雾霾之PM_2_5_的来源_成分_形成及危害_程春英

第 29 卷 第 5 期 2014 年 10 月
大学化学
UNIVEＲSITY CHEMISTＲY
Vol． 29 No． 5 Oct． 2014
雾霾之 PM2． 5 的来源 、 成分 、 形成及危害
程春英
＊ 尹学博＊
*
（ 南开大学化学学院化学实验教学中心和分析科学研究中心 摘要
天津 300071 ）
成分、 从化学角度讨论 PM2． 5 的来源、 形成和危害；阐述发展 PM2． 5 分 介绍雾霾及 PM2． 5 的基本知识， 析新方法对于掌握其危害， 研究其生理影响和找到其源头的重要意义 。清洁能源的高效利用， 排放物的后处 “碳交易” 理以及 等有希望成为解决雾霾及 PM2． 5 问题的突破口。 关键词 雾霾 PM2． 5 光化学烟雾 挥发性有机化合物（ VOCs） 颗粒物
［9 ］ 如汽车尾气和化石燃料排放有关 。燃油中的硫也会在燃烧后生成 SO2 。 虽 汽车引擎还为形成含氮化合物创造了条件 。空气中含有 78% 的氮气 （ N2 ） 和 21% 的氧气 （ O2 ） ， N2 可以与 O2 发生反应生成 NO。 车辆 但在一定条件下， 如高温或高压放电的情况下， 然氮气比较稳定， “闪电高温” 的条件， 导致发生如下反应： 启动和发动机点火时， 给压缩气缸中的 N2 和 O2 创造了 2NO N2 + O2 NO 很活泼， 很容易与氧气发生反应并最终转化为硝酸 ： 不同于氮气， 2NO + O2 2NO2 3NO2 + H2 O →2HNO3 + NO
Source ， Composition， Formation and Hazard of PM2． 5 in Haze
Cheng Chunying Yin Xuebo
Chemical Experimental Teaching Center and Ｒesearch Center for Analytical Science，College of Chemistry， Nankai University，Tianjin 300071，P． Ｒ． China） Abstract The source，composition，formation and hazard of haze and PM2． 5 were introduced． The development
［10 ］ 除了上述两种雾霾的来源之外， 其他颗粒物来源也引起了人们的关注 。 Kumar 等 综述了其他来 源对纳米颗粒物排放的贡献， 包括道路轮胎的相互作用， 建筑的拆建， 飞机， 轮船， 城市废弃物燃烧， 热 ［10 ］ 上 电厂， 室内生物质（ biomass） 燃烧， 吸烟和做饭等。 Kumar 等 主要讨论的是 300nm 颗粒物的形成， ［10 ］ 述的每一种贡献是特定的、 局部的、 微小的， 但组合到一起可以表现出显著的效果 ， 下面讨论几种与 日常生活相关性较大的雾霾来源 。 （ 1 ） 建筑行业。我国正处在高速发展的时期， 建筑行业是环境颗粒物排放的一个重要来源。 建筑 物的建造、 拆迁和翻修以及其他活动， 诸如电焊、 打孔、 切割等都会增加环境中的颗粒物含量 。在土地挖 ［10 ］ 掘或地面找平时， 伴随着颗粒物的释放， 长期保留在土壤中的重金属和杀虫剂也可能被风带起 。 建 筑行业中还有其他颗粒物， 如建筑机械的柴油燃烧， 混凝土中使用的黏结剂和添加剂等也可能产生有害 ［11 ］ 的颗粒物， 还有报道在拆除医院建筑的空气中发现有真菌孢子的悬浮物 。芝加哥的例子表明在距离 ［12 ］ 建筑物拆除点 42m 的下风口位置， 发现 PM10 的 6h 平均浓度增加了 4 ～ 9 倍 。 更重要的是， 建筑活动 的颗粒排放物是非挥发性或难挥发的 ， 因而有更长的大气生命周期。 （ 2 ） 城市废弃物燃烧［10］。 按照欧盟的要求， 焚烧场设计要求能在 2s 内使燃气温度至少升高至 850℃ 以保证有毒有机物的完全燃烧。尽管如此高温， 仍然发现产生了从纳米级到 75 μm 的颗粒物。 形 成的途径包括：① 燃烧后重金属的冷凝成核以及后续在飞尘颗粒物上的团聚生长 ； ② 废弃物分拣过程 产生的颗粒物；③ 废弃物装卸、 运输过程的排放。与欧盟废弃物燃烧装置相比， 我们的垃圾处理系统还 比较落后， 因而可能会产生更多的颗粒物。 （ 3 ） 热电厂［10］。热电厂的燃料是煤和生物质 （ 如木材， 废弃物和农业残留物 ） 等， 因此颗粒物的形 成机理和大小分布明显不同。而且， 这些物质是在鼓风、 富氧的条件下燃烧， 因此不完全等同于煤和燃 油的燃烧。颗粒物通过粉碎、 团聚和凝结等过程形成。焚烧炉耐火材料中的金属经过气化、 凝结、 烧结 等均质或异质成核， 形成颗粒物； 容易挥发的元素ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 如 Na 和 S 等支持“蒸发—冷凝—成核 ” 的颗粒物形 Cl 元素能进一步促进挥发性物质的形成， 成模式， 从而形成不同粒径的颗粒物。 静电沉淀器作为后处 理装置， 可以去除 99% 的颗粒物；但粒径越小， 沉淀器的效率越低。
