【環(huán)境化學】第2.3章 大氣環(huán)境化學-3.11 大氣顆粒物

1、13.11 大氣顆粒物3.11.1 大氣顆粒物及其環(huán)境效應3.11.2 大氣顆粒物的分類 3.11.3 大氣顆粒物粒徑及三模態(tài)3.11.4 大氣顆粒物化學組成3.11.5 大氣顆粒物的來源和匯第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 23.11.1 大氣顆粒物及其環(huán)境效應大氣是由各種固體或液體微粒均勻地分散在空氣中形成的一個龐大的分散體系。大氣污染物氣態(tài)污染物：以氣態(tài)形式排入并停留在大氣中的污染物，常溫下是氣體或蒸汽（Gas or Vapor），如SOx、NOx、COx、CH、CFCs；大氣顆粒物（Particulate Matter, PM）：分散在大氣中的液體或固體微粒。又稱氣

2、溶膠（Aerosol）第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物3分散體系把一種或幾種物質(zhì)分散到另一種物質(zhì)中就構成分散體系（Dispersion system）被分散的物質(zhì)稱分散質(zhì)或分散相（Dispersed substance or Dispersed phase）分散其它物質(zhì)的物質(zhì)稱分散介質(zhì)（Dispersed medium）膠體（colloid）：分散體系的一種液溶膠（sol）固溶膠（Solid sol）氣溶膠（Aerosol）：廣義指氣溶膠分散體系；大氣環(huán)境化學中多指氣溶膠分散體系中固體或液體微粒補充知識氣溶膠4環(huán)境效應(1)凝結核作用粒徑小于0.1

3、m的顆?？勺鳛槟Y核，飽和水蒸氣在其表面逐漸長成霧滴和云滴，形成霧、云、雨、雪等；(2)對全球氣候變化的影響碳黑(soot)吸收太陽輻射，使大氣溫度升高硫酸鹽氣溶膠反射太陽輻射，使大氣溫度降低(3)對酸沉降的影響碳酸鈣等堿性物質(zhì)中和酸性物質(zhì) NO3-和NH4+對水體中N的貢獻第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.15環(huán)境效應(4)降低大氣能見度粒徑0.11.0m，與可見光波長相近，散射，硫酸鹽顆粒(5)擴大污染范圍小粒徑飄塵長期懸浮在空中，遠距離輸送(6)大氣中污染物的載體和反應床提供反應界面(7)損害身體健康顆粒物中存在有毒物質(zhì)，可通過

4、呼吸進入人體內(nèi)第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.163.11 大氣顆粒物3.11.1 大氣顆粒物及其環(huán)境效應3.11.2 大氣顆粒物的分類 3.11.3 大氣顆粒物粒徑及三模態(tài)3.11.4 大氣顆粒物的化學組成3.11.5 大氣顆粒物的來源和匯第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化73.11.2 大氣顆粒物的分類根據(jù)來源分類 天然顆粒物（Natural Particles） 人為顆粒物（Anthropogenic Particles）根據(jù)形成機制分類 一次顆粒物（Primary Particles） 二次顆粒物（Seco

5、ndary Particles）第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物8根據(jù)形態(tài)特征分類靄/輕霧（Mist）濃霧（Fog）粉塵（Dust）煙塵/氣（Fume）煙（Smoke） 煙霧（Smog）煙炱（Soot） 霾（Haze）第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.29根據(jù)空氣動力學直徑分類粗粒子（Coarse particles）: 2.5 m細粒子（Fine particles）： 2.5 m總懸浮顆粒物（Total Suspended Particulate, TSP）降塵（Dustfall）可吸

6、入顆粒物（Inhalable Particles, IP） 飄塵（PM10）PM2.5第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.210根據(jù)空氣動力學直徑（粒徑）分類（續(xù)）總懸浮顆粒物 (TSP)粒徑：小于100m標準大流量顆粒采樣器在濾膜上收集的顆粒物總質(zhì)量(mg/m3), 空氣流量1.11.7m3/minPM100100 m, 密度1 g/cm3，球形粒子，沉降速率 0.25 m/s第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.211降塵：粒徑10 m，由于重力作用很快沉降下來的微粒（Dust

