1、1(Atmosphere Environmental Chemistry)第四节第四节 大气颗粒物大气颗粒物(大气气溶胶大气气溶胶）（Atmosphere Particulate)2大气能见度是大气质量最直接指标之一大气能见度是大气质量最直接指标之一34大气气溶胶影响能大气气溶胶影响能见度见度名古屋名古屋汉城汉城北京北京5环境空气质量标准环境空气质量标准(GB3095一一1996)6国家环境保护局于国家环境保护局于19961996年发布了年发布了环境空气质量标准环境空气质量标准(GB3095(GB3095一一1996)1996)。一级标准一级标准 适用于一类质量功能区，包括自然保护区、风景适用
2、于一类质量功能区，包括自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的地区。名胜区和其他需要特殊保护的地区。二级标准二级标准 适用于二类质量功能区，包括城镇规划中确定的适用于二类质量功能区，包括城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区。和农村地区。三极标准三极标准 适用于三类质量功能区，包括各特定工业区。适用于三类质量功能区，包括各特定工业区。环境空气质量标准环境空气质量标准7n气溶胶气溶胶(aerosol)(aerosol)：指液体或固体微粒均匀地分散在气体指液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的庞大的分散体系。其中颗粒
3、物的直径为中形成的庞大的分散体系。其中颗粒物的直径为0.0010.001100m 100m。n大气颗粒物：大气颗粒物：气溶胶体系中分散的各种粒子，称为大气气溶胶体系中分散的各种粒子，称为大气颗粒物。大气颗粒物是大气的一个组成部分，参与大气颗粒物。大气颗粒物是大气的一个组成部分，参与大气降水过程，大气中有毒物质可以是无机物也可以是有机降水过程，大气中有毒物质可以是无机物也可以是有机物，主要分布在气溶胶中形成污染源。物，主要分布在气溶胶中形成污染源。一、气溶胶的定义和分类一、气溶胶的定义和分类 1.气溶胶的定义气溶胶的定义8胶体的丁达尔现象胶体的丁达尔现象92.大气颗粒物的性质大气颗粒物的性质n
4、有机物、无机物，固态、液态有机物、无机物，固态、液态n 形成云、雾、雨、雪等天气，参与大气降水形成云、雾、雨、雪等天气，参与大气降水n 有害物质通过呼吸进入到人体，危害健康有害物质通过呼吸进入到人体，危害健康n 大气中污染物的载体和反应床大气中污染物的载体和反应床n 影响臭氧层的破坏、酸雨形成和烟雾事件的发生影响臭氧层的破坏、酸雨形成和烟雾事件的发生103.大气颗粒物的来源大气颗粒物的来源 是由大气中某些污染气体组分是由大气中某些污染气体组分(如二氧化硫、氮氧如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等化物、碳氢化合物等)之间，或这些组分与大气中之间，或这些组分与大气中成分之间通过光化学氧化反应、催化氧
5、化反应或其成分之间通过光化学氧化反应、催化氧化反应或其它化学反应转化生成的颗粒物。它化学反应转化生成的颗粒物。一次颗粒物一次颗粒物是由天然污染源和人为污染源释放到大气中直接造是由天然污染源和人为污染源释放到大气中直接造成污染的颗粒物。成污染的颗粒物。二次颗粒物二次颗粒物113.大气颗粒物的来源大气颗粒物的来源地面扬尘地面扬尘海浪溅出的浪沫海浪溅出的浪沫火山爆发的喷出物火山爆发的喷出物森林火灾的燃烧物森林火灾的燃烧物宇宙来源的陨星尘宇宙来源的陨星尘生物界产生的颗粒物生物界产生的颗粒物1）天然来源）天然来源12n燃料燃烧过程中产生的固体颗粒物，如煤烟、飞灰燃料燃烧过程中产生的固体颗粒物，如煤烟、飞
