氣溶膠化學(xué)-精選課件

1、氣溶膠化學(xué)于興娜大氣物理學(xué)院大氣氣溶膠的基本特征大氣氣溶膠的化學(xué)組成、來(lái)源與貢獻(xiàn)大氣氣溶膠的輻射強(qiáng)迫主要內(nèi)容 定義： 液體或固體微粒均勻地分散在氣體中形成相對(duì)穩(wěn)定的懸浮體系。 液體或固體微粒（即顆粒物或粒子）是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑為0.003100 m的液滴或固態(tài)粒子。形狀：很復(fù)雜 液體顆粒物近似于球形，固體顆粒物多不規(guī)則，有片狀、柱狀、雪花狀、針狀等等。大氣氣溶膠的基本特征北京市典型煙塵集合體的TEM圖像 （a.鏈狀;b.簇狀)表面光滑的飛灰表面吸附超細(xì)顆粒的飛灰 礦物顆粒石英硫酸鹽 粒徑： 1. 光學(xué)等效直徑： 如果所研究不規(guī)則形狀的粒子與直徑為Dp的球形粒子具有相同的光散射能力，則定義Dp為

2、所研究粒子的光學(xué)等效直徑。 2. 體積等效直徑或幾何直徑： 如果所研究不規(guī)則形狀的粒子與直徑為Dp的球形粒子具有相同的體積，則定義Dp為所研究粒子的體積等效直徑。 3. 空氣動(dòng)力學(xué)等效直徑： 與所研究的粒子有相同終端降落速率,密度為1 g/cm3 的球體直徑。分類： 1.按顆粒物成因分: 分散性氣溶膠：指固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)經(jīng)粉碎、噴射形成微小粒子分散在大氣中形成的氣溶膠，如海浪分濺、農(nóng)藥噴灑等。 凝聚性氣溶膠：由氣體或蒸汽遇冷凝聚成液態(tài)或固態(tài)微粒而形成的氣溶膠。分類： 2.按顆粒物的物理狀態(tài)分: 固態(tài)：煙、塵 液態(tài)：霧 固液混合：霾、煙霧 3.按粒徑大小分： 環(huán)境部門(mén) 大氣科學(xué)(云降水物理) (一

3、) 環(huán)境部門(mén)1. 總懸浮顆粒物：用標(biāo)準(zhǔn)大容量顆粒采樣器在濾膜上所收集到的顆粒物的總質(zhì)量，通常稱為總懸浮顆粒物。用TSP表示。其粒徑多在100 m以下，尤以10 m以下的為最多。2. 飄塵：可在大氣中長(zhǎng)期漂浮的粒子，其粒徑主要是小于10 m。3. 降塵：能用采樣罐采集到的大氣顆粒物。在TSP中直徑大于30 m的粒子由于自身的重力作用會(huì)很快沉降下來(lái)，這部分顆粒物稱為降塵。4. 可吸入粒子：易于通過(guò)呼吸過(guò)程而進(jìn)入呼吸道的粒子。目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)建議將其定為Dp10 m。5. 細(xì)粒子：其粒徑小于2.5 m。中國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中PM10的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取值時(shí)間濃度限值（mg/m3）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4、三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)年均值0.040.100.15日均值0.050.150.25美國(guó)環(huán)保局2019年提出、2019年通過(guò)了PM2.5國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定PM2.5的年均濃度和日均濃度限值分別為15和65 g/m3。地點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間質(zhì)量濃度參考文獻(xiàn)北京2019.7-2000.9夏季76He et al. (2019)北京2019.7-2000.9冬季176He et al. (2019)太原2019.12216.7Meng et al. (2019)南京2019149.0王薈等. (2019)上海2019.9-2019.194.64Wang et al. (2019)廣州2019.1-2 105.9Cao

5、 et al. (2019)青島2019-200043.6Hu et al. (2019)廈門(mén)199340.0Gao et al. (2019)大連201967.5Takami et al. (2019)香港2019.1-254.5Cao et al. (2019)珠海2019.1-259.3Cao et al. (2019)不同地區(qū)PM2.5的平均質(zhì)量濃度（g/m3） (二)按大氣科學(xué)分為： 愛(ài)根核(愛(ài)根核模)： Dp0.05 m 大核(積聚模) ： 0.05 mDp2 m粗粒子2 m; 細(xì)粒子2 mWhitby提出三模態(tài)模型：愛(ài)根核模（Dp0.05 m）：主要來(lái)源于燃燒產(chǎn)生的一次氣溶膠，以

