H2O2等大氣氧化劑，以及產(chǎn)生的氧化劑對(duì)大氣污染物的氧化分解，確定其在環(huán)境大氣中的壽命、反應(yīng)速率常數(shù)，確定反應(yīng)過(guò)程中自由基的生成和消亡，以及反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)大氣中NOx濃度的影響，從而可獲得復(fù)雜大氣光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理。如IVL機(jī)理包含了714種物質(zhì)，涉及1 800多個(gè)反應(yīng)[43]；MCM機(jī)理(version 3.2)包括5 727種物質(zhì)，涉及16 930多個(gè)化學(xué)反應(yīng)[44-45]；SAPRC-99機(jī)理包括500多種揮發(fā)性有機(jī)物，涉及1 500多個(gè)反應(yīng)[46]；CB6機(jī)理包括77種物質(zhì)，涉及218個(gè)反應(yīng)[47]。目前，多個(gè)科研機(jī)構(gòu)正應(yīng)用環(huán)境煙霧箱進(jìn)行大氣光化學(xué)污染機(jī)理的研究與升級(jí)，如加利福尼亞大學(xué)應(yīng)用11個(gè)不同的環(huán)境煙霧箱對(duì)120種VOC進(jìn)行研究，并將SAPRC-99機(jī)理升級(jí)至SAPRC-07，更新了SAPRC-99中的反應(yīng)速率常數(shù)等[48]。

3.2新增痕量氣體對(duì)大氣污染機(jī)理研究

隨著全球工業(yè)的快速發(fā)展，各種人為合成的化學(xué)物質(zhì)(如汽油添加劑等)不斷釋放到大氣環(huán)境中，應(yīng)對(duì)這些新增痕量氣體在大氣中的遷移轉(zhuǎn)化會(huì)對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，以避免再發(fā)生類似于氟利昂造成平流層O3減少的現(xiàn)象。通過(guò)環(huán)境煙霧箱模擬研究，可以了解大氣對(duì)流層中太陽(yáng)輻射通量、溫度和相對(duì)濕度等參數(shù)是如何影響大氣中新增痕量氣體物質(zhì)降解的，降解反應(yīng)對(duì)其他大氣化學(xué)反應(yīng)和大氣化學(xué)成分的影響，系統(tǒng)調(diào)查痕量氣體與大氣化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物之間的非線性相關(guān)情況，最終確定新增痕量氣體在大氣中的反應(yīng)機(jī)制機(jī)理，獲取有益于制定大氣化學(xué)污染減控戰(zhàn)略所需的可靠信息。Barnes等[49]應(yīng)用EUPHORE開展了燃料添加劑(如乙縮醛等)的系統(tǒng)模擬研究，確定其在大氣環(huán)境中的光化學(xué)行為。

3.3大氣氣溶膠化學(xué)模擬研究

應(yīng)用環(huán)境煙霧箱開展大氣氣溶膠化學(xué)模擬研究主要集中在光照強(qiáng)度、溫度、相對(duì)濕度以及大氣中的氧化劑和自由基等因素對(duì)二次有機(jī)氣溶膠(SOA)的形成機(jī)理、形成潛勢(shì)、分解轉(zhuǎn)化、氣-固液相平衡分配、吸濕性、粒徑分布及壁損失效應(yīng)等理化特性的影響。由于人為源VOC(如芳香類化合物)和生物源VOC(如萜烯)是SOA的重要前體物，因而很多學(xué)者采用煙霧箱進(jìn)行模擬研究：Chandramouli等[50-51]研究了SOA的芳香類前體物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物形成SOA的能力與SOA成分分布；Martín-reviejo等[52-54]研究了NOx、OH、NO3對(duì)SOA形成的影響，以及OH、NO3、臭氧與單萜烯反應(yīng)對(duì)SOA形成能力差異的影響；Zhang等[55]研究了VOC對(duì)SOA產(chǎn)率影響，如通過(guò)SOA模擬研究認(rèn)為，VOC降解的中間產(chǎn)物的壁損失會(huì)極大地影響SOA的產(chǎn)率。同時(shí)，也有學(xué)者開展燃燒源可吸入顆粒物研究，但主要集中在機(jī)動(dòng)車尾氣形成氣溶膠的產(chǎn)量和粒徑分布等，而對(duì)其轉(zhuǎn)化、分解、吸附、吸濕性能和沉降能力的影響則沒(méi)有考慮。此外，卡爾斯魯厄研究中心應(yīng)用環(huán)境煙霧箱還開展了低溫低壓條件下氣溶膠的形成、化學(xué)組成以及沉降模擬研究，如高空飛行器排放尾氣的氣溶膠形成和沉降等[56]。