6、灰n各种工业生产过程中排放的固体微粒，各种工业生产过程中排放的固体微粒，n汽车尾气排出的卤化铅凝聚而形成的颗粒物汽车尾气排出的卤化铅凝聚而形成的颗粒物n人为排放人为排放SO2在一定条件下转化为硫酸盐粒子等的在一定条件下转化为硫酸盐粒子等的二次颗粒物。二次颗粒物。3.大气颗粒物的来源大气颗粒物的来源2）颗粒物的人为来源）颗粒物的人为来源13二、大气中颗粒物的粒度二、大气中颗粒物的粒度空气动力学直径（空气动力学直径（Dp）opDgKDpDg几何直径几何直径K 形状系数形状系数p忽略了浮力效应的粒密度忽略了浮力效应的粒密度o参考密度（参考密度（o=1g/cm3）14n1)同一空气动力学直径的尘粒趋向
7、于沉同一空气动力学直径的尘粒趋向于沉降在人体呼吸道内的相同区域。降在人体呼吸道内的相同区域。n2)同一空气动力学直径的尘粒在大气中同一空气动力学直径的尘粒在大气中具有相同的沉降速度和悬浮时间。具有相同的沉降速度和悬浮时间。15大气颗粒物实际上并不是球体，多为不规则的粒子，大气颗粒物实际上并不是球体，多为不规则的粒子，因此颗粒物的粒径不能仅指其直径，需用有效直径来表因此颗粒物的粒径不能仅指其直径，需用有效直径来表示。即空气动力学直径（示。即空气动力学直径（Dp）。）。Dp是指在通常温度压力和相对湿度下，在静止的空气是指在通常温度压力和相对湿度下，在静止的空气中中,与实际颗粒物具有相同重力末速度的
8、密度为与实际颗粒物具有相同重力末速度的密度为1g/cm3的的球体直径。球体直径。Dp是一种假想的球体颗粒直径，与实际颗粒物粒径不是一种假想的球体颗粒直径，与实际颗粒物粒径不同。实际颗粒物粒径与颗粒物的组成、相对密度和颗粒同。实际颗粒物粒径与颗粒物的组成、相对密度和颗粒物形状有关。物形状有关。空气动力学直径（空气动力学直径（Dp）16n总悬浮颗粒物：总悬浮颗粒物：用标准大容器颗粒采样器在滤膜上用标准大容器颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量。用所收集到的颗粒物的总质量。用TSP表示，其粒径表示，其粒径多在多在100m以下，尤其以以下，尤其以10m以下的为最多。以下的为最多。n降尘降尘：大于
9、大于10m的颗粒能够依其自身重力作用降的颗粒能够依其自身重力作用降落到地面；落到地面；n飘尘：飘尘：小于小于10 m的颗粒，在大气中可较长时间飘的颗粒，在大气中可较长时间飘游。游。n可吸入粒子可吸入粒子：易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子。其粒径小于子。其粒径小于10m以下的颗粒物。以下的颗粒物。1、大气颗粒物的粒度分布、大气颗粒物的粒度分布Page 17粉尘（微尘、粉尘（微尘、Dust）颗粒直径：颗粒直径：1100m；物态：固体；生成机制、现象：机；物态：固体；生成机制、现象：机械粉碎的固体微粒，风吹扬尘，风沙。械粉碎的固体微粒，风吹扬尘，风沙。烟烟(烟气，烟
10、气，Fume)颗粒直径：颗粒直径：0.01 1m；物态：固体；生成机制、现象：由；物态：固体；生成机制、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。烟、硫酸盐等。灰（灰（Ash）颗粒直径：颗粒直径：1 200m；物态：固体；生成机制、现象：燃；物态：固体；生成机制、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。盐颗
