气溶胶化学与物理1

归趋
– 碰并成大粒子，进入积聚模态（老化）
积聚模(condensation mode/droplet mode)
来源
– 燃烧过程所产生的蒸气冷凝、凝聚，以及由大气化 学反应所产生的各种气体分子转化成的二次气溶胶
归趋
– 碰并减弱，不易沉降和扩散去除 – 云中过程分化出condensation mode 和droplet mode
粗粒子模态
来源
– 粗粒子模主要来源于机械过程所造成的扬尘、海盐溅 沫、火山灰和风砂等一次气溶胶粒子。这种粒子的化 学成分与地表土的化学成分相近，而且各地区的平均 值变化不大。
归趋
细粒子和粗粒子之间很少相互作用，可以认为是相 互独立的。
各模态粒子相互作用的速度
本课小结
1. 2. 3. 4. 气溶胶的基本概念 气溶胶粒径的表征方法 气溶胶粒径谱 三模态理论
研究大气气溶胶的意义
1. 气溶胶直接参与大气中云的形成和湿沉降(雨、 雪、冰和雾等)过程； 2. 当太阳光通过大气时，气溶胶粒子能够散射 或吸收太阳光，使大气能见度降低，削弱太 阳辐射，进而改变环境温度和植物的生长速 率； 3. 大气中的化学反应提供了良好的反应床，气 态污染物的最终归宿； 4. 气溶胶粒子通过呼吸道进人人体时，部分粒 子可以附着在呼吸道上，甚至进入肺部沉积 下来，直接影响人的呼吸，危害人体健康。
• dm与真空空气动力学直径的关系
气溶胶的粒径分布的表示方法
同一群颗粒物，不同仪器测量粒径范围不同。若以粒子浓度作为纵坐标：
以dN/d(dp)作为纵坐标
• 两台仪器 测量粒径 不同，得 到的粒径 分布一样
气溶胶的粒径谱分布函数
气溶胶数浓度分布函数
气溶胶表面积浓度分布函数
气溶胶体积浓度分布函数
基于对数的谱分布函数
内容与课时安排
一、绪论（概念、分类、粒径分布、浓度、对人 体健康的危害） 二、气溶胶化学成分 三、气溶胶热力学基础 四、气溶胶生命周期（成核、凝结、碰并、激发、 沉降） 五、气溶胶表面非均相化学 六、气溶胶水相和液滴中的液相化学 七、气溶胶测量分析技术
一、绪论
• 大气污染物 气态+气溶胶颗粒 • 气溶胶定义 液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成 的相对稳定的悬浮体系。所谓液体或固体微粒， 通常称为颗粒物或粒子( particles )，是指空气 动力学直径为0. 003-100 μm的液滴或固态粒子。 该粒径范围的下限来自目前能测出的最小尺度; 上限则相应于在空气中不能长时间悬浮而较快 降落的尺度。 1 m=103 mm=106 μm=109 nm
不同粒径气溶胶对人体健康的危害
气溶胶的大小表征
1. 2. 3. 球形气溶胶的几何直径dp 体积等效直径 dve 光学等效直径 所研究的不规则形状粒子与直径为doe的球形粒子具有相同的 光散射能力，则定义doe为所研究粒子的光学等效直径。应该 指出的是，此定义只适用于粒子群的统计特征;粒子的光散射 能力与光波波长有关，一般以0. 55 μm绿光为标准来定义光学 等效直径。
Cunningham滑流修正系数
球形颗粒物的沉降末速
• 重力等于摩擦力时的恒定速度
大气中颗粒物的沉降末速
• 压力决定平均分子自由程，进而决定纽森数和 Cunningham修正系数 • 大颗粒物在连续态时Cc约等于1，VTS几乎跟压力无关 • 小颗粒在自由分子态，VTS˜1/p
修正非球形颗粒物所受到的阻力
气溶胶形态和主要形成特征
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3. 按气溶胶粒径大小分
