大气气溶胶课件

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1、第六章,大气气溶胶,大气污染物按物理状态可分为两种形式：气体污染物和气溶胶。本章主要讨论气溶胶的来源、物理特性、化学组成、归宿、危害。,第一节 基本概念,分散系：一种物质以细小颗粒均匀分布在另一种物质当中。 分散体 分散介质,一.气溶胶的定义：,在环境化学中把分散在大气中的固体或液体微粒定义为气溶胶。,气溶胶名词来源于胶体化学。,大气圈可看作是一个气溶胶体系，大气颗粒物为分散相，大气为分散介质。颗粒物以固态或液态均匀地分散于大气中。,大气气溶胶的作用,当太阳光通过大气时，气溶胶粒子能够散射太阳光，使大气能见度降低，减弱了太阳的辐射。 由于气溶胶粒径特别小，表面积大，因此为大气中的许多化学反应提

2、供了良好的反应床； 某些化学成分（如微量金属离子）对许多化学反应都有催化作用。,二粒径,空气动力学等效直径 若不规则气溶胶粒子沉降速率与密度=1的球形粒子沉降速率相同，则这个球形粒子的直径就被定义为所研究粒子的空气动力学等效直径。,大气颗粒物的大小或称粒径是粒子的最重要的性质，一般用半径或直径表示，这就意味着将它们看成球体。大气气溶胶的粒子形状是很复杂的，有接近球形的液体微粒，有片状、柱状、针状晶体微粒，有雪花状晶体微粒，还有形状及不规则固体微粒。,大气颗粒物的粒度,rp忽略了浮力效应的粒密度； Dg几何直径； r0参考密度（=1g/cm3）； K形状系数，当粒子为球形时，K=1。,空气动力学

3、直径（Dp）： 与所研究的粒子有相同终端降落速率的、密度为1的球体直径。,反映出粒子大小与沉降速率的关系，所以可以直接表达出粒子的性质和行为，如粒子在空气中的停留时间，不同大小粒子在呼吸道中沉积的不同部位等。,三分类,二次气溶胶： 由源排入大气的气体，经过光化学反应或化学转化等过程形成的固、液体微粒。,按形成过程,一次气溶胶： 以固体或液体微粒的形式直接由源排出，包括饱和蒸汽冷凝的固体或液体微粒。, 总悬浮颗粒物（TSP）： Dp 100m ，其中多数在10m 以下。 飘尘： Dp 10m可在大气中长期飘浮的悬浮颗粒物称为飘尘。 降尘： Dp 10m，由于自身重力可很快沉降下来（有些书中为30

4、m）。 可吸入颗粒物IP： Dp 10m易通过呼吸过程进入呼吸道， Dp10m，对人体危害最大。,2粒径大小,在环境监测项目中Dp 10 m的粒子称为PM10， Dp 2.5 m的粒子为PM2.5.,我国TSP（PM10）控制标准,总悬浮颗粒物（TSP）： 100m，其中多数在10m 以下。,飘尘：可在大气中长期飘浮的悬浮颗粒物称为飘尘， 主要为10m的微粒。,降尘：粒径10m，由于自身重力可很快沉降下来 （有些书中为30m）。,可吸入颗粒物：易通过呼吸过程进入呼吸道， Dp10m，对人体危害最大。, 液态气溶胶雾 由液滴分散在空气中形成的液态气溶胶，称为雾。,3按凝聚状态, 固态气溶胶烟和尘

5、 由矿物粉碎加工和燃料燃烧产生的固体颗粒物形成的固态气溶胶,即为烟和尘。由于烟多由高温升华、挥发的蒸气凝结或不完全燃烧过程形成，故颗粒较小。而粉尘则多由机械过程产生，粒径较大。,固液混合态气溶胶烟雾 由固液两种微粒分散在空气中形成的固液混合态气溶胶叫烟雾。,四气溶胶的浓度,质量浓度(mg/m3 ), 数浓度（个/cm3）。,通常认为气溶胶本底的质量浓度约为 10 ug/m3 ，数浓度约为300个/cm3； 而污染严重的地区气溶胶质量浓度可达 2 mg/m3，数浓度可达106个/cm3。,五寿命（平均1030天）,粒子在各层的寿命,第二节 气溶胶的源、汇、危害,一.源,大气颗粒物的来源,天然源,

