大气颗粒物的基本概念

《大气颗粒物的形成与控制》——大气颗粒物的基本概念南京理工大学环境与生物工程学院2012-8-24大气颗粒物由各种固体或液体微粒均匀地分散在空气中形成的一个庞大的分散体系，称为气溶胶体系。气溶胶体系中分散的各种粒子称为大气颗粒物。一、大气颗粒物的分类二、大气颗粒物的源和汇三、大气颗粒物的物理和化学性质一、大气颗粒物的分类（一）按粒径、状态及来源划分（8种）1、粉尘（微尘、Dust）颗粒直径：1~100μm，固体。机械粉碎的固体微粒，风吹扬尘，风沙。•2、烟(烟气，Fume)颗粒直径：0.01~1μm，固体。生成、现象：由升华、蒸馏、熔融及化学反应等产生的蒸气凝结而成的固体颗粒。如熔融金属、凝结的金属氧化物、汽车排气、烟草燃烟、硫酸盐等。3、灰（Ash）颗粒直径：1~200μm；物态：固体；生成、现象：燃烧过程中产生的不燃性微粒，如煤、木材燃烧时产生的硅酸盐颗粒，粉煤燃烧时产生的飞灰等。4、雾（Fog）颗粒直径：2~200μm；物态：液体；生成、现象：水蒸气冷凝生成的颗粒小水滴或冰晶，水平视程小于1km。5、霭[ǎi]（Mist）颗粒直径：大于10μm；物态：液体；生成、现象：与雾相似，气象上规定称轻雾，水平视程在1~2km之内，使大气呈灰色。6、霾[mái]（Haze）颗粒直径0.1μm左右，固体。生成、现象：干的尘或盐粒悬浮于大气中形成，使大气混浊呈浅蓝色或微黄色。水平视程小于2km。7、烟尘(熏烟，Smoke)包含0.01~5μm的固体或液体。一般为含碳物质，如煤燃烧时产生的固体碳粒、水、焦油状物质及不完全燃烧的灰分所形成的混合物。如果煤烟中失去了液态颗粒，即成为烟炭。8、烟雾（Smog）0.001~2μm的固体。现泛指各种妨碍视程(能见度低于2km)的大气污染现象。光化学烟雾产生的颗粒物，粒径常小于0.5μm使大气呈淡褐色。注意与第2点中烟气Fume(固体，蒸气凝结)的区别（二）按监测和粒径划分1、总悬浮颗粒物(TotalSuspendedParticulate，TSP)用标准大容量颗粒采样器，在滤膜上所收集的颗粒物的总质量，是大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。2、飘尘和降尘长期飘泊在大气中颗粒直径小于l0μm的悬浮物称为飘尘(Airborneparticle)；大于l0μm的微粒，由于自身的重力作用而很快沉降下来的这部分微粒称为降尘（Dustfall）。3、可吸入颗粒物（InhalableParticulate，IP）易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子，小于10微米。PM10二、大气颗粒物的源和汇（一）大气颗粒物的来源1、天然来源1）一次颗粒物可起因于地面扬尘(风吹灰尘)，与地壳、土壤的成分相似；海浪溅出的浪沫，火山爆发的喷出物，森林火灾的燃烧物，宇宙来源的陨星尘，生物界产生的颗粒物如花粉、孢子等。2）二次颗粒物森林中排出的碳氢化合物(主要是萜烯类)进入大气后经光化学反应，产生的微小颗粒；与自然界硫、氮、碳循环有关的转化产物，如由H2S、SO2氧化生成的硫酸盐，由NH3、NO和NO2氧化生成的硝酸等。2、人为来源燃料燃烧过程中产生的固体颗粒物，如煤烟、飞灰等。各种工业生产过程中排放的固体微粒，汽车尾气排出的卤化铅凝聚而形成的颗粒物。人为排放SO2在一定条件下转化为硫酸盐粒子等的二次颗粒物。