7、fall）可吸入顆粒物（Inhalable Particles, IP）：粒徑10 m (PM10) ，易于通過呼吸過程而進入呼吸道的粒子粗粒子部分 ：2.510 m細粒子部分：2.5 m在城市空氣質(zhì)量日報或周報可吸入顆粒物和總懸浮顆粒物（目前，可吸入顆粒物和PM2.5）。根據(jù)空氣動力學直徑（粒徑）分類（續(xù)）第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.212飄塵：粒徑10 m (PM10) ，在大氣中長期漂浮的顆粒物PM2.5：粒徑2.5 m (PM2.5) 能見度大氣中的停留時間長、輸送距離遠，對大氣環(huán)境質(zhì)量影響大粒徑小，富含大量有毒有害物質(zhì)

8、，對人體健康影響大根據(jù)空氣動力學直徑（粒徑）分類（續(xù)）第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.213名稱顆粒直徑(m)物態(tài)生成機制、現(xiàn)象霧(Fog)2200液體水蒸氣冷凝生成的小水滴或冰晶，水平視程1km灰(Ash)1200固體燃燒過程產(chǎn)生的不燃性微粒，如煤燃燒時產(chǎn)生的硅酸鹽顆粒粉塵Dust1100固體機械粉碎的固體微粒，風吹揚塵、風沙靄(Mist)10液體與霧相似，薄(輕)霧 水平視程12km煙(Smoke)0.055固體含碳物質(zhì)燃燒時產(chǎn)生的固體碳粒、焦油狀物質(zhì)及不完全燃燒的灰分所形成的混合物煙霧(Smog)0.012固體液體煤煙與自然霧

9、的混合體，現(xiàn)泛指各種妨礙視程的大氣污染現(xiàn)象煙塵/氣(Fume)0.011固體升華、蒸發(fā)或化學反應產(chǎn)生的蒸氣凝結而成的固體顆粒，如汽車尾氣、硫酸鹽霾(Haze)0.1固體干的粉塵或鹽粒懸浮于大氣中，大氣混濁，呈淺藍色或黃色，水平視程2km采樣器層位粒徑范圍環(huán)境意義采樣器第1層 7.0 m 絕大部分被人體阻留在體外，只產(chǎn)生間接危害采樣器第2層3.37.0 m穿透滯留在上呼吸道采樣器第3層2.03.3 m穿透滯留在支氣管采樣器第4層1.12.0 m穿透滯留在支氣管末梢采樣器第5層1.1 m穿透滯留在肺泡大氣顆粒物的分級采樣以可吸入顆粒物PM10為例第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化

10、 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.2153.11 大氣顆粒物3.11.1 大氣顆粒物及其環(huán)境效應3.11.2 大氣顆粒物的分類 3.11.3 大氣顆粒物粒徑及三模態(tài)3.11.4 大氣顆粒物的化學組成3.11.5 匯去除過程3.11.6 化學組成 第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化163.11.3 大氣顆粒物粒徑及三模態(tài)大氣顆粒物空氣動力學直徑（Dp） 空氣動力學直徑：與所研究粒子具有相同終端降落速率的、密度為1g/cm3的球體直徑。Dg幾何直徑p不考慮浮力效應的粒子密度0參考密度（1g/cm3）K形狀系數(shù)，當粒子為球狀時K=1.0第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣

11、中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物173.11.3 大氣顆粒物粒徑及三模態(tài)Whitby等人依據(jù)大氣顆粒物表面積的粒徑分布關系提出了三種不同類型的粒度模愛根核模（Aitken nuclei mode）（Dp0.05）積聚模（Accumulation mode）（0.05Dp 2）粗粒子模（Coarse particle mode）（Dp2）第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物18大氣顆粒物的三模態(tài)19愛根核模的來源及去除來源燃燒過程所產(chǎn)生的一次顆粒物氣體分子通過化學反應均相成核而生成的二次顆粒物去除粒徑小、數(shù)量多，表面積大且不穩(wěn)定，易于相互碰撞凝結

12、成大粒子而轉(zhuǎn)入積聚模大氣湍流擴散過程中很快被其它物質(zhì)或地面吸收而去除第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.320積聚模的來源及去除來源愛根核模的凝聚燃燒過程產(chǎn)生的熱蒸氣冷凝、凝聚大氣化學反應產(chǎn)生的各種氣體分子轉(zhuǎn)化成的二次顆粒物，其中硫酸鹽占80%以上。去除： 不易被干、濕沉降去除愛根模和聚集模的顆粒物合稱細粒子第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.321粗粒子模來源及去除來源： 機械過程所產(chǎn)生的一次顆粒物，如揚塵、液滴蒸發(fā)、海鹽濺沫、火山爆發(fā)和風沙等去除： 主要靠干沉降和濕沉降過程而

