含半挥发性有机化合物气溶胶的蒸发动力学：琥珀酸/硫酸铵水溶液液滴

《Atmospheric Research》：Evaporation kinetics of aerosol containing semi-volatile organic compound: Succinic acid/ammonium sulfate aqueous solution droplet

　　

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  开发了一种改进模型，用于预测液滴中两种组分的同时蒸发。
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  增大F_SA可提高液滴蒸发速率，同时升高SA和水分的蒸发速率。
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  增大相对湿度（RH）会降低液滴蒸发，减少SA蒸发同时增强水分蒸发。
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  随着D_p增大，液滴的蒸发速率先降低，随后保持不变。

引言

大气气溶胶在全球气候中起着重要作用：直接作用是通过散射、反射和吸收太阳辐射；间接作用则是作为液态云滴和冰晶的凝结核（Bhatti等，2026；Haywood和Boucher，2000；Knopf等，2018；Manavi等，2025）。这些悬浮颗粒对气候具有降温效应，构成了评估温室气体对气候影响的最大不确定性来源（Chang等，2025；Masson-Delmotte等，2021）。此外，大气气溶胶对空气质量和公共健康也有重要影响（Lelieveld等，2015；P?schl，2005；Sun等，2026）。有机化合物占气溶胶质量的30%至80%（Jimenez等，2009；Liang等，2026），其中许多是挥发性的，如一元羧酸、二元羧酸、聚乙二醇、醇类等（Ehn等，2014；Li等，2023b；Mohr等，2019）。因此，挥发性有机化合物的气-粒分配在气溶胶的凝结和蒸发过程中也至关重要。

蒸发是大气气溶胶演变过程中的关键过程之一（Seinfeld和Pandis，2016；Wallace等，2023）。大气中的相对湿度（RH）在时间和空间上都表现出高度变化性，影响因素包括昼夜交替、海拔高度和云内湍流（Anderson等，2023）。在早期关于气溶胶吸湿增长和蒸发的研究中，气-粒分配中唯一涉及的物质是水。然而，当蒸发粒子中存在挥发性有机化合物时，水/挥发性有机化合物的蒸发会通过改变其饱和蒸气压来影响另一种物质的蒸发速率。因此，共同蒸发是一种重要且复杂的蒸发现象。

实验研究气溶胶粒子蒸发的关键点是测量粒径变化速率。现有文献中，基于不同测量对象有两种测量方法。对于单分散粒子，膨胀室采用绝热膨胀方法提供不同的蒸气过饱和比，并使用恒定角度米氏散射（CAMS）检测方法监测液滴增长（Winkler等，2006）。在改进的串联差分迁移率分析仪（TDMA）装置中，通过扫描迁移率粒子尺寸分析仪（SMPS）沿流管采样粒子，获得粒径随时间的演变，同时在两个DMA和层流管中为鞘气提供恒定的亚饱和相对湿度（Li等，2023b；Yli-Juuti等，2013）。在连续流动轴向热梯度云凝结核（CCN）室（CFSTGC）（Georgakaki等，2021；Roberts和Nenes，2005）和莱比锡气溶胶云相互作用模拟器（LACIS）（Niedermeier等，2020；Voigtl?nder等，2007）中，粒子通过具有湿润壁面的流管，过饱和比通过温度梯度控制。粒径通过光散射原理确定。对于单粒子，气溶胶光镊和电动天平分别使用单光束梯度力光陷阱和电场力悬浮粒子，并通过光学原理测量粒径变化（Davies，2019；Fan等，2025；Ingram等，2021）。基于气溶胶光镊（或电动天平）与拉曼光谱仪的组合，还可以研究蒸发过程中粒子的相态（David和Signorell，2025；Lee等，2008；Pei等，2024；Stewart等，2015）。然而，实验方法在揭示粒子蒸发过程的机理方面存在不足，这需要采用理论建模方法。

