Effects of seed particles Al₂O₃, Al₂(SO₄)₃ and H₂SO₄ on secondary organic aerosol

Abstract

• SO₂/NH₃ affected the role of seed particles in secondary aerosol (SA) formation.

• Effects of seed particles on SA formation depended on their acid-base properties.

• H₂SO₄ accelerated SA formation under either SO₂ or NH₃ condition.

Seed particles Al₂O₃, Al₂(SO₄)₃ and H₂SO₄ were selected to investigate their effects on secondary aerosol (SA) formation in toluene/NO_x photooxidation under sulfur dioxide (SO₂) and ammonia (NH₃). Effect of seed particles on SA formation was related to their acid-base properties and the presence of acid or alkaline gases. Under NH₃-poor condition, SA formation increased with increasing SO₂ concentration due to the acid-catalyzing effect of the oxidation products of SO₂ (i.e. H₂SO₄). The enhancing effect of SO₂ became unobvious under NH₃-rich condition, because NH₃ would eliminate the acid-catalyzing effect by neutralizing the acid products. Acidic seeds H₂SO₄ accelerated SA formation under either SO₂ or NH₃ condition. Weak acidic Al₂(SO₄)₃ seeds didn’t affect obviously on SA formation. The inhibiting effect of amphoteric seeds Al₂O₃ on SA formation was related to the presence of SO₂ / NH₃ due to their acid-base property. Under NH₃-poor condition, the inhibiting effect of Al₂O₃ on SA formation decreased with increasing concentration of SO₂, while under NH₃-rich condition, the inhibiting effect wasn’t remarkable.

Graphical abstract

Keywords

Seed particle / Secondary aerosol / Sulfur dioxide / Ammonia / Acid-catalyzing effect

References

[1] Hu G S, Xu Y F, Jia L. Effects of relative humidity on the characterization of a photochemical smog chamber. Journal of Environmental Sciences-China, 2011, 23(12): 2013–2018 

[2] von Hessberg C, von Hessberg P, Pöschl U, Bilde M, Nielsen O J, Moortgat G K. Temperature and humidity dependence of secondary organic aerosol yield from the ozonolysis of b-pinene. Atmospheric Chemistry and Physics, 2009, 9(11): 3583–3599

[3] Liu X Y, Zhang W J, Huang M Q, Wang Z Y, Hao L Q, Zhao W W. Effect of illumination intensity and light application time on secondary organic aerosol formation from the photooxidation of alpha-pinene. Journal of Environmental Sciences-China, 2009, 21(4): 447–451

[4] Song C, Na K S, Cocker D R. Impact of the hydrocarbon to NO_x ratio on secondary organic aerosol formation. Environmental Science & Technology, 2005, 39(9): 3143–3149

[5] Chu B W, Hao J M, Takekawa H, Li J H, Wang K, Jiang J K. The remarkable effect of FeSO₄ seed aerosols on secondary organic aerosol formation from photooxidation of a-pinene/NO_x and toluene/NO_x. Atmospheric Environment, 2012, 55(55): 26–34

[6] Odum J R, Hoffmann T, Bowman F, Collins D, Flagan R C, Seinfeld J H. Gas/particle partitioning and secondary organic aerosol yields. Environmental Science & Technology, 1996, 30(8): 2580–2585

[7] Jang M S, Czoschke N M, Lee S, Kamens R M. Heterogeneous atmospheric aerosol production by acid-catalyzed particle-phase reactions. Science, 2002, 298(5594): 814–817

[8] Kulmala M, Petäjä T, Kerminen V M, Kujansuu J, Ruuskanen T, Ding A, Nie W, Hu M, Wang Z, Wu Z, Wang L, Worsnop D R. On secondary new particle formation in China. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10(5): 08

[9] Czoschke N M, Jang M, Kamens R M. Effect of acidic seed on biogenic secondary organic aerosol growth. Atmospheric Environment, 2003, 37(30): 4287–4299

[10] Liu C, Chu B W, Liu Y C, Ma Q X, Ma J Z, He H, Li J H, Hao J M. Effect of mineral dust on secondary organic aerosol yield and aerosol size in a-pinene/NO_x photo-oxidation. Atmospheric Environment, 2013, 77: 781–789 

[11] Giere R, Querol X. Solid particulate matter in the atmosphere. Elements (Quebec), 2010, 6(4): 215–222

[12] Gao M, Carmichael G R, Wang Y, Ji D, Liu Z, Wang Z. Improving simulations of sulfate aerosols during winter haze over Northern China: the impacts of heterogeneous oxidation by NO₂. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10(5): 16

[13] Zhao N, Zhang Q, Wang W. Heterogeneous reaction mechanism of gaseous HNO3 with solid NaCl: a density functional theory study. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10(5): 03

[14] Ma J Z, Liu Y C, He H. Degradation kinetics of anthracene by ozone on mineral oxides. Atmospheric Environment, 2010, 44(35): 4446–4453

[15] Behera S N, Sharma M. Degradation of SO₂, NO₂ and NH₃ leading to formation of secondary inorganic aerosols: an environmental chamber study. Atmospheric Environment, 2011, 45(24): 4015–4024

[16] Shukla S P, Sharma M. Source appointment of atmospheric PM₁₀ in Kanpur, India. Environmental Engineering Science, 2008, 25(6): 849–862