of new methodology for the analysis of PM2． 5 is important for the understanding of the hazards，the study of the biologic effects，and the finding of the source of haze and PM2． 5 ． The efficient utilization of clean energy， the postprocessing of effluents，and " carbon trading" may become the breakthrough points to solve haze and PM2． 5 related issues． Key Words Haze； PM2． 5 ； Photochemical smog； Volatile organic compounds（ VOCs） ； Particles
雾霾已经成为人们热议的话题， 雾霾实际包括雾和霾两层意思， 因为二者都会导致能见度降低， 且 ［1 ］ 是由大量悬浮在近地面 霾常常伴随雾出现， 因此， 就有雾霾和雾霾天气的说法 。雾是自然天气现象， 空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶 。当空气的水汽达到饱和时， 多余的水汽凝结， 并与微小的灰尘 颗粒结合， 形成小水滴或冰晶， 这就是雾。雾的主要成分是水， 气温降低， 水的饱和蒸汽压低， 这是秋冬 早晨多雾和温度升高雾会散去的原因 。 PM ） 可以分散到大气中形成固体气溶胶。 这些 人类活动向大气排放微小颗粒物质 （ particle mass， 固体气溶胶称为霾， 即霾是悬浮在空气中的微小颗粒物质 。霾的形成主要是人为的环境污染， 再加上气 ［2 ］ 这些颗粒物不是某一种物质， 而是排放 温低、 风小等自然条件导致污染物不易扩散 。从化学角度看， 到空气中的各种微小固体和液体以及它们的反应产物组成的混合物 。 它们的大小不同， 对人类和环境 ［2 ］ 的影响也不同 。PM10 是指粒径小于 10 μm 的颗粒物质； 而 PM2． 5 的粒径小于 2． 5 μm。 相比于 PM10 ， PM2． 5 能直接进入并粘附在人的下呼吸道和肺叶 ， 同时微粒中的化学成分会对人体造成危害 ； PM2． 5 在空
［3 ］ PM2． 5 传输可达几千公里 ， 气中的保留时间更长， 如直径在 0． 1 ～ 1 μm 的颗粒生命周期可达一到两周， ［45 ］ 。 PM2． 5 不同于 因此引起人们的广泛关注。除人为原因， 其他诸如森林大火等也是 PM2． 5 的来源之一 沙尘天气中的扬沙， 扬沙主要是被吹起来的灰尘或者沙子 ， 粒径相对较大， 且成分相对惰性， 对人体健康 找到应对策略具有重要意义。本文从化学 影响较小。了解雾霾中 PM2． 5 的形成和成分对于理解其危害、
［6 ］
煤和石油等化石燃料是目前主要的能量来源 ， 然而， 还有很多不易燃的 煤中除可燃的化学物质外， 矿物质， 如铝土、 硅酸盐等， 这些物质夹带着没有完全燃烧的元素碳， 形成细小固体颗粒并排放到空气 — —烟。 中， 即灰色的粉尘气溶胶— 即 S + O2 燃煤还是二氧化硫（ SO2 ） 的重要来源。燃烧时煤中的硫转化为二氧化硫（ SO2 ） ， SO2 。 ， SO SO2 是无色有毒有刺激性气味的气体 ， 它对大气环境的影响并没有停留在其自身的毒性 2 会与氧反
1． 2
— —汽车尾气 石油产品的燃烧—
［6 ］
汽油和柴油是广泛使用的汽车燃料 ， 它们是数十种烃类化合物组成的混合物 ， 燃油燃烧为汽车提供 它们从 动力， 但若燃烧过程中的供氧量不足， 可产生一氧化碳以及没有完全燃烧的有机化合物和炭黑 ， 排气管排放到空气中， 成为通常所说的挥发性有机化合物 （ VOCs） ， 包括不完全燃烧的有机分子和分子 碎片。VOCs 及其次生产物组成了 PM2． 5 中的有机碳成分。研究结果表明， 北京的雾霾天气与人类活动
［6 ］ 应， 生成三氧化硫 。即： 2SO2 + O2 2SO3 这个反应非常缓慢且可逆， 但煤燃烧后的粉尘颗粒物可以作为上述反应的催化剂 ， 加速三氧化硫的生 SO3 遇到水蒸气， 可通过下列反应形成硫酸： 成。在潮湿的空气中， SO3 + H2 O H2 SO4 （ 硫酸） ［7 ］ 从后面讨论可以看出硫酸是 PM2． 5 形成的关键一步 ， 但二氧化硫形成硫酸的途径不止上述一种， ） 、 O ） （ H （ O 若二氧化硫遇到光化学产物臭氧 3 过氧化氢 2 2 以及臭氧和水在阳光作用下形成的羟基自由 ［7 ］ OH） ， 即： 基（· 也可以生成硫酸 ， OH SO2 + 2 · H2 SO4 3SO2 + O3 + 3H2 O 3H2 SO4 SO2 + H2 O2 H2 SO4 若硫酸随着雨水降落到地面， 就是酸雨。 若硫酸与水凝结成小液滴， 形成微米级的颗粒漂浮在空 ［8 ］ ， ： ， ， （ sulfate aerosols ） 即 中 再经过下面系列反应 就形成硫酸盐气溶胶 H2 SO4 + NH3 NH4 HSO4 H2 SO4 + 2NH3 （ NH4 ） 2 SO4 其中氨气来源于工业排放。这些小颗粒不吸收阳光， 但它们对阳光有散射作用， 使能见度降低。作 ［6 ］ 更是雾霾 为霾的一部分， 硫酸盐气溶胶很稳定， 可以随空气流通进入室内 。可见 SO2 不但自身有毒， 形成的关键一步。