11、粒，粉煤燃烧时产生的飞灰等。Page 18雾（雾（Fog）颗粒直径：颗粒直径：2 200m；物态：液体；生成机制、现象：水蒸；物态：液体；生成机制、现象：水蒸气冷凝生成的颗粒小水滴或冰晶水平视程小于气冷凝生成的颗粒小水滴或冰晶水平视程小于1km。霭（霭（Mist）颗粒直径：大于颗粒直径：大于10m；物态：液体；生成机制、现象：与雾；物态：液体；生成机制、现象：与雾相似，气象上规定称轻雾，水平视程在相似，气象上规定称轻雾，水平视程在1 2km之内，使大气之内，使大气呈灰色。呈灰色。霾（霾（Haze）颗粒直径：颗粒直径：0.1m；物态：固体；生成机制、现象：干的尘；物态：固体；生成机制、现象：干的
12、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。水平视程小于平视程小于2km。Page 19霾Page 20烟尘烟尘(熏烟，熏烟，Smoke)颗粒直径：颗粒直径：0.01 5m；固体与液体；含碳物质，；固体与液体；含碳物质，如煤炭燃烧时产生的固体碳粒、水、焦油状物质及如煤炭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。去了液态颗粒，即成为烟炭。烟雾（烟雾（Smog）：）：0.001 2m；固体；粒径在；固体；粒径在2m以下，现泛指
13、各种以下，现泛指各种妨碍视程妨碍视程(能见度低于能见度低于2km)的大气污染现象。光化的大气污染现象。光化学烟雾产生的颗粒物，粒径常小于学烟雾产生的颗粒物，粒径常小于0.5m使大气呈使大气呈淡褐色。淡褐色。Page 21飘尘飘尘（Airborne particle）：可在大气中长期漂浮的悬浮物，其粒径小于可在大气中长期漂浮的悬浮物，其粒径小于10m。降尘（降尘（Dustfall）：能采用采样罐采集到的大气颗粒物。在总悬浮颗粒物能采用采样罐采集到的大气颗粒物。在总悬浮颗粒物中一般直径大于中一般直径大于10m的粒子由于自身的重力作用会的粒子由于自身的重力作用会很快沉降下来。这部分就称为降尘。很快沉
14、降下来。这部分就称为降尘。可吸入粒子（可吸入粒子（PM10和和PM2.5）：）：易于通过呼吸过程进入呼吸道的粒子。易于通过呼吸过程进入呼吸道的粒子。Dp10m22大气中总悬浮颗粒物的测定大气中总悬浮颗粒物的测定(1)（TSP,Total Suspended Particulates）测定方法：大流量采样测定方法：大流量采样-重量法重量法 仪器：仪器：大流量采样器大流量采样器 操作：操作：保持气体流量为保持气体流量为1.1-17m3/min集粒范围：集粒范围：0.1-100m采样时间：采样时间：8-24h23称重：称重：计算：计算：大气中总悬浮颗粒物的测定大气中总悬浮颗粒物的测定(2)（TSP,
15、Total Suspended Particulates）0011000)()/(VWWLmgTSPW1尘膜重量（尘膜重量（g）W0 空白滤膜重量（空白滤膜重量（g）V0 标准状态下的累积采样体积标准状态下的累积采样体积(L)24V0 标准状态下的累积采样体积标准状态下的累积采样体积6010010tQTPTPVQ采样器采气流量采样器采气流量P P1 1 采样期间测试现场平均大气压力采样期间测试现场平均大气压力KPaKPaT T0 0 标准状态下的绝对温度标准状态下的绝对温度273K273Kt t 累积采样时间累积采样时间h h P P0 0 标准状态下的大气压力标准状态下的大气压力1.101.
16、1010105 5KPaKPaT T1 1 采样期间测试现场平均环境温度采样期间测试现场平均环境温度K K25大气采样器大气采样器26大气采样器大气采样器27三、大气颗粒物的表面性质三、大气颗粒物的表面性质n成核作用成核作用 过饱和蒸汽在微粒上凝结形成液滴的现象，形过饱和蒸汽在微粒上凝结形成液滴的现象，形成了雨滴成了雨滴n粘合作用粘合作用 与颗粒物的粗糙程度、表面电荷、表面膜（水膜与颗粒物的粗糙程度、表面电荷、表面膜（水膜或油膜）有关或油膜）有关n吸着作用吸着作用 气体或蒸汽溶解在微粒中气体或蒸汽溶解在微粒中 CO2+Ca（OH）2 CaCO 3 28 扬尘：扬尘：成分主要是该地区的土壤粒子。
17、成分主要是该地区的土壤粒子。火山灰：火山灰：除主要由硅和氧组成的岩石粉末外，还含有一些除主要由硅和氧组成的岩石粉末外，还含有一些如锌、锑、硒、锰和铁等金属元素的化合物。如锌、锑、硒、锰和铁等金属元素的化合物。海洋溅沫：海洋溅沫：主要是氯化钠粒子、硫酸盐粒子和一些镁化合主要是氯化钠粒子、硫酸盐粒子和一些镁化合物。物。四、大气颗粒物的化学组成四、大气颗粒物的化学组成 1.1.无机颗粒物无机颗粒物 只含有无机物成分的颗粒物只含有无机物成分的颗粒物天然源的无机颗粒物天然源的无机颗粒物29 燃煤和石油排放的颗粒物：燃煤和石油排放的颗粒物：除含有大量的烟尘外，除含有大量的烟尘外，还含有铍、镍、钒等元素的化
18、合物。还含有铍、镍、钒等元素的化合物。焚烧炉排放的颗粒物：焚烧炉排放的颗粒物：含有砷、铍、镉、铬、铜、含有砷、铍、镉、铬、铜、铁、汞、镁、锰、镍、钒、铅、锑、钛和锌等元铁、汞、镁、锰、镍、钒、铅、锑、钛和锌等元素的化合物。素的化合物。汽车尾气：汽车尾气：含有大量的铅。含有大量的铅。1.无机颗粒物无机颗粒物人为源释放出的无机颗粒物人为源释放出的无机颗粒物30 已检测到的主要有：已检测到的主要有：烷烃、烯烃、芳烃和多环芳烃等烷烃、烯烃、芳烃和多环芳烃等各种烃类。另外还含有少量的亚硝胺、杂氮环化合物、各种烃类。另外还含有少量的亚硝胺、杂氮环化合物、环酮、醌类、酚类和有机酸等。这些有机颗粒物主要环酮、
19、醌类、酚类和有机酸等。这些有机颗粒物主要由矿物燃料燃烧、废弃物焚烧等各种高温燃烧过程所由矿物燃料燃烧、废弃物焚烧等各种高温燃烧过程所形成的。形成的。2.有机颗粒物有机颗粒物大气中的有机物质凝聚而形成的颗粒物或有机物质吸大气中的有机物质凝聚而形成的颗粒物或有机物质吸附在其他颗粒物上面而形成的颗粒物。有机颗粒物种附在其他颗粒物上面而形成的颗粒物。有机颗粒物种类繁多、结构极其复杂。类繁多、结构极其复杂。313.大气颗粒物来源识别大气颗粒物来源识别富集因子法富集因子法地壳颗粒物)()(SiiSiiXXXXEF 元素元素CrCoMnCdPbCuZnEF1.2 2.91.261269.321.5某市大气飘
20、尘中元素的富集系数某市大气飘尘中元素的富集系数32五、大气颗粒物的去除过程五、大气颗粒物的去除过程1.干沉降干沉降8.1)(212gdv颗粒物在重力作用下或与其他物体碰撞后发生的沉降。颗粒物在重力作用下或与其他物体碰撞后发生的沉降。粒子的沉降速度由斯托克斯定律求出：粒子的沉降速度由斯托克斯定律求出：v沉降速度沉降速度 d粒径粒径 1，2分别为颗粒物和空气的密度分别为颗粒物和空气的密度 空气的粘度。空气的粘度。33颗粒物直径颗粒物直径/m/m沉降速率沉降速率(cm/s)(cm/s)到达地面所需的时间到达地面所需的时间0.10.10.000050.000052 21313年年1 10.0040.0
21、0413139898年年10100.30.34 49h9h10010030303 318min18min不同粒径颗粒物的沉降速度不同粒径颗粒物的沉降速度34五、大气颗粒物的去除过程五、大气颗粒物的去除过程2.湿沉降湿沉降通过降雨、降雪等使颗粒物从大气中去除的过程。通过降雨、降雪等使颗粒物从大气中去除的过程。去除效果去除效果干沉降：干沉降：1020%湿沉降：湿沉降：8090%35六、大气中的六、大气中的PM2.5 1.大气颗粒物的研究发展大气颗粒物的研究发展一次颗粒物一次颗粒物二次颗粒物二次颗粒物TSPPM10PM2.5纳米级颗粒纳米级颗粒人为源人为源天然源、生物源天然源、生物源362.大气中大
