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

Highlights

• 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.

Abstract

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

Acknowledgements

This work was supported by Scientific Research Foundation for Returned Scholars from Ministry of Education of China (No. 2013S010), Six Talent Peaks Project in Jiangsu Province (No. R2015L12). This work was also supported by the “Strategic Priority Research Program” of the Chinese Academy of Sciences (Nos. XDB05010102 and XDB05030100) and National Natural Science Foundation of China (Grant No. 21407158).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg