大气颗粒物大气气溶胶课件

2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳1 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学大气颗粒物大气颗粒物(大气气溶胶大气气溶胶)环境空气的质量及监测方法简介环境空气的质量及监测方法简介2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳1 第2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳2大气颗粒物气溶胶的定义大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系n气溶胶体系中分散的各种粒子称为大气颗粒物。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳2大气2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳3一、一、大气颗粒物的来源和消除大气颗粒物的来源和消除 1、大气颗粒物的来源、大气颗粒物的来源 大气颗粒物可分为天然源和人为源两类。若按颗粒物形成机制，又可分为一次颗粒物和二次颗粒物。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成污染的颗粒物。二次颗粒物是由大气中某些污染气体组分(如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等)之间，或这些组分与大气中的正常组分(如氧气)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。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳3一、2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳4一、一、大气颗粒物的来源和消除大气颗粒物的来源和消除1）颗粒物的天然来源）颗粒物的天然来源 天然源可起因于地面扬尘(风吹灰尘)，和地壳、土壤的成分很相似，海浪溅出的浪沫，火山爆发的喷出物，森林火灾的燃烧物，宇宙来源的陨星尘及生物界产生的颗粒物如花粉、袍子等。二次颗粒物的天然来源主要是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经氧化生成的硫酸盐，由NH3、NO和NO2氧化生成的硝酸等。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳4一、2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳5一、一、大气颗粒物的来源和消除大气颗粒物的来源和消除2）颗粒物的人为来源）颗粒物的人为来源 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以及如人为排放SO2在一定条件下转化为硫酸盐粒子等的二次颗粒物。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳5一、2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳6一、一、大气颗粒物的来源和消除大气颗粒物的来源和消除2、大气颗粒物的消除、大气颗粒物的消除 干沉降干沉降 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。干沉降消除过程存在着两种机制干沉降消除过程存在着两种机制：一种是通过重力对颗粒物的作用，使它降落在土壤、水体的表面或植物、建筑等物体上，沉降的速率与颗粒的粒径、密度、空气运动粘滞系数等有关。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳6一、2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳7一、一、大气颗粒物的来源和消除大气颗粒物的来源和消除 粒子的沉降速度可应用斯托克斯定律求出：V=gd2（1-2）/1.8 V表示沉降速度，cm/s；g为重力加速度，cm/s2；d为粒子直径，cm；1，2为颗粒及空气的密度，g/cm3；空气的粘度，以泊表示。粒径愈大，则扩散系数和沉降速率也愈大。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳7一、2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳8表：不同粒径颗粒物的沉降速度表：不同粒径颗粒物的沉降速度2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳8表：2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳9一、一、大气颗粒物的来源和消除大气颗粒物的来源和消除 另一种沉降机制是粒径小于0.lm的颗粒，即艾根粒子，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。湿沉降湿沉降 湿沉降是指降雨、下雪使颗粒物消除的过程。湿沉降存在雨除(Rain out)和冲刷(Wash out)两种机制。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳9一、2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳10二、二、大气颗粒物的粒径分布大气颗粒物的粒径分布 1、大气颗粒物的粒径 粒度是指颗粒物粒子直径的大小。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳10二2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳111、大气颗粒物的粒径大气颗粒物的粒径 粉尘（微尘、粉尘（微尘、Dust）颗粒直径：1 100 m；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。烟烟(烟气，烟气，Fume)颗粒直径：0.01 1 m；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。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳1112024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳12 1、大气颗粒物的粒径大气颗粒物的粒径灰（灰（Ash）颗粒直径：1 200 m；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盐颗粒，粉煤燃烧时产生的飞灰等。