6、及氣體分子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)均相成核而生成的二次氣溶膠粒子。特點(diǎn)：粒徑小、數(shù)量多、表面積大而不穩(wěn)定，易相互碰撞凝聚成大粒子而轉(zhuǎn)入積聚模（老化）,壽命較短（1 hr）。 Whitby提出三模態(tài)模型：積聚模（0.05 m Dp2 m)：源于機(jī)械過(guò)程所造成的揚(yáng)塵、海鹽飛沫、火山灰和風(fēng)沙等一次氣溶膠粒子。特點(diǎn)：主要靠干濕沉降去除，壽命較短（min/小時(shí)/天）。相關(guān)概念一次氣溶膠：由排放源直接排放到大氣中的顆粒物。二次氣溶膠：通過(guò)與氣體組分的化學(xué)反應(yīng)生成的顆粒物。均質(zhì)氣溶膠：所有顆粒物的化學(xué)組成相同。單譜氣溶膠：所有的顆粒物粒徑大小相同。多譜氣溶膠：多種粒徑大小的顆粒物。大氣氣溶膠的濃度表示方法數(shù)濃度：個(gè)/c

7、m3表面積濃度：m2. cm-3體積濃度： m3. cm-3質(zhì)量濃度： mg. m-3; g. m-3氣溶膠的來(lái)源大氣氣溶膠的來(lái)源復(fù)雜，按照產(chǎn)生的過(guò)程分為自然源和人為源。自然源主要來(lái)自于洋面氣泡的破裂、土壤的風(fēng)蝕、生物的孢子花粉以及火山爆發(fā)、森林火災(zāi)等。人為源主要來(lái)自化石燃料燃燒、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等；人為排放氣態(tài)污染物在一定條件下的氣粒轉(zhuǎn)化過(guò)程也是大氣氣溶膠的一個(gè)重要來(lái)源。氣溶膠的匯大氣氣溶膠主要是通過(guò)干、濕沉降的方式去除。（1）干沉降：重力作用或與地面其他物體碰撞后沉降。（2）濕沉降： 雨除 ：氣溶膠作為CCN成為云滴中心，通過(guò)凝結(jié)和碰并，云滴增長(zhǎng)為雨滴（若T PM2.5 ；沙塵事件期間地殼元

8、素濃度呈現(xiàn)出自西向東減弱的趨勢(shì)。 沙塵天氣時(shí)的地殼元素濃度要明顯高于非沙塵天氣。沙塵天氣時(shí)Seoul PM10中Al和Ca的濃度約為非沙塵的3.4倍；Gwangju 中的濃度為非沙塵的5-6倍。 圖5. 沙塵與非沙塵期間的元素濃度對(duì)比氣溶膠來(lái)源解析根據(jù)采樣所得樣品的化學(xué)成分，分析其來(lái)源。1、相對(duì)濃度法：監(jiān)測(cè)濃度與某一標(biāo)準(zhǔn)濃度之比，得到相對(duì)濃度。Xii1，污染較重。綜合幾種組分，可以定性判斷污染源貢獻(xiàn)的程度。常選Fe, Si, Al等作為參考元素，指地殼源。a)b)2. 富集因子法：特點(diǎn)：能消除采樣過(guò)程中各種不定因素的影響?？赏茰y(cè)污染物在某一地區(qū)富集的程度以及污染源受天然或人為污染的程度；但它給

9、不出各種不同類型污染源相對(duì)貢獻(xiàn)的定量結(jié)果，只能做出定性的判斷。2. 富集因子法：首先選定一種環(huán)境中存在的相對(duì)穩(wěn)定的元素R作參比元素，用顆粒物中待考查元素i與參比元素R的相對(duì)含量(xi/xR)顆粒物和地殼中相對(duì)應(yīng)元素i和R的相對(duì)含量(xi/xR)地殼，按下式求得富集因子(EF)： 如果顆粒物中某元素相對(duì)地殼的EF較大時(shí)，表明該元素有了適當(dāng)?shù)母患?，某元素的富集因子小?0時(shí)，可認(rèn)為相對(duì)應(yīng)地殼來(lái)源沒(méi)有富集，它們主要是由土壤或巖石風(fēng)化的顆粒物所組成的； 如果富集因子在10104范圍，則可認(rèn)為該元素被富集了，表明元素含量不僅有地殼物質(zhì)的貢獻(xiàn)，也與人類活動(dòng)有關(guān)。 通常選擇地殼中普遍大量存在的、人為污染源很