[17] Sharma M, Kishore S, Tripathi S N, Behera S N. Role of atmospheric ammonia in the formation of inorganic secondary particulate matter: A study at Kanpur, India. Journal of Atmospheric Chemistry, 2007, 58(1): 1–17

[18] Santiago M, Vivanco M G, Stein A F. SO₂ effect on secondary organic aerosol from a mixture of anthropogenic VOCs: experimental and modelled results. International Journal of Environment and Pollution, 2012, 50(1/2/3/4): 224–233

[19] Kleindienst T E, Edney E O, Lewandowski M, Offenberg J H, Jaoui M. Secondary organic carbon and aerosol yields from the irradiations of isoprene and alpha-pinene in the presence of NO_x and SO₂. Environmental Science & Technology, 2006, 40(12): 3807–3812

[20] Jaoui M, Edney E O, Kleindienst T E, Lewandowski M, Offenberg J H, Surratt J D, Seinfeld J H. Formation of secondary organic aerosol from irradiated alpha-pinene/toluene/NO_x mixtures and the effect of isoprene and sulfur dioxide. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2008, 113(D9): D09303

[21] Tang Y H, Carmichael G R, Kurata G, Uno I, Weber R J, Song C H, Guttikunda S K, Woo J H, Streets D G, Wei C, Clarke A D, Huebert B, Anderson T L. Impacts of dust on regional tropospheric chemistry during the ACE-Asia experiment: a model study with observations. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2004, 109 (D19): D19521

[22] Adams J W, Rodriguez D, Cox R A. The uptake of SO₂ on Saharan dust: a flow tube study. Atmospheric Chemistry and Physics, 2005, 5(10): 2679–2689

[23] Wu S, Lu Z F, Hao J M, Zhao Z, Li J H, Takekawa H, Minoura H, Yasuda A. Construction and characterization of an atmospheric simulation smog chamber. Advances in Atmospheric Sciences, 2007, 24(2): 250–258

[24] Liu C, Liu Y C, Ma Q X, He H. Mesoporous transition alumina with uniform pore structure synthesized by alumisol spray pyrolysis. Chemical Engineering Journal, 2010, 163(1–2): 133–142

[25] Roberts J M, Veres P, Warneke C, Neuman J A, Washenfelder R A, Brown S S, Baasandorj M, Burkholder J B, Burling I R, Johnson T J, Yokelson R J, De Gouw J. Measurement of HONO, HNCO, and other inorganic acids by negative-ion proton-transfer chemical-ionization mass spectrometry (NI-PT-CIMS): application to biomass burning emissions. Atmospheric Measurement Techniques, 2010, 3(4): 981–990

[26] Takekawa H, Minoura H, Yamazaki S. Temperature dependence of secondary organic aerosol formation by photo-oxidation of hydrocarbons. Atmospheric Environment, 2003, 37(24): 3413–3424

[27] Chu B W, Liu Y C, Li J H, Takekawa H, Liggio J, Li S M, Jiang J K, Hao J M, He H. Decreasing effect and mechanism of FeSO₄ seed particles on secondary organic aerosol in a-pinene photooxidation. Environmental Pollution, 2014, 193(1): 88–93

[28] Hao L Q, Wang Z Y, Huang M Q, Fang L, Zhang W J. Effects of seed aerosols on the growth of secondary organic aerosols from the photooxidation of toluene. Journal of Environmental Sciences-China, 2007, 19(6): 704–708

[29] Hao L Q, Wang Z Y, Huang M Q, Pei S X, Yang Y, Zhang W J. Size distribution of the secondary organic aerosol particles from the photooxidation of toluene. Journal of Environmental Sciences-China, 2005, 17(6): 912–916

[30] Hao L Q, Wang Z Y, Fang L, Zhang W J, Wang W, Li C X, Sheng L S. Characterization of products from photooxidation of toluene. Journal of Environmental Sciences-China, 2006, 18(5): 903–909

[31] Huang M Q, Zhang W J, Hao L Q, Wang Z Y, Zhou L Z, Gu X J, Fang L. Chemical composition and reaction mechanisms for secondary organic aerosol from photooxidation of toluene. Journal of the Chilean Chemical Society, 2006, 53(5): 1149–1156

[32] Na K, Song C, Switzer C, Cocker D R. Effect of ammonia on secondary organic aerosol formation from alpha-pinene ozonolysis in dry and humid conditions. Environmental Science & Technology, 2007, 41(17): 6096–6102

[33] Harrison R M, Kitto A M N. Estimation of the rate constant for the reaction of acid sulphate aerosol with NH₃ gas from atmospheric measurements. Journal of Atmospheric Chemistry, 1992, 15(2): 133–143

[34] Baek B H, Aneja V P, Tong Q S. Chemical coupling between ammonia, acid gases, and fine particles. Environmental Pollution, 2004, 129(1): 89–98

[35] Chu B W, Liu T Y, Zhang X, Liu Y C, Ma Q X, Ma J Z, He H, Wang X M, Li J H, Hao J M. Secondary aerosol formation and oxidation capacity in photooxidation in the presence of Al₂O₃ seed particles and SO₂. Science China. Chemistry, 2015, 58(9): 1426–1434

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg