科大研究團隊解開氮氧化物與大氣中硫酸鹽間關係之謎 為改善霧霾污染帶來新希望

2019-12-23

由香港科技大學(科大)領導的一支科研團隊,近日首次揭示氮氧化物(NOx)如何影響大氣中硫酸鹽的多寡,以及其與霧霾形成的關係,為解決空氣污染的政策制訂者提供新見解。

由污濁濃霧所帶來的低能見度、高濕度以及高濃度PM2.5懸浮粒子的現象,一直對包括中國內地在內的大城市造成困擾。而在各種直徑小於2.5微米(PM2.5)的污染物中,由二氧化硫(SO2)在大氣中氧化而產生的硫酸鹽,是霧霾成因中最普遍的成分之一。

雖然科學界早已知曉二氧化硫與硫酸鹽之間的反應物-產物關係,但形成過程中所涉及的氧化劑及氧化過程非常複雜多樣化,特別是氮氧化物在這過程中扮演的角色,一直沒有一個清晰的理解。有別於直接由汽車廢氣以及燃燒如煤、柴油和天然氣等化石燃料而產生的氮氧化物,硫酸鹽並非直接由污染源頭排放,因而令希望控制它的研究人員及政府官員感到頭痛。今次研究乃科學家首次系統闡述氮氧化物如何於不同情況下,透過氧化過程影響製造硫酸鹽的一連串化學反應。

由科大化學系兼環境及可持續發展學部教授郁建珍領導的研究團隊,與加州理工學院的研究人員合作,發現了氮氧化物在三種不同的化學環境中以不同機制影響硫酸鹽的形成。在低濃度氮氧化物環境中,氮氧化物催化氧化劑的形成,促進硫酸鹽的形成;在霧霾籠罩時所出現超高濃度氮氧化物的環境中,溶於霧滴中的氮氧化物直接作為氧化劑,也促進硫酸鹽的形成。惟在中高濃度氮氧化物的環境中,由於二氧化氮(氮氧化物家族的一員)消耗了羥基自由基,令其不能有效地氧化二氧化硫,繼而抑制硫酸鹽的產生。

研究結果顯示,要在高污染的霧霾條件下減少硫酸鹽的形成,必須同時控制二氧化硫與氮氧化物的排放,但是,當氮氧化物排放達至中高量時,由於大氣中的二氧化氮會抑制促進硫酸鹽形成的羥基自由基,減排氮氧化物反而會導致空氣硫酸鹽增加。

郁教授表示:「由於硫酸鹽在大氣中形成,不能被直接調控。若想減低空氣中硫酸鹽的含量,便必須從其前體物(如二氧化硫、氮氧化物)入手,追溯這些成份與硫酸鹽之間的定量關係。這項研究解構了硫酸鹽與它其中一種可控的前體物-氮氧化物(NOx)之間的關聯機制。低濃度和極高濃度的氮氧化物均會加強硫酸鹽的形成,故政策制定者在嘗試控制氮氧化物的排放時,應加以注意。」
 
由於硫酸鹽是其中一種導致霧霾和酸雨的主要成份之一,不但阻礙視線或令水生環境變酸,還危害人類健康。這項研究為如何有效控制造成這些事件的主要污染物奠下基礎,配合更深入的了解和落實更佳的控制措施,研究結果將有助改善空氣質素,為公眾健康和生態系統帶來更完善的保護。

是次研究成果已於科學期刊自然-地球科學中發表。

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河北乃中國受霧霾影響最嚴重的一個省份之一。圖片攝於今年12月1日。(圖片: LIU Guorui)
河北乃中國受霧霾影響最嚴重的一個省份之一。圖片攝於今年12月1日。(圖片: LIU Guorui)
研究團隊新發現的三種機制,揭示氮氧化物如何影響大氣中硫酸鹽的形成。
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郁教授在一個學術會議中介紹她最新的研究成果。
郁教授在一個學術會議中介紹她最新的研究成果。