从理论建模的角度，单组分液滴的蒸发已被广泛研究。适用的理论框架根据表征液滴无量纲尺度的克努森数（Kn）来选择，该数定义为气相分子平均自由程与液滴半径之比。当粒径处于连续区（Kn?Kn?>?1），粒子与气相分子之间的碰撞可通过气体动力学理论描述。在过渡区（Kn ≈ 1），对模型的一个关键进展是引入了Fuchs-Sutugin过渡修正因子，用于质量和热量传递（Kulmala等，1993）。为了精确考虑从气相到粒子核心的热量和质量传递过程，Shiraiwa等（2012）和Schervish等（2024）基于气-粒相互作用综合动力学模型框架，建立了气溶胶和云中气-粒相互作用的动力学多层模型（KM-GAP）。然而，KM-GAP模型包含多个难以准确确定的微观参数，如质量（热量）调节系数、吸附层覆盖度和脱附寿命等。为了减少微观参数的使用并在模型中引入Stefan流和热扩散的影响，我们（Zhang等，2025）提出了一种改进模型，该模型结合了Kulmala模型（Kulmala等，1993；Rovelli等，2016；Sun等，2026）和KM-GAP模型（Knopf等，2024；Shiraiwa等，2012），并将其应用于阐明由硫酸铵或蔗糖溶液组成的液滴中的水分蒸发机理。

液滴中多组分的蒸发可使用动态蒸发模型结合热力学相平衡模型来建模。该理论模型已结合改进的TDMA系统用于研究挥发性有机化合物的饱和蒸气压（Koponen等，2007）、低挥发性有机化合物（Li等，2023a）以及无机盐对其的影响（H?kkinen等，2014；Yli-Juuti等，2013；Zardini等，2010）。此外，Choczynski等（2024）使用一种蒸发模型与气溶胶无机-有机混合物官能团活度系数模型（AIOMFAC）（Zuend等，2008）耦合，探索了液-液相分离（LLPS）与气溶胶粒子化学演变之间的联系。然而，在液滴多组分蒸发的理论模型中，未包含液滴体相中的质量扩散，这可能是不合理的。

尽管KM-GAP模型描述了液滴体相扩散，但它依赖于许多不可校准的微观参数（Schervish等，2024；Shiraiwa等，2012）。现有的多组分蒸发模型显著更易于实施，因为只需质量调节系数即可描述气-粒界面传递。然而，它忽略了内部扩散或有机-无机的热力学相互作用。在本研究中，建立了一种改进模型，将KM-GAP的多层扩散框架与经典二元蒸发理论相结合，用于研究由丁二酸（SA）和硫酸铵（AS）分别组成的气溶胶的蒸发动力学。SA和AS分别是大气粒子中常见的挥发性有机组分和最丰富的无机盐（Rogge等，1993；Zhang等，2007）。新理论模型的改进首先通过实验进行验证。随后，基于新建立的模型，详细分析了AS浓度、相对湿度和粒径对蒸发过程的影响。

章节摘要

理论模型

基于动力学多层概念（P?schl等，2007），建立了一种理论模型来描述含有两种挥发性物质（挥发性有机物和水）的气溶胶粒子的蒸发现象，其框架如图1所示。在新模型中，气溶胶液滴及其周围气相被概念化为由多层组成：气相区域、近表面气相区域、准静态表面层和体相层。该模型考虑了

新理论模型的验证

对于SA和SA-AS（F_SA?=?0.5、0.7、0.8、0.9）水溶液液滴在RH?=?80%、75%、65%、60%下的蒸发，图2展示了传统模型和改进模型预测的液滴直径（D_p）随时间（t）的变化，同时也展示了Yli-Juuti等（2013）的实验结果以供比较。需要指出的是，传统模型和改进模型之间的唯一区别在于前者不包含

结论

在本研究中，我们提出了一种改进的理论模型，该模型整合了气相扩散、气-液界面质量传递和粒子内质量扩散，以表征含有AS和两种挥发性物质（SA和水）的气溶胶液滴的蒸发动力学。详细分析了新模型相对于传统方法的改进程度，以及SA摩尔分数、RH和初始直径对蒸发过程的影响。主要

CRediT作者贡献声明

张超：撰写——初稿、调查、获取经费、概念化、撰写——审阅与编辑。李旭：软件、调查、数据管理、形式分析、验证、可视化。卢苗然：软件、方法论、调查、验证、撰写——初稿。马南：监督、方法论、获取经费、撰写——审阅与编辑。宣瑞炎：软件、调查。杨阳：软件、方法论、调查。冉亮：撰写——审阅与

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：52576167、42530602、52106207）的支持。作者还感谢广东省基础与应用基础研究基金（2024B1515040026）和国家外国专家局（中国）（H20250966）的资助。

张超|李旭|卢苗然|马南|宣瑞炎|杨阳|冉亮|吕洪林|王越设|赵春生|Alfred Wiedensohler