6、人为源,直接由污染源排放出来的称为一次颗粒物。大气中某些污染组分之间，或这些组分与大气成分之间发生反应而产生的颗粒物，称为二次颗粒物。,海浪、风扬灰尘、火山爆发、流星碎屑、森林火灾的燃烧物、植物花粉等以及它们的二次产物，如硫酸盐、硝酸盐、碳氢化合物等。,交通运输、燃煤、农业活动、工业排放及其二次产物。,1968年，全球气溶胶排放量天然源是人为源的5倍多 1974年，全球气溶胶排放量天然源是人为源的2倍多 2000年，人为源是1968年的2倍,比较数据看出： 一方面，天然来源的气溶胶粒子是大气气溶胶的主要来源； 另一方面，随着工业的不断发展，人类各种活动越来越占主导地位，以至在气溶胶粒子中人为源

7、所占比例逐年增加。,可见：气溶胶粒子主要为天然来源，但人为来源在逐年增加。,二汇,1干沉降： 颗粒物在重力作用下或与地面及其它物体碰撞后，发生沉降而被除去。粒径越大，沉降速度越快（vd 2）沉降速度为v的粒子，从该粒子密度最大的高度沉降至地面的时间（即滞留时间）为：,靠干沉降除去的颗粒物，只占TSP的1020%。所以，干 燥的大陆颗粒可以传输到很远的下风地区。如沙尘暴,例如，在H=5000的高空，粒径为1.0um的粒子沉降至地 面，需3.96年。干沉降是除去大粒子的有效途径。,H=5000m, Dp=10um, t=19天,当H=5000m, Dp=1.0um, t=3.96年,2湿沉降： 是

8、指大气颗粒物通过降雨、雪从大气中除去的过程。,一部分细粒子可作为形成云的凝结核，成为云滴中心雨滴降落，这一过程称为雨除。 一部分大颗粒则靠冲刷去除。在降雨（雪）过程中，雨滴不断将大气中的微粒挟带、溶解、冲刷下来，这种方式去除颗粒物的效率是随粒子粒径而的。粒径4m的颗粒可通过这种方式除去。粒度中等的颗粒较难除去。,湿沉降：雨除 (粒径小于1m，作为凝结核参与成云过程)， 洗除（云层下通过雨水冲刷作用去除）。,大气颗粒物的去除过程（汇）,干沉降：颗粒物在重力作用下或与地面及其它物体碰撞后，发生沉降而被除去。粒径越大，沉降速度越快（vd2）。 湿沉降：是指大气颗粒物通过降雨、雪从大气中除去的过程。分

9、为雨除和冲刷：,雨除：一部分细粒子（粒径4m的颗粒可通过这种方式除去。,三、危害：对人体危害最大的污染物。,.粒径大小： （）粒径大于10m不能通过呼吸道进入。 （）粒径小于0.1m在呼吸道自由进出。 （）粒径在0.110m通过呼吸进入呼吸道. （）粒径在0.14m在肺部沉积，0.12.5m 沉积最多。,.化学成分： 燃烧排放的一次污染物（炭、矿物质、金属物质）， 气体转化的二次污染物 （硫酸盐、硝酸盐、有机过氧化物等）， 气溶胶表面吸附的各种大气污染物 (烃类、酚类、多环芳烃等)。,三、危害：,. 气溶胶粒子散射阳光，导致大气能见度降低，到达地面太阳光减少，降低地表温度，影响植物生长。,.

10、气溶胶为 SO2H2SO4 + SO4-2盐提供了催化 剂和反应床,. 作为凝结核导致降水的形成。,. 大气中许多气态污染物的最终归宿。,大气颗粒物的危害,降低能见度，影响生态系统(辐射到地面的能量减少)； 成为大气中化学反应的反应床。,大于5m的飘尘，多滞留在上呼吸道 小于5m 的多滞留在细支气管和肺泡(0.011m的飘尘在肺泡内的沉积率最高)。,危害人体健康，粒子越小，危害越大(小粒子沉积部位靠下，吸附有害物质多)；,返回,从其化学成分上来说：大气颗粒物的危害：,（）飘尘由于颗粒小，表面积大，具有较强的吸附能力，一些有害物质如二氧化硫、苯并芘、多环芳烃分子、亚硝胺分子、石棉纤维等，均能为飘

11、尘吸附，进入人体后能引起组织细胞发生癌变。,（）.北京市大气颗粒物的成分测定结果表明，多环芳烃的90集中在3 mrn以下的颗粒物中，重金属的5080集中在1.5mm以下的细粒子中。细粒子的危害较大不仅表现在可吸入性上，还由于有毒污染物在细粒子中的含量大大高于粗粒子。,第三节 气溶胶的粒径分布,气溶胶粒子的粒度分布能反映出气溶胶粒子的大小，与其来源或形成过程有着密切关系。,一.按粒子大小划分的粒子谱 Junge 1963,二、气溶胶粒子三模态,Whitby提出,积聚模 主要来源于爱根核模的凝聚，燃烧过程所产生的蒸汽冷凝、凝聚，以及由大气化学反应所产生各种气体分子转化成的二次气溶胶等。 积聚模靠粒