(二)大气颗粒物的汇（汇集——干沉降和湿沉降）1、干沉降：干沉降是指颗粒物通过重力作用或与其它物体碰撞后发生沉降。沉降机制1：一种通过重力对颗粒物的作用。沉降的速率与颗粒的粒径、密度、空气运动粘滞系数等有关。粒子的沉降速度可应用斯托克斯定律求出：v=(ρ-ρ0)gd2/1.8η其中，v表示沉降速度；g为重力加速度；d为粒子直径；ρ和ρ0分别为颗粒及空气的密度；η空气的粘度，以泊(Pa·s)表示。结论：粒径和密度愈大，则沉降速率也愈大。？？？沉降机制2：另一种是粒径小于0.lµm的颗粒，靠布朗运动扩散、互相碰撞而凝集成较大的颗粒，通过大气湍流扩散到地面或碰撞而消除。干沉降对粒径小于1m的颗粒物去除效率较高。2、湿沉降：指降雨、下雪使颗粒物消除的过程。存在雨除和冲刷两种机制；对粒径为4m~5m的颗粒物去除效率较高。三、大气颗粒物的物理和化学性质（一）物理性质1、大气颗粒物的粒度分布用有效直径来表示，即空气动力学直径（Dp）Dp—表示与所研究的粒子有相同终端降落速度的密度为1的球体直径。Dg—几何直径；K—形状系数(球形K=1.0)；ρp—忽略了浮力效应的粒密度；ρ0—参考密度（1.0g/cm3）。ppgoDDK2、大气颗粒物的四模态I.成核模态10nmII.艾根模态10-100nmIII.积聚模态0.1~2μmIV.粗粒模态2μm1）艾根核模(成核模+艾根模)：由蒸汽凝结或光化学反应使气体形成核作用而形成的颗粒，粒度为0.005－0.1m（0.05）。2）积聚模：粒径在0.1－2m范围的颗粒物是由艾根核模型颗粒凝聚或通过蒸气凝结气体而长大的。以上两种合称为细粒(2m)，靠冷凝和凝聚形成。3）粗粒模：粒径大于2m的颗粒物。由机械粉碎、液滴蒸发等过程形成；由自然界(表面崩解和风化)及人类活动的一次污染物。PM2.5城市大气中颗粒物的分布多数属双模型，即（2）积聚模和（3）粗粒模。3、微粒的表面性质三种:成核作用、粘合和吸着1）成核指过饱和蒸汽在微粒上凝结形成液滴的现象，雨滴的形成也涉及成核作用。2）粘合粒子间可以彼此互相紧紧的粘合或在固体表面上粘合，是小颗粒形成较大的凝聚体并最终达到很快沉降粒径的过程。3）吸着（吸附）指气体分子被颗粒物吸着的现象。如果气体或蒸气溶解在微粒中（化学反应），这种现象称为吸收。（二）大气颗粒物的化学组成1、大气中的无机颗粒物重点研究小于2m的细颗粒物；飘尘的天然源来自风传粉尘，火山爆发烟气以及海浪引起的雾霭；其量可十倍于人为源，与其来源有关。1）来源：人为源：电厂(燃煤)、市政焚化、冶金过程、采矿及地面交通运输(铅)等，其中最重要的是冶金过程。天然源：由于颗粒物是易消失的粉尘（可自然降解或转化）和海浪溅沫，其中大颗粒占优势，沉降迅速，对环境影响不大。2）按粒径分粗粒子主要是土壤及污染物排出来的尘粒，化学组分为Fe、Ca、Si、Na、Cl、Al，大多是一次粒子。细粒子主要是硫酸盐、硝酸盐、铵盐、痕量金属和炭黑（黑碳）等。在粗颗粒和细颗粒中，物质化学组成分布情况。2、有机颗粒物是指大气中的有机物质凝聚而形成的颗粒物，或有机物质吸附于其他颗粒。是主要的大气颗粒污染物。•1)种类：主要是烃类，还有少量的亚硝胺、杂氮环化合物、环酮、醌类、酚类和有机酸等。2)来源：来源于矿物染料燃烧、废弃物焚化等各种高温燃烧过程。思考题1、解释大气颗粒物的粒度三模态：即艾根核模、积聚模和粗粒模以及各种模上吸附污染物的主要种类？2、简述微粒三种最重要的表面性质？3、大气颗粒物的粒度计算公式。