3.4現(xiàn)場(chǎng)模擬研究

應(yīng)用可移動(dòng)環(huán)境煙霧箱進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬研究，若與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相結(jié)合，則能產(chǎn)生較為仿真的研究結(jié)果，研究?jī)?nèi)容主要集中在：1)確定不同區(qū)域大氣化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度和差異性，了解參與大氣化學(xué)反應(yīng)的各種污染物(如氯氣、NOx、揮發(fā)性有機(jī)化合物等)在其中的化學(xué)行為及其對(duì)產(chǎn)O3等光化學(xué)氧化劑生成的影響，提出氣相污染物的控制戰(zhàn)略；2)確定各種污染物(如揮發(fā)性有機(jī)化合物、NO2)對(duì)二次氣溶膠生成潛勢(shì)的影響，以及作為反應(yīng)產(chǎn)物的二次氣溶膠的化學(xué)和物理行為，提出二次氣溶膠的控制策略[57]；3)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)挖掘，開發(fā)具有區(qū)域針對(duì)性的光化學(xué)煙霧數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型[58]。

4結(jié)論與展望

(1)國(guó)外環(huán)境煙霧箱各具特色，體積從室內(nèi)的100 L到室外的300 m3不等，選用的材料主要為Teflon FEP；由于體積和配置光源的不同，對(duì)大氣環(huán)境條件的仿真程度也不同，模擬試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性也存在差異。

(2)環(huán)境煙霧箱的功能單一，室外環(huán)境煙霧箱只能固定在室外，采用太陽(yáng)光源進(jìn)行試驗(yàn)，因而溫度、濕度和光照強(qiáng)度的可控制性較差；室內(nèi)環(huán)境煙霧箱只能固定在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，盡管溫度、濕度和光照強(qiáng)度的可控制性較強(qiáng)，但卻不能移動(dòng)到室外采集現(xiàn)場(chǎng)空氣樣品進(jìn)行有區(qū)域針對(duì)性的試驗(yàn)。

(3)雖然每個(gè)環(huán)境煙霧箱的應(yīng)用研究側(cè)重點(diǎn)不同，但都沒(méi)有偏離大氣環(huán)境化學(xué)模擬研究，沒(méi)有進(jìn)行人體暴露試驗(yàn)研究和建筑裝飾裝修材料中有害物質(zhì)釋放規(guī)律研究，以及室內(nèi)空氣化學(xué)研究。

我國(guó)受空氣污染影響人群數(shù)量巨大，大氣污染對(duì)人體健康影響研究將成為不可缺少的重要方面，并且大氣化學(xué)模擬反應(yīng)體系本身也可作為人體暴露模擬源。隨著人們生活水平的不斷提高，室內(nèi)裝飾裝修造成的室內(nèi)空氣污染及其對(duì)人體健康的影響也越來(lái)越被重視，可把室內(nèi)環(huán)境作為大氣環(huán)境中的一個(gè)微環(huán)境進(jìn)行研究。當(dāng)前，我國(guó)已建成一些環(huán)境煙霧箱，但主要集中在光化學(xué)模擬研究方面，因此建議我國(guó)未來(lái)建設(shè)的環(huán)境煙霧箱功能與模擬環(huán)境可拓展至模擬人體環(huán)境暴露、平流層環(huán)境、極低溫環(huán)境等。

鑒于我國(guó)煙霧箱應(yīng)用研究的薄弱現(xiàn)狀，建議有關(guān)部門針對(duì)我國(guó)的大氣污染特征和環(huán)境管理需求制定出系統(tǒng)的科學(xué)研究戰(zhàn)略規(guī)劃，形成科研人員隊(duì)伍穩(wěn)定、支持資金來(lái)源持續(xù)、儀器裝備先進(jìn)高效的保障能力，全面開展大氣化學(xué)模擬，提出我國(guó)區(qū)域大氣灰霾污染形成和對(duì)人體健康影響的機(jī)制機(jī)理，為我國(guó)全面防控區(qū)域大氣污染的戰(zhàn)略決策提供科學(xué)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]AKIMOTO H. Global air quality and pollution[J].Science,2003,302:1716-1719.