雾（雾（Fog）颗粒直径：2 200 m；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1km。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳12 2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳131、大气颗粒物的粒径大气颗粒物的粒径 霭（霭（Mist）颗粒直径：大于10 m；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1 2km之内，使大气呈灰色。霾（霾（Haze）颗粒直径：0.1 m；物态：固体；生成机制、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。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳1312024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳141、大气颗粒物的粒径大气颗粒物的粒径烟尘烟尘(熏烟，熏烟，Smoke)：0.01 5 m；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。烟雾（烟雾（Smog）：）：0.001 2 m；固体；粒径在2m以下，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0.5m使大气呈淡褐色。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳1412024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳151、大气颗粒物的粒径大气颗粒物的粒径总悬浮颗粒物总悬浮颗粒物(Total Suspended Particulate 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作为大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。长期飘泊在大气中颗粒直径小于l0m的悬浮物称为飘尘(Airborne particle)，大于l0m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（Dustfall）。可吸入粒子n易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子。目前国际标准化组织(ISO)建议将其定为Dp10m。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳1512024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳16二、二、大气颗粒物的粒径分布大气颗粒物的粒径分布2、大气颗粒物的三模态 大气颗粒物的粒度有三个模：即艾根核模、积聚模和粗粒模（Whitby 1978）。由蒸汽凝结或光化学反应使气体经成核作用而形成的颗粒，粒度为0.0050.05m，属于核模型核模型。粒径在0.052m范围的颗粒物是由核模型颗粒凝聚或通过蒸气凝结气而长大的，属于积聚模型积聚模型。以上这两种颗粒物合称为细粒(小于2m)。粒径大于2m的颗粒物属粗粒，由机械粉碎、液滴蒸发等过程形成的，属于粗粒模。主要是自然界及人类活动的一次污染物。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳16二2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳17图 2-48 2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳17图2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳18二、二、大气颗粒物的粒径分布大气颗粒物的粒径分布 细颗粒主要化学组分为SO42、NH4+、NO3、Pb和含有烟炱和凝聚有机物的碳，粗颗粒化学组分为Fe、Ca、Si、Na、Cl、Al等。城市大气中颗粒物的分布多数属双模型，即积聚模和粗粒模。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳18二2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳19图2-49 2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳19图2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳203、大气颗粒物的表面性质、大气颗粒物的表面性质 微粒三种最重要的表面性质:成核作用、粘合和吸着。成核是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。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳2032024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳21二、二、大气颗粒物的粒径分布大气颗粒物的粒径分布 粒子可以彼此互相紧紧的粘合或在固体表面上粘合。粘合或凝聚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。吸着是指分子为颗粒物吸着的现象。如果气体或蒸气溶解在微粒中，这种现象称为吸收。若吸着在颗粒物表面上，则定义为吸附。涉及特殊的化学相互作用的吸着，定义为化学吸附作用。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳21二2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳22三、三、大气中的化学组成大气中的化学组成 1、无机颗粒物、无机颗粒物 大于3 m(空气动力学相应的直径)的金属颗粒物，将不影响呼吸或不参与大气间相互作用。重点研究小于2m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。人为源人为源 大量的细颗粒物来自电厂(燃煤)、市政焚化、冶金过程、采矿及地面交通运输等。其中最重要的是冶金过程，使大量的环境重要金属进入大气，颗粒物直径小于2m的占46.6%。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳22三2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳23三、三、大气中的化学组成大气中的化学组成 天然源天然源 颗粒物的天然源一般大于人为源载带量。由于颗粒物是易消失的粉尘和海浪溅沫，其中大颗粒占优势，沉降迅速，对环境影响不大，除非在散发源附近如火山爆发将大量颗粒物散发达数公里之遥。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳23三2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳24三、三、大气中的化学组成大气中的化学组成2、有机颗粒物、有机颗粒物 大气颗粒有机污染物是指吸附和沉积在各种大气颗粒上的有机物，大气中的另一类有机物为挥发性有机物。根据1979年以前公开发表的文献报告统计，已经确证的颗粒有机污染物，由于燃烧所产生的有109种，因废物焚烧所产生的235种，煤/油燃烧所产生的69种。按类别分为多环芳香族化合物、芳香族化合物，含氮、氧、硫、磷类化合物，烃基化合物，脂肪族化合物，羰基化合物和卤代化合物。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳24三2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳25表：城市颗粒物中已检出的各类有机化合物表：城市颗粒物中已检出的各类有机化合物2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳25表2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳262023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳262024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳27四、四、大气颗粒物中的大气颗粒物中的PM2.5 颗粒物通过呼吸道进入人体，较大的粒子可能停留在鼻腔及鼻咽部，很小的颗粒可以进入并停留在肺部。目前，世界上对可吸入粒子的粒径大小有两种意见，一种定为l0m以下，一种定为l5m以下。目前侧重研究PM2.5 沉积主要通过三种作用：(1)碰撞作用：530m粒径的颗粒(2)沉降作用：15m 粒径的颗粒(3)扩散作用：粒径小于0.1m的颗粒 自学课本P142-1452023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳27四2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳28环境空气的质量环境空气的质量 1、环境空气质量标准、环境空气质量标准 国家环境保护局于1996年发布了环境空气质量标准(GB3095一1996)。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。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。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳28环2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳29环境空气的质量环境空气的质量2、空气污染指数、空气污染指数 空气污染指数(API)就是定时通过新闻媒体向社会公众报告的一种定量反映和评定空气质量状况的尺度，即把常规监测的几种空气污染物浓度简化成单一的数值形式，并分级表示空气受污染程度和空气质量状况，具有简明、直观、通俗易懂的特点。由于中国城市空气污染以煤烟型污染为主，目前计入空气污染指数的项目暂定为二氧化硫、氮氧化物和总悬浮颗粒物(TSP)。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳29环2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳30环境空气的质量环境空气的质量2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳30环2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳31大气环境监测1、污染调查、污染调查（1）方案的制定：）方案的制定：污染物排放入大气后，受到诸多因素的影响，其中污染物在大气中的时间分布和空间分布十分复杂且多变，监测前必须掌握它们的变化规律。a.污染物的时间分布：大气的湍流运动对大气中的污染物扩散起着重要的作用。由于具有不同能量和体积的气团在一段时间内对空间上某点作来回的周期性运动，导致污染物也产生相同的周期变化。b.污染物得空间分布：根据监测目标和污染的空间范围，可确定其空间代表性尺度。如小尺度是指一个相当小的气团，它能使地面空气污染浓度产生较大变化；大尺度是指空气污染的“区域背景”浓度在几十到几百千米的直线上，污染浓度相当均匀。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳31大2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳32大气环境监测(2)、监测项目：、监测项目：根据污染调查结果所具备的条件，由监测目的确定监测项目。大气中污染物繁多，不可能一一测定，目前根据有关的大气标准及规范决定监测项目。a、大气环境污染必测项目：二氧化硫、氮氧化物、总悬浮颗粒物（TSP）、硫氧化物（硫酸盐化速率），灰尘自然沉降量。b、选测项目：一氧化碳、可吸入颗粒物（IP，10微米以下的颗粒物）、光化学氧化剂、氟化物、铅、汞、苯并a芘、总烃及非甲烷烃。c、污染源监测：选择具有代表性、污染严重的污染物为测定项目。如汽车尾气中的一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳32大2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳33大气环境监测3、选择分析方法：、选择分析方法：仪器分析是主要方法。常用的有分光光度法、原子吸收光谱法、色谱法、离子选择电极法、阳极溶出伏安法等。4、监测布点：、监测布点：不同类型的污染源，其污染物的排放迁移和扩散特性不同。（1）小尺度体系监测：污染浓度取决于大气扩散的具体过程，受风向、风速湍流影响，浓度变化很大。应采用数学扩散模式来帮助确定最佳采样点的位置。（2）中尺度体系监测：在各均匀区内设置监测点，若受人力物力限制，可在预计的最高浓度位置设点。（3）大尺度体系监测：应在远离城镇污染源数十千米的农村、在地形地貌比较一致的区域设点。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳33大2024/7/21玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳34 讨论题讨论题大气环境中臭氧的化学过程。2023/8/15玉溪师范学院 化学与环境科学系 杨艳34