12、子互相碰并，经云雨过程凝结再悬浮产生。 这个范围内的粒子，不易被干、湿沉降去除，主要是扩散去除。,.爱根核模 主要来源于燃烧过程产生的一次气溶胶和气体分子通过化学反应均相成核转化形成的二次气溶胶，或者高温下以气态排放物质经过冷凝而成的。 爱根核模粒子主要由气体粒子转化而产生。 随着时间的推移，易由小粒子的相互碰撞而合并。,.粗粒子膜主要由初始粒子组成，主要来源于机械过程所造成的杨尘、海水溅沫、火山灰和风沙等一次气溶胶。 粗粒子膜主要靠机械性粉碎和直接发射而产生。 这部分粒子主要靠干沉降和雨水冲刷去除。,三.气溶胶的粒径分布,Anderson 分级采样器分九级,1992年12月到1993年一月冬

13、季兰州市气溶胶中飘尘/TSP=68%,第四节 气溶胶粒子的形成过程（气粒的转化过程）,大气气溶胶的生成可以分成下面两部分： 固体粉碎：杨尘 粉碎生成 液体粉碎：海水飞沫蒸发 单成分 气溶胶的生成 生成（均相成核） 多成分 分子碰撞 气粒转化 非均相凝结 扩散凝结 增长 表面多相反应 液滴的反应 合并,一、气体向粒子转化过程的动力学描述,气体经过化学反应，向粒子转化的过程从动力学角度上分为四个阶段：,1 均相成核或非均相成核，形成细粒子,均相成核： 当某物种的蒸汽在空气中达到一定过饱和度时，单个分子就会凝结成为分子团。在气体中产生新的凝聚相粒子，即为均相成核过程。,非均相成核： 当有外来粒子作为

14、凝结核存在时,蒸汽分子在凝结核上凝结。在已有的颗粒物上发生的多相反应或直接凝结，即为非均相成核过程。,2在细粒子表面经过多相反应使粒子长大。,3.由布朗凝聚、湍流凝聚使粒子继续长大。,（）布朗凝聚:由于气体分子的热扰动引起分子团的运动碰撞和聚合的过程 粒子在瞬间受各方向来的分子碰撞是不对称、不均匀的，从而使粒子呈现无规则的随机运动，这就是粒子的布朗运动。,（）湍流凝聚:由于空气的湍流速度场引起的分子团的运动碰撞和聚合的过程,4通过干沉降和湿沉降清除。,S O2高温 SO2 O2高温SO3 H2O H2SO4 (g)冷凝 H2SO4（aq）,二、大气中无机颗粒物,（一）H2SO4、SO42-气溶

15、胶,SO2SO3H2SO4、SO42-,均相氧化 SO2光氧化 1SO2的常温氧化SO2自由基氧化 非均相氧化：SO2催化氧化,2SO2的高温氧化 柴油机250，燃烧炉900,3化工厂浓H2SO4蒸发 形成H2SO4烟雾，形成酸雨。 MSO4气溶胶主要以积聚膜形式存在，对光的散射和吸收能力很强，使大气能见度明显降低。,在沿海地区：NaCl _ NOx- _ H2O NO2（g）+H2OHNO3（g）+ NO HNO3（g）+ NaCl(s) NaNO3(s)+HCl(g) 湿度75%，HNO3 与NaCl直接在液滴中反应： NO2（g）+ NaCl（aq）+H2O NaNO3(aq)+HCl

16、+NO HNO3+ NaCl（aq）+H2O NaNO3(aq)+HCl(aq),（二）、NO3-气溶胶,HNO3在大气中饱和浓度1.2x108g/m3， H2SO4在大气中饱和浓度4g/m3 所以在大气中HNO3不是气溶胶 ，H2SO4是气溶胶。,NOx HNO3 HNO2NO3-,HNO3比H2SO4挥发性强，在大气中以气态存在，但与其它物质反应形成气溶胶。 常与空气中大粒子、碱性土壤粒子形成气溶胶，常以粗粒子膜存在。,1.生成重要的氮氧化物 NO+O3NO2+O2 NO+RO2NO2+ RO NO2+O3 NO3+O2 NO2+NO3（M）N2O5 2.形成挥发性的HNO3 HNO2 N2O5+