Rapid Sulfate Formation via Uncatalyzed Autoxidation of Sulfur Dioxide in Aerosol Microdroplets

自动氧化 化学 硫酸盐 二氧化硫 气溶胶 硫酸盐气溶胶 过饱和度 臭氧 光化学 无机化学 催化作用 环境化学 有机化学
作者
Zhe Chen,Pai Liu,Weigang Wang,Xue Cao,Yuxin Liu,Yunhong Zhang,Maofa Ge
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (12): 7637-7646 被引量:45
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c00112
摘要

Severe winter haze events in Beijing and North China Plain are characterized by rapid production of sulfate aerosols with unresolved mechanisms. Oxidation of SO2 by O2 in the absence of metal catalysts (uncatalyzed autoxidation) represents the most ubiquitous SO2 conversion pathway in the atmosphere. However, this reaction has long been regarded as too slow to be atmospherically meaningful. This traditional view was based on the kinetic studies conducted in bulk dilute solutions that mimic cloudwater but deviate from urban aerosols. Here, we directly measure the sulfate formation rate via uncatalyzed SO2 autoxidation in single (NH4)2SO4 microdroplets, by using an aerosol optical tweezer coupled with a cavity-enhanced Raman spectroscopy technique. We find that the aqueous reaction of uncatalyzed SO2 autoxidation is accelerated by two orders of magnitude at the high ionic strength (∼36 molal) conditions in the supersaturated aerosol water. Furthermore, at acidic conditions (pH 3.5–4.5), uncatalyzed autoxidation predominately occurs on droplet surface, with a reaction rate unconstrained by SO2 solubility. With these rate enhancements, we estimate that the uncatalyzed SO2 autoxidation in aerosols can produce sulfate at a rate up to 0.20 μg m–3 hr–1, under the winter air pollution condition in Beijing.
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