[2]MOLINA M. Air pollution is a global problem with local solutions[J].Nature,2008,456:19.

[3]SCHMALE J, SHINDELL D,SCHNEIDEMESSER E, et al. Air pollution:clean up our skies[J].Nature,2014,515:335-337.

[4]NEL A.Air pollution-related illness:effects of particles[J].Science,2005,308:804-806.

[5]LELIEVELD J,EVANS J S,FNAIS M,et al.The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale[J].Nature,2015,525:367-371.

[6]MOORHOUSE S.US air pollution is harmful and fine particles can kill[J].Nature,2007,445:709.

[7]GUO Y M,ZENG H M,ZHENG R S,et al.The association between lung cancer incidence and ambient air pollution in China:a spatiotemporal analysis[J].Environmental Research,2016,144:60-65.

[8]PASCALA M,CORSOA M,CHANELB O,et al.Assessing the public health impacts of urban air pollution in 25 European cities:results of the Aphekom project[J].Science of the Total Environment,2013,449:390-400.

[9]TRUMBORE S,BRANDO P,HARTMANN H.Forest health and global change[J].Science,2015,349:814-818.

[10]ADAMS M B.Ecological issues related to N deposition to natural ecosystems:research needs[J].Environment International,2003,29(23):189-199.

[11]CARTER W P L,ATKINSON R,WINER A M,et al.Experimental investigation of chamber-dependent radical sources[J].International Journal of Chemical Kinetics,1982,14(10):1071-1103.

[12]PITTS J N,SMITH J P,FITZ D R,et al.Enhancement of photochemical smog byn,n′-diethylhydroxylamine in polluted ambient air[J].Science,1977,197:255-257.

[13]CARTER W P L,WINER A M,DARNALL K R.Smog chamber studies of temperature effects in photo chemical smog[J].Environmental Science & Technology,1979,13(9):1094-1100.

[14]CARTER W P L,DARNALL K R,GRAHAM R A.Reactions of C2 and C4 alpha-hydroxy radicals with oxygen[J].Journal of Chemical Physics,1979,83(18):2305-2311.

[15]CARTER W P L,ATKINSON R.Computer modeling study of in cremental hydrocarbon reactivity[J].Environmental Science & Technology,1989,23(7):864-880.

[16]GERY M W,WHITTEN G Z,KILLUS J P,et al.A photochemical kinetics mechanism for urban and regional scale computer modeling[J].Journal of Physical Research,1989,94(24):12925-12956.

[17]STOCKWELL W R,KIRCHNER F,KUHN M,et al.A new mechanism for regional atmospheric chemistry modeling[J].Journal of Physical Research,1997,102(27):25847-25879.

[18]DODGE M C.Chemical oxidant mechanisms for air quality modeling:critical review[J].Atmospheric Environment,2000,34(7):2103-2130.

[19]CARTER W P L,LURMANN F W.Evaluation of a detailed gas-phase atmospheric reaction mechanism using environmental chamber data[J].Atmospheric Environment,1991,25(1):2771-2806.

[20]PINHO P G,PIO C A,CARTER W P L,et al.Evaluation of isoprene degradation in the detailed tropospheric chemical mechanism,MCMv3,using environmental chamber data[J].Atmospheric Environment,2004,39(3):1303-1322.

[21]YU J Z,JEFFRIES H E,LE LACHEUR R M L.Identifying airborne carbonyl compounds in isoprene atmospheric photooxidation products by their PFBHA oximes using gas chromatographyion trap mass spectrometry[J].Environmental Science & Technology,1995,29(8):1923-1932.

[22]YU J Z,JEFFRIES H E,SEXTON K G.Atmospheric photo oxidation of alkylbenzenes:part Ⅰ.carbonyl product analyses[J].Atmospheric Environment,1997,31(15):2261-2280.

[23]YU J Z,JEFFRIES H E,SEXTON K G.Atmospheric photo oxidation of alkylbenzenes:part Ⅱ.evidence of formation of epoxide intermediates[J].Atmospheric Environment,1997,31(15):2281-2287.

[24]JEFFRIES H E,FOX D,KAMENS R M.Outdoor smog chamber studies:light effects relative to indoor chambers[J].Environmental Science & Technology,1976,10(10):1006-1011.