10、小、化學(xué)穩(wěn)定性好、揮發(fā)性低且易于分析的元素，通常多選用Fe，Al或Si等。參比元素的選擇研究海洋上空顆粒物時(shí)，常選Na作參比元素。近年來(lái)有人用Sc作參比元素。雖然Sc的地殼豐度很小，但由于它的人為污染源較少，且化學(xué)穩(wěn)定性好，揮發(fā)性也較低，與Fe，Al之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。3、相關(guān)分析法： 富集因子法揭示的是粒子與參考源的差異，而相關(guān)分析則可以得到元素間的關(guān)連性。 相關(guān)分析不限于粒子的化學(xué)量，也可以考察氣溶膠的物理性質(zhì)(如顆粒物大小，散射截面等)，氣象條件(如溫、濕、風(fēng)、能見(jiàn)度等)與化學(xué)組成的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律。相關(guān)分析法計(jì)算物種間的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)相關(guān)系數(shù)值很高時(shí)，說(shuō)明這些物種可能有相同的來(lái)源。4、化

11、學(xué)元素平衡法(CEB) ：化學(xué)元素平衡法是在已經(jīng)確定了對(duì)氣溶膠有貢獻(xiàn)的源的各種類型，并在給出了各種源的詳細(xì)化學(xué)組分的基礎(chǔ)上，根據(jù)取得的氣溶膠樣本的化學(xué)組分，去求各源的貢獻(xiàn)。它基于質(zhì)量平衡原理，對(duì)給定的氣溶膠樣品中元素i的監(jiān)測(cè)濃度(重量百分比)Ci： 所謂的受體是指某一相對(duì)于排放源被研究的局部大氣環(huán)境。受體模型是研究大氣顆粒物來(lái)源的數(shù)學(xué)模型之一。它不考慮顆粒物從排放源到受體傳輸過(guò)程中的化學(xué)變化和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而是靠測(cè)定直接從受體處采集樣品的化學(xué)組成來(lái)推測(cè)出它們的來(lái)源類型，并計(jì)算出不同來(lái)源類型所占的比例。氣溶膠輻射強(qiáng)迫氣候系統(tǒng)總體趨于平衡狀態(tài)，即地氣系統(tǒng)所吸收的太陽(yáng)輻射應(yīng)等于向外發(fā)射的紅外長(zhǎng)

12、波輻射。如果某種擾動(dòng)打破了這個(gè)平衡，氣候系統(tǒng)會(huì)調(diào)整地表溫度來(lái)形成新的平衡。為了評(píng)估地球氣候系統(tǒng)輻射收支的外加擾動(dòng)，IPCC引入了輻射強(qiáng)迫這個(gè)概念。氣溶膠輻射強(qiáng)迫輻射強(qiáng)迫的定義：?jiǎn)挝?W/m2全球氣候的變化由地氣系統(tǒng)輻射平衡狀況決定。任何對(duì)該系統(tǒng)平衡的擾動(dòng)并因而使氣候發(fā)生變化的因子成為輻射強(qiáng)迫因子，主要有入射太陽(yáng)輻射；溫室氣體、云和氣溶膠等。在描述這些因子對(duì)氣候的潛在影響時(shí)，往往采用“輻射強(qiáng)迫”（radiation forcing）。氣溶膠輻射強(qiáng)迫人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣中氣溶膠濃度不斷升高，一方面導(dǎo)致大氣對(duì)太陽(yáng)光散射作用增強(qiáng)，反照率增加，產(chǎn)生負(fù)的輻射強(qiáng)迫；另一方面吸收太陽(yáng)輻射，產(chǎn)生正的輻射強(qiáng)迫。大氣中氣溶膠通過(guò)直接和間接輻射強(qiáng)迫兩種方式影響全球氣候，對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生重大影響。 直接輻射強(qiáng)迫：氣溶膠通過(guò)散射和吸收太陽(yáng)輻射，產(chǎn)生直接輻射強(qiáng)迫； 間接輻射強(qiáng)迫：可作為云凝結(jié)核，影響云的微物理特性和宏觀云量，影響地氣系統(tǒng)的水循環(huán)，產(chǎn)生更加復(fù)雜和不確定的間接輻射強(qiáng)迫。 氣溶膠輻射強(qiáng)迫氣溶膠輻射強(qiáng)迫與溫室氣體的輻射強(qiáng)迫比較：1.對(duì)流層大氣中氣溶膠的生命周期很短，導(dǎo)致空間分布高度不均，而且與排放源有關(guān)；2.氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫是散射太陽(yáng)短波輻射的過(guò)程，主要在白天和夏季起主導(dǎo)作用。即具有明顯的日變化和季節(jié)變化。3.氣溶膠的直