22、气中PM2.5的来源的来源土壤扬尘土壤扬尘海洋气溶胶海洋气溶胶车辆尾气车辆尾气373.大气中大气中PM2.5的危害的危害n污染物的主要载体，携带大量的重金属和有机污染污染物的主要载体，携带大量的重金属和有机污染物物n深入到细胞中，长期存留于人体，引起气管炎、肺深入到细胞中，长期存留于人体，引起气管炎、肺炎、哮喘等疾病炎、哮喘等疾病n造成大气能见度的大幅度下降造成大气能见度的大幅度下降38n污染物污染物 健康、能见度、精密设备健康、能见度、精密设备n影响大气辐射过程影响大气辐射过程 能见度、气候能见度、气候n影响云雨过程影响云雨过程 天气气候天气气候n大气化学循环大气化学循环 气粒转化、多相反应
23、气粒转化、多相反应n物质在不同环境圈物质在不同环境圈 黄土高原、海床沉积黄土高原、海床沉积 层中的迁移层中的迁移七、气溶胶的科研进展七、气溶胶的科研进展它是大气的重要组成部分它是大气的重要组成部分39气溶胶的研究方向气溶胶的研究方向1.气溶胶的基本特征气溶胶的基本特征2.气溶胶的气候效应气溶胶的气候效应3.沙尘气溶胶沙尘气溶胶4.气溶胶对环境和健康的影响气溶胶对环境和健康的影响40n粒子的大小粒子的大小n粒子的形状粒子的形状n粒子的数浓度粒子的数浓度n化学性质（化学成分）化学性质（化学成分）n光学特性（折射指数）光学特性（折射指数）n单个气溶胶颗粒单个气溶胶颗粒n气溶胶粒子群的研究气溶胶粒子群
24、的研究1.气溶胶的基本特征气溶胶的基本特征气溶胶422.气溶胶的气候效应气溶胶的气候效应气溶胶的气候效应气溶胶的气候效应使地表降温使地表降温硫酸盐气溶胶的研究成为重要课题硫酸盐气溶胶的研究成为重要课题直接影响直接影响间接影响间接影响n通过散射和吸收太阳辐射和地面长波辐射改变地气系通过散射和吸收太阳辐射和地面长波辐射改变地气系统的辐射平衡直接影响气候统的辐射平衡直接影响气候n作为云凝结核通过改变云的宏、微观特性作为云凝结核通过改变云的宏、微观特性,特别是改变特别是改变云的生命期和光学特性来间接影响气候云的生命期和光学特性来间接影响气候DiffusionNucleationCoalescence*
25、Crystal collectionSO2SO4-Evaporation*Crystal shatteringCollectionModified after Hegg 2001Aerosols,cloud condensation nuclei particles,clouds and precipitationCycle:Vegetation(VOCs)aerosols-CCN-clouds-precipitation443.沙尘气溶胶沙尘气溶胶n对酸雨的中和作用对酸雨的中和作用n改变太阳辐射通量改变太阳辐射通量n反应土地利用、城市化、沙漠化的变化反应土地利用、城市化、沙漠化的变化情况情况
26、n对硫酸盐气溶胶形成的影响对硫酸盐气溶胶形成的影响n海洋微量成分的循环海洋微量成分的循环454.气溶胶对环境和健康的影响气溶胶对环境和健康的影响n与光化学烟雾间的关系与光化学烟雾间的关系n污染物气污染物气/液液/固的多相反应固的多相反应n对酸雨形成、硫酸盐气溶胶的影响对酸雨形成、硫酸盐气溶胶的影响n生物气溶胶（病毒、立克次体、衣原体、生物气溶胶（病毒、立克次体、衣原体、细菌和放线菌、真菌和苔藓）细菌和放线菌、真菌和苔藓）4647参考书目n方精云.全球生态学气候变化与生态响应.北京：高等教育出版社，2000n唐孝炎.大气环境化学.北京：高等教育出版社，199048作业n大气颗粒物的化学组成以及污染物对大大气颗粒物的化学组成以及污染物对大气颗粒物组成的影响。气颗粒物组成的影响。n大气颗粒物对环境质量以及气候所产生大气颗粒物对环境质量以及气候所产生的影响。的影响。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