[25]FOX D L,KAMENS R M,JEFFRIES H E.Photochemical smog systems:effect of dilution on ozone formation[J].Science,1975,188:1113-1114.

[26]唐孝炎,畢木天,李金龍,等.光化學(xué)煙霧箱的試制和性能實(shí)驗(yàn)[J].環(huán)境化學(xué),1982,1(5):344-351.

[27]張遠(yuǎn)航,邵可聲,唐孝炎,等.中國(guó)城市光化學(xué)煙霧污染研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1998,34(23):392-400.

ZHANG Y H,SHAO K S,TANG X Y,et al.The study of urban photochemical smog pollution in China[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,1998,34(23):392-400.

[28]國(guó)務(wù)院.大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃:國(guó)發(fā)〔2013〕37號(hào)[AOL].(2013-09-12)[2015-09-07].http:www.gov.cnzwgk2013-0912content_2486773.htm.

[29]唐孝炎,李金龍,栗欣,等.大氣環(huán)境化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1990:3-4.

[30]AKIMOTO H,TAKAGI H,SAKAMAKI F.Photoenhancement of the nitrous acid formation in the surface reaction of nitrogen dioxide and water vapor:extra radical source in smog chamber experiments[J].International Journal of Chemical Kinetics,1987,19(5):539-551.

[31]TAI Y C,BARBARA I N,NELSON A K.Modeling smog chamber measurements of vehicle exhaust reactivities[J].Journal of the Air & Waste Management Association,1999,49(1):57-63.

[32]BARNES I,RUDZINSKI K J.Environmental simulation chambers:application to atmospheric chemical processes[M].Berlin:Springer Netherlands,2006:67-82.

[33]CARTER W P L,FITZ D R,COCKER D R,et al.Development of a next-generation environmental chamber facility for chemical mechanism and VOC reactivity research:final report[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2005:8.

[34]CARTER W P L. Quality assurance project plan for the UCR EPA environmental chamber facility[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2002:19-31.

[35]CARTER W P L,FITZ D R,COCKER D R,et al.Development of a next-generation environmental chamber facility for chemical mechanism and VOC reactivity research:draft research plan and first progress report[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2005:15.

[36]WANG X,LIU T,BERNARD F, et al. Design and characterization of a smog chamber for studying gas-phase chemical mechanisms and aerosol formation[J].Atmospheric Measurement Techniques,2014,7:301-313.

[37]WIESEN P.List of all chambersinstallations in Eurochamp[EBOL].(2013-05-22)[2015-11-20].http:www.eurochamp.orgchambers.

[38]BECKER K H. The European photoreactor EUPHORE,design and technical development of the European photoreactor and first experimental results[R].Wuppertal:Final Report of the EC-Project,1996.

[39]CARTER W P L,LONG W D,PARKER L N,et al.Effects of methanol fuel substitution on multi-day air pollution episodes final report[R].California:Statewide Air Pollution Research Center University of California Riverside,1986.

[40]KIM Y,PLATT U,GU M B,et al.Atmospheric and biological environmental monitoring[M].Berlin:Springer Netherlands,2009:105-136.

[41]ALLEN D T, ROSSELOT K S. Pollution prevention for chemical processes[M].New York: John Wiley,1997:454.

[42]AKIMOTO H,HOSHINO M,INOUE G,et al.Design and characterization of the evaluable and bakable photochemical smog chamber[J].Environmental Science & Technology,1979,13(1):471-179.

[43]ANDERSSON-SKOLD Y.Updating the chemical scheme for the IVL photochemical trajectory model[M].Go?teborg:Swedish Environmental Research Institute,1995.

[44]LI J Y,CLEVELAND M,ZIEMBA L D,et al.Modeling regional secondary organic aerosol using the master chemical mechanism[J].Atmospheric Environment,2015,102:52-61.

[45]BLOSS C,WAGNER V,JENKIN M E,et al.Development of a detailed chemical mechanism (MCMv3.1) for the atmospheric oxidation of aromatic hydrocarbons[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2005,5:641-664.

[46]CARTER W P L.Documentation of the SAPRC-99 chemical mechanism for VOC reactivity assessment[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2000.

[47]YARWOOD G,JUNG J,WHITTEN G Z,et al.Updates to the carbon bond mechanism for version 6(CB6)[C]9th annual CMAS Models-3 users′conference.Chapel Hill:The University of North Carolina at Chapel Hill,2010.

[48]CARTER W P L.Development of the Saprc-07 chemical mechanism and updated ozone reactivity scales[R].California:Center for Environmental Research and Technology College of Engineering University of California Riverside,2010.

[49]BARNES I,BECKER K H,THüNER T,et al.Studies on oxygenated fuel additives:ethers and acetals[R].Berlin:Presentation to the USGerman Environmental Chamber Workshop,1999.

[50]CHANDRAMOULI B,JANG M,KAMENS R M.Gas-particle partitioning of semi-volatile organics on organic aerosols using a predictive activity coefficient model:analysis of the effects of parameter choices on model performance[J].Atmospheric Environment,2003,37(10):853-864.

[51]LEUNGSAKUL S,JAOUI M,KAMENS R M.Kinetic mechanism for predicting secondary organic aerosol formation from the reaction of d-limonene with ozone[J].Environmental Science & Technology,2005,39(24):9583-9594.

[53]PRICEA D J,CLARKA C H,TANGA X C,et al.Proposed chemical mechanisms leading to secondary organic aerosol in the reactions of aliphatic amines with hydroxyl and nitrate radicals[J].Atmospheric Environment,2014,96:135-144.

[54]LIA L J,TANGA P,COCKER D R.Instantaneous nitric oxide effect on secondary organic aerosol formation fromm-xylene photooxidation[J].Atmospheric Environment,2015,119:144-155.

[55]ZHANG X,CAPPA C D,JATHAR S H,et al.Influence of vapor wall loss in laboratory chambers on yields of secondary organic aerosol[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2014,111(16):5802-5807.

[56]SAATHOFF H,NAUMANN K H,MOEHLER O.Temperature dependence of yields of secondary organic aerosols from the ozonolysis ofα-pinene and limonene[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2009,9(5):3851-3865.

[57]ALLEN D T,PALEN E J,HERING S V.Size distributions and sources of compound classes in Los Angeles aerosol[J].Inhalation Toxicology,1995,7(5):723-734.

[58]RUSSELL M,ALLEN D T.Predicting secondary organic aerosol formation rates in southeast Texas[J].Journal of Geophysical Research,2005,110:1029-1035.□

Foreign Environmental Smog Chambers and Current Application Researches

WANG Zongshuang, XU Shu, WANG Sheng, SU Hongmei, WU Xuefang,LI Hong, TAN Yufei, GUO Min, GU Yanyue

Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

AbstractThe definition, classification, wall effects and characterization of environmental smog chambers were simply summarized, and their application researches were reviewed. It is indicated that the main material of foreign environmental smog chambers is Teflon FEP, the indoor chamber with relatively smaller volume has powerful controlling ability of simulated conditions including light intensity, temperature and relative humidity, while the outdoor chamber with relatively larger volume is on the contrary, with less controlling ability. Most smog chambers have single function and are unmovable, neither applied to carry out on-site simulation research aiming at specific areas, nor adapted to the researches on human exposure and emission theory of decorative building materials. Almost all the environmental chambers are equipped with advanced instruments such as laser induced fluorescence (LIF). The smog chambers are mainly applied to the researches on photochemical smog mechanisms, atmospheric chemical behavior of new trace gases, and formation of secondary organic aerosol, etc. It was proposed that the application functions of environmental smoke chambers should be expanded for different research purposes and application research strategies of environmental smoke chambers be developed to promote systematic study of formation mechanism of haze and human health effects for prevention and control of air pollution in China.

Key wordsenvironmental smog chamber; photochemical smog; secondary organic aerosol; exposure; human health

收稿日期：2015-11-30

基金項(xiàng)目:國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201409005)

作者簡(jiǎn)介：王宗爽(1978—)，男，副研究員，博士，主要從事環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、大氣污染防治和環(huán)境健康方面研究，wang_zs@craes.org.cn *通訊作者：譚玉菲(1985—)，女，碩士，主要從事環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、大氣污染防治和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面研究，tanyufei_es@163.com

中圖分類號(hào):X505

文章編號(hào):1674-991X(2016)04-0363-08

doi:10.3969?j.issn.1674-991X.2016.04.054

王宗爽，徐舒，王晟,等.國(guó)外環(huán)境煙霧箱及其應(yīng)用研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2016,6(4):363-370.

WANG Z S, XU S, WANG S, et al.Foreign environmental smog chambers and current application researches[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(4):363-370.