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一、气溶胶概述一、气溶胶概述大气污染物按物理状态可分为气态和气溶胶大气污染物按物理状态可分为气态和气溶胶(aerosol)(aerosol)颗颗粒态两种形式粒态两种形式气溶胶:
是指气溶胶:
是指液体液体或或固体微粒固体微粒均匀地分散在气体中形成的均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。
相对稳定的悬浮体系。
通常将通常将液体液体或或固体微粒固体微粒称为颗粒物或粒子,是指空气动力称为颗粒物或粒子,是指空气动力学直径为学直径为0.0030.003100100mm的液滴或固态粒子,其中粒径范的液滴或固态粒子,其中粒径范围的下限来自目前能测出的最小尺度,上限则相应于在空围的下限来自目前能测出的最小尺度,上限则相应于在空气中不能长时间悬浮而较快降落的尺度。
气中不能长时间悬浮而较快降落的尺度。
第七节气溶胶化学人们重点关心和研究的是大气气溶胶体系中人们重点关心和研究的是大气气溶胶体系中各种粒子的各种粒子的来源来源、组成组成、迁移变化规律迁移变化规律以以及其最后的及其最后的归宿归宿与对生物的与对生物的影响影响和和危害危害。
第七节气溶胶化学气溶胶直接参与大气中云的形成和湿沉降(雨、雪、冰和气溶胶直接参与大气中云的形成和湿沉降(雨、雪、冰和雾等)过程;雾等)过程;能够散射或吸收太阳光,降低大气能见度,削弱太阳辐射,能够散射或吸收太阳光,降低大气能见度,削弱太阳辐射,进而改变环境温度和植物的生长速率;进而改变环境温度和植物的生长速率;为大气中的化学反应提供良好的反应床,甚至气溶胶中的为大气中的化学反应提供良好的反应床,甚至气溶胶中的某些化学成分(如微量金属)还能对化学反应起到催化作某些化学成分(如微量金属)还能对化学反应起到催化作用;用;此外,大气中许多气态污染物的最终归宿是形成气溶胶粒此外,大气中许多气态污染物的最终归宿是形成气溶胶粒子,危害人体健康子,危害人体健康第七节气溶胶化学大气气溶胶研究动向大气气溶胶研究动向大气气溶胶的表征研究大气气溶胶的表征研究气溶胶的大气化学过程研究气溶胶的大气化学过程研究气溶胶与气候变化的研究气溶胶与气候变化的研究气溶胶与健康效应的研究气溶胶与健康效应的研究第七节气溶胶化学形貌形貌第七节气溶胶化学粒径粒径大气气溶胶颗粒物的大小(又称粒径)是颗粒物最重要的性质之一。
它反映了颗粒物大气气溶胶颗粒物的大小(又称粒径)是颗粒物最重要的性质之一。
它反映了颗粒物的来源,影响光的散射性质和气候效应,大气颗粒物许多重要的性质(如体积、质量的来源,影响光的散射性质和气候效应,大气颗粒物许多重要的性质(如体积、质量和沉降速率等)都与粒子大小有关。
粒径通常指颗粒物的直径,用和沉降速率等)都与粒子大小有关。
粒径通常指颗粒物的直径,用Dp,d或或dp表示,表示,单位为单位为m或或nm。
目前多用空气动力学直径目前多用空气动力学直径(Dp)来表示。
来表示。
空气动力学直径空气动力学直径(Dp):
与所研究粒子有相同降落速度的密度为:
与所研究粒子有相同降落速度的密度为1g/cm3的球体直径。
的球体直径。
Dg几何直径,几何直径,K形状系数,形状系数,当粒子为球形时,当粒子为球形时,K=1.0.p忽略了浮力效应的粒密度,忽略了浮力效应的粒密度,0参考密度参考密度(1g/cm3)从从上上式式可可以以看看出出,对对于于球球状状粒粒子子,p对对Dp是是有有影影响响的的。
当当p较较大大时时,Dp会会比比Dg大大。
由由于大多数大气粒子满足于大多数大气粒子满足p10,因此,因此Dp和和Dg的差值因子必定小于的差值因子必定小于3。
第七节气溶胶化学分类分类
(一)按颗粒物成因
(一)按颗粒物成因分散性气溶胶分散性气溶胶:
是固态或液态物质经粉碎、喷射,:
是固态或液态物质经粉碎、喷射,形成微小粒子,分散在大气中形成形成微小粒子,分散在大气中形成的气溶胶。
的气溶胶。
凝聚性气溶胶凝聚性气溶胶:
则是由气体或蒸汽:
则是由气体或蒸汽(其中包括固态物其中包括固态物升华而成的蒸汽升华而成的蒸汽)遇冷凝聚成液态或固态微粒,而形遇冷凝聚成液态或固态微粒,而形成的气溶胶。
成的气溶胶。
第七节气溶胶化学
(二)按颗粒物的物理状态
(二)按颗粒物的物理状态固态气溶胶固态气溶胶-烟烟和尘;和尘;液态气溶胶液态气溶胶-雾;雾;固液混合态气溶固液混合态气溶-烟雾烟雾(smog)第七节气溶胶化学(三)按气溶胶粒径大小(三)按气溶胶粒径大小总悬浮颗粒物总悬浮颗粒物用标准大容量采样器(流量在用标准大容量采样器(流量在1.11.7m3/min)在滤)在滤膜上所收集到的颗粒物总质量,是分散在大气中的各种膜上所收集到的颗粒物总质量,是分散在大气中的各种粒子的总称,也是大气质量评价中一个通用的重要污染粒子的总称,也是大气质量评价中一个通用的重要污染指标。
指标。
TSP100m飘尘飘尘可在大气中长期飘浮的悬浮物,是最受人们关注的研究可在大气中长期飘浮的悬浮物,是最受人们关注的研究对象之一。
对象之一。
飘尘飘尘30m第七节气溶胶化学可吸入颗粒物(可吸入颗粒物(IP)或)或PM10美国环保局(美国环保局(EPA)1978年把粒径年把粒径Dp15m的粒子称为可吸入粒子,的粒子称为可吸入粒子,国际标准化组织(国际标准化组织(ISO)建议将)建议将IP定义为定义为Dp10m的粒子。
美国环保的粒子。
美国环保局于局于1985年在国家环境空气质量标准增加了年在国家环境空气质量标准增加了PM10,我国也在我国也在1996年年颁布的颁布的环境空气质量标准环境空气质量标准中规定了中规定了PM10的标准,并统一在空气质的标准,并统一在空气质量日报中采用量日报中采用PM10指标指标PM10是指粒径Dp10m颗粒物的质量浓度颗粒物的质量浓度粗粒子粗粒子2.5mDp10m细粒子或细粒子或PM2.5Dp2.5mPM2.5是指粒径Dp2.5m颗粒物的质量浓度颗粒物的质量浓度第七节气溶胶化学(四)按形成机制四)按形成机制一次颗粒物一次颗粒物:
直接由污染源排放出的颗粒物直接由污染源排放出的颗粒物二次颗粒物二次颗粒物:
在大气中发生反应而产生的颗粒物在大气中发生反应而产生的颗粒物此外,在日常生活中或根据各种学科的需要,人们还定此外,在日常生活中或根据各种学科的需要,人们还定义了专门的名称,如粉尘、烟、灰、雾等等。
义了专门的名称,如粉尘、烟、灰、雾等等。
第七节气溶胶化学气溶胶粒子对人体的危害气溶胶粒子对人体的危害气溶胶粒子的状态、大小、组成及运动方式等均与人们的生活、健气溶胶粒子的状态、大小、组成及运动方式等均与人们的生活、健康密切相关,飘浮在空气中的气溶胶小粒子很容易被人吸入并沉积在支康密切相关,飘浮在空气中的气溶胶小粒子很容易被人吸入并沉积在支气管和肺部。
气管和肺部。
粒径大于粒径大于10m10m的颗粒,大部分滞留在鼻腔或咽喉部位;的颗粒,大部分滞留在鼻腔或咽喉部位;粒径为粒径为2m2m的颗粒可通过鼻腔进入上呼吸道,而更小的颗的颗粒可通过鼻腔进入上呼吸道,而更小的颗粒物则可深达肺部,并长期停留。
粒物则可深达肺部,并长期停留。
气溶胶粒子进入人体后在沉积的部位上对组织发生作用或影响是根据其气溶胶粒子进入人体后在沉积的部位上对组织发生作用或影响是根据其化学组成或其所携带吸附的有毒物质所决定的化学组成或其所携带吸附的有毒物质所决定的,如石棉、氧化铍微粒、,如石棉、氧化铍微粒、硫酸雾滴以及颗粒表面吸附的硫酸雾滴以及颗粒表面吸附的BaPBaP及其它多环芳烃、及其它多环芳烃、SOSO22等均等均可因其毒可因其毒性而引起人体健康的损害,甚至造成组织癌变。
性而引起人体健康的损害,甚至造成组织癌变。
第七节气溶胶化学大大气气中中常常见见的的H2SO4雾雾滴滴进进入入人人体体后后,能能附附着着在在肺肺泡泡上上刺刺激激肺肺泡泡,增增加加气气流流阻阻力力使使呼呼吸吸困困难难,引引起起肺肺水水肿肿和和肺肺硬硬化化,严严重重的的将将导导致致死死亡亡,故故硫硫酸酸雾雾的的毒毒性性要要比比气气体体SO2毒毒性性高高10倍倍以以上上。
此此外外,细细粒粒子子危危害害较较大大不不仅仅表表现现在在可可吸吸入入性性上上,还还在在于于其其有有毒毒污污染染物物在在细细粒粒子子中中的的含含量量大大大大高高于于粗粗粒粒子子。
北北京京市市大大气气颗颗粒粒物物成成分分监监测测分分析析结结果果表表明明,多多环环芳芳烃烃的的90%集集中中在在3m以以下下的的颗颗粒物中粒物中。
因此,大气气溶胶的危害和影响与其粒子的大小和化学组成密因此,大气气溶胶的危害和影响与其粒子的大小和化学组成密切相关。
切相关。
第七节气溶胶化学二二气溶胶的粒径分布气溶胶的粒径分布气溶胶的粒子总数虽然也大体上能代表空气污染气溶胶的粒子总数虽然也大体上能代表空气污染的程度,但仅仅知道粒子总数是不够的,还必须的程度,但仅仅知道粒子总数是不够的,还必须知道气溶胶粒子按粒径大小的分布情况,以反映知道气溶胶粒子按粒径大小的分布情况,以反映出气溶胶粒子的大小与其来源或形成过程之间的出气溶胶粒子的大小与其来源或形成过程之间的关系。
关系。
粒径分布粒径分布指所含颗粒物的浓度按粒子大小的分布情指所含颗粒物的浓度按粒子大小的分布情况。
况。
颗粒物颗粒物的浓度的浓度:
数浓度数浓度N、表面积浓度、表面积浓度S、粒、粒子的总子的总体积浓度体积浓度V、总质量浓度、总质量浓度M第七节气溶胶化学图图是某城市大气颗粒物的数浓度、是某城市大气颗粒物的数浓度、表面积浓度和体积浓度分布曲线表面积浓度和体积浓度分布曲线气溶胶粒子的三模态及其特性气溶胶粒子的三模态及其特性Whitby等人依据大气颗粒物表面积与粒径分布的关系得到了三种不同类型的粒度模,用以区分三种不同类型的粒子组。
爱根核模(Dp2m)第七节气溶胶化学爱根核模:
爱根核模:
主要来源于主要来源于燃烧过程燃烧过程所产生的所产生的一次一次气溶胶粒子,以及气体分气溶胶粒子,以及气体分子通过子通过化学反应均相成核化学反应均相成核而生成的而生成的二次二次气溶胶粒子,所以气溶胶粒子,所以又称为成核型。
粒径小,数量多,表面积大而很不稳定,又称为成核型。
粒径小,数量多,表面积大而很不稳定,随着时间的推移,易由小粒子的相互碰撞结成大粒子而转随着时间的推移,易由小粒子的相互碰撞结成大粒子而转入积聚模(称之为入积聚模(称之为“老化老化”)。
也可在大气湍流扩散过程)。
也可在大气湍流扩散过程中很快被其他物质或地面吸收而去除。
中很快被其他物质或地面吸收而去除。
积聚模积聚模主要来源于爱根核模粒子的主要来源于爱根核模粒子的凝聚凝聚或或通过蒸汽凝结通过蒸汽凝结长大以及长大以及由由大气化学反应大气化学反应所产生的各种气体分子转化成的二次颗粒所产生的各种气体分子转化成的二次颗粒物等。
硫酸盐粒子在积聚模中的量占总硫酸盐量的物等。
硫酸盐粒子在积聚模中的量占总硫酸盐量的95%;铵盐在此模中的量占总铵盐量的铵盐在此模中的量占总铵盐量的96.5%。
此范围内的粒子,。
此范围内的粒子,不易被干、湿沉降去除,主要通过扩散而转移或去除。
不易被干、湿沉降去除,主要通过扩散而转移或去除。
以上两种模的颗粒物合称为以上两种模的颗粒物合称为细粒子细粒子第七节气溶胶化学粗粒子粗粒子粗粒子模的粒子称为粗粒子模的粒子称为粗粒子粗粒子,多由机械过程所产生的扬尘、,多由机械过程所产生的扬尘、液滴蒸发、海盐溅沫、火山爆发和风沙等液滴蒸发、海盐溅沫、火山爆发和风沙等一次颗粒物一次颗粒物所构所构成,成,这种颗粒物的化学成分与地表土的化学成分相近这种颗粒物的化学成分与地表土的化学成分相近,这,这些粒子主要靠干沉降和湿沉降过程而去除。
些粒子主要靠干沉降和湿沉降过程而去除。
细粒子和粗粒子之间很少相互作用,可以认为是相互独立细粒子和粗粒子之间很少相互作用,可以认为是相互独立的。
的。
第七节气溶胶化学老化作用对不同粒子的影响老化作用对不同粒子的影响老化作用对粗、细粒子的影响很不相同。
老化作用对粗、细粒子的影响很不相同。
气溶胶老化使积聚模的体积浓度有很大增气溶胶老化使积聚模的体积浓度有很大增长,对粗粒子体积的影响却很小
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