13、去除。粗粒子和細粒子之間一般不會相互轉(zhuǎn)化第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.3223.11 大氣顆粒物3.11.1 大氣顆粒物及其環(huán)境效應3.11.2 大氣顆粒物的分類 3.11.3 大氣顆粒物粒徑及三模態(tài)3.11.4 大氣顆粒物的化學組成3.11.5 大氣顆粒物的來源和匯第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化23大氣顆粒物化學組成隨粒徑而變化大氣顆粒物化學組成復雜既有固態(tài)組分，也有液態(tài)組分固態(tài)組分碳黒、水泥塵、土壤塵、海鹽塵液態(tài)組分雨滴、硫酸薄霧既有無機物，也有有機物既有無生命組分，也存在有生命組分（如：病毒、細菌、孢子

14、和花粉等）3.11.4 大氣顆粒物的化學組成第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物24細粒子與粗粒子之間一般不會相互轉(zhuǎn)化細顆粒：硫酸鹽、銨鹽、硝酸鹽、痕量金屬和炭黑等組成。粗顆粒：主要是土壤及污染源排放出來的塵粒，大多是一次性顆粒物，主要由硅、鐵、鈉、鈣等30余種元素組成。不同粒徑顆粒物的化學組成第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.425無機顆粒物的來源人為源燃料燃燒：煤炭燃燒及石油燃燒排放出來的無機顆粒物，含有鈹、鎳和釩等化合物焚燒：市政焚燒爐排放砷、鈹、鉻等重金屬元素機動車：汽車尾氣排放的顆粒

15、物中含有鉛天然源揚塵：成分主要是該區(qū)的土壤粒子火山灰：硅和氧組成的巖石粉末，金屬元素海洋濺沫：氯化鈉和硫酸鹽粒子第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.426無機顆粒物中的有毒物質(zhì)石棉Mg3P(Si2O5)(OH)4來自建材、絕緣材料存在形式：以粉塵的形式進入大氣汞來自燃煤和火山噴發(fā)存在形式：(CH3)2Hg、單甲基汞鹽（如CH3-HgBr）鉛來自汽油穩(wěn)定劑四乙基鉛Pb(C2H5)4隨著無鉛汽油的使用，這一來源逐漸消失鈹來自電子設備、齒輪以及核反應堆部件第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.

16、11.427有機顆粒物有機顆粒物的形成大氣中有機物聚集而成有機物質(zhì)吸附在顆粒物上而形成有機顆粒物種類多、結構復雜第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.11.428生物顆粒物一次生物氣溶膠顆粒（Primary biological aerosol particles, PBAP） 描述空氣中起源于生物體的固體粒子（死亡或活體），包括微生物和所有各種生物體的碎片分類病毒（0.0050.25 m）細菌（0.2 m）花粉（5 m ）植物碎片及昆蟲、人和動物的上皮細胞第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 / 3.

17、11.4293.11 大氣顆粒物3.11.1 大氣顆粒物及其環(huán)境效應3.11.2 大氣顆粒物的分類 3.11.3 大氣顆粒物粒徑及三模態(tài)3.11.4 大氣顆粒物的化學組成3.11.5 大氣顆粒物的來源和匯第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化303.11.5 大氣顆粒物的來源和匯大氣顆粒物的天然源和人為源排放量（109kg/a）資料來源Bridgman，1990第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物313.11.5 大氣顆粒物的來源和匯大氣顆粒物的來源隨粒徑而變化第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物

18、323.11.5 大氣顆粒物的來源和匯P.129干沉降/干去除 粒子在重力作用下或與地面及其它物體碰撞后，發(fā)生沉降而被去除兩種干沉降機制在重力作用下，顆粒物降落在土壤、水體、植物、建筑等表面上，顆粒物的沉降速率與顆粒的粒徑、密度、空氣運動粘度系數(shù)等有關粒徑小于0.1m的顆粒，通過布朗運動擴散、相互碰撞而凝結成較大顆粒，通過大氣湍流擴散到地面或碰撞而消除第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物33斯托克斯定律沉降速率，cm/sg重力加速度，cm/s21 ，2分別為粒子和空氣的密度，g/cm3 空氣粘度，Pa sDp粒子空氣動力學直徑，cm粒徑越大，沉降速率越大用于計算粒子的沉降速率第二章 大氣環(huán)境化學 / 第三節(jié) 大氣中污染物的轉(zhuǎn)化 / 3.11 大氣顆粒物 /