Elucidating the Mechanism on the Transition-Metal Ion-Synergetic-Catalyzed Oxidation of SO2 with Implications for Sulfate Formation in Beijing Haze

硫酸盐 薄雾 化学 气溶胶 无机化学 催化作用 动力学 水溶液 过渡金属 金属 离子 物理化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Si Zhang,Dapeng Li,Shuangshuang Ge,Can Wu,Xinbei Xu,Xiaodi Liu,Rui Li,Fan Zhang,Gehui Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (6): 2912-2921 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c08411
摘要

Currently, atmospheric sulfate aerosols cannot be predicted reliably by numerical models because the pathways and kinetics of sulfate formation are unclear. Here, we systematically investigated the synergetic catalyzing role of transition-metal ions (TMIs, Fe3+/Mn2+) in the oxidation of SO2 by O2 on aerosols using chamber experiments. Our results showed that the synergetic effect of TMIs is critically dependent on aerosol pH due to the solubility of Fe(III) species sensitive to the aqueous phase acidity, which is effective only under pH < 3 conditions. The sulfate formation rate on aerosols is 2 orders of magnitude larger than that in bulk solution and increases significantly on smaller aerosols, suggesting that such a synergetic-catalyzed oxidation occurs on the aerosol surface. The kinetic reaction rate can be described as R = k*[H+]−2.95[Mn(II)][Fe(III)][S(IV)] (pH ≤ 3.0). We found that TMI-synergetic-catalyzed oxidation is the dominant pathway of sulfate formation in Beijing when haze particles are very acidic, while heterogeneous oxidation of SO2 by NO2 is the most important pathway when haze particles are weakly acidic. Our work for the first time clarified the role and kinetics of TMI-synergetic-catalyzed oxidation of SO2 by O2 in haze periods, which can be parameterized into models for future studies of sulfate formation.
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