总悬浮颗粒物(total suspended particulates或TSP):用标准大容量采样器(流量在1.1一1.7 m3/min)在滤
膜上所收集到的颗粒物总质量，通常称为总悬浮颗粒物。它是分散在大气中的各种粒子的总称，也
是大气质量评价中一个通用的重要污染指标。其粒径绝大多数在100 μm以下，多数在10 μm以下。 飘尘:可在大气中长期飘浮的悬浮物。主要是粒径小于10 μm的颗粒物。飘尘粒径小，能被人直接吸 入呼吸道内造成危害，其在大气中长期飘浮，易将污染物带到很远的地方，使污染范围扩大，同时 在大气中还可为化学反应提供反应床。因此，飘尘是最受人们关注的研究对象之一。 降尘:用降尘罐采集到的大气颗粒物。在总悬浮颗粒物中属粒径大于30 μm的粒子，由于其自身的重 力作用会很快沉降下来，所以将这部分微粒称为降尘。单位面积的降尘量可作为评价大气污染程度 的指标之一。 可吸入颗粒物(inhalable particles , IP)或PM10: 根据可进入呼吸道的粒径范围，把粒径Dp<10 μm的粒子 称为可吸人粒子。PM10是指粒径Dp 小于10 μm颗粒物的质量浓度。 细粒子(fine particle)或PM2.5: 根据气溶胶粒子的组成及来源随着粒径大小而明显不同的特点，也可 将气溶胶粒子分为细粒子(粒径Dp >2. 5 μm)和粗粒子(粒径DP >2.5 μm)两大类。PM2.5是指粒径Dp≤ 2.5 μm颗粒物的质量浓度。
• 分子热运动速度为Maxwell-Boltzmann分布， 其平均值为
单位时间内分子碰撞次数zm
• 相对运动速率
• 单位时间某个分子经过的 圆柱体内分子的数目
大气标准状况下分子平均自由程和 气溶胶纽森数
• 标准大气(1013 hPa压力和293 K温度)
• 对于10nm颗粒物，纽森数为13，自由分子态 • 对于1000nm颗粒物，纽森数为0.13，连续态 • 通常的大气颗粒物在两者之间的过渡态
大气气溶胶谱分布函数的经验描述
• 总浓度 • 平均粒径 • 方差σ
对数正态分布
以对数正态分布表示 实际大气粒径分布
典型大气气溶胶三个模态的参数
气溶胶粒子的三模态及形成机制
实际大气的三模态分布
核模（Nucleation mode/Aitken mode）
来源
– 燃烧过程所产生的一次气溶胶 – 化学反应均相成核
• 以上公式针对球形颗粒物。实际大气气溶 胶一般不是球形 • 动力学形状系数dynamic shape factor χ • 非球形颗粒物所受到的阻力为同体积球形 颗粒物受到的阻力乘以χ
• 体积等效直径dve
典型形状物体和颗粒物的动力学形 状系数
χ一般大于1
空气动力学直径和stokes直径
• Stokes直径ds：一个颗粒物的stokes直径定义 为与该颗粒物有相同密度和沉降速度的球 形颗粒物的直径 • 空气动力学直径da：一个颗粒物的da定义为 与该颗粒物有相同沉降速度的密度为1 g/cm3的球形颗粒物的直径
颗粒物在流体中所受到的摩擦阻力
• 颗粒物在层流中，满足stokes定律
• 对于小于1 μm的小颗粒物，湍流状态，必 须做Cunningham滑流修正。 • Cc与纽森数有关，也即与颗粒物粒径有关
Cunningham滑流修正系数
• 参数化经验公式
• 当Kn趋近于0时，连续态， • 当Kn趋近于无穷时，自由分子态，
大气气溶胶的形貌
气溶胶的分类
1. 按颗粒物成因 一次气溶胶(primary aerosol ):由排放源直接排放到大气中 的颗粒物。 二次气溶胶(secondary aerosol):在大气中通过与气体组分的 化学反应生成的颗粒物。 2. 按颗粒物的物理状态 (1) 固态气溶胶:如烟和尘。烟是指燃烧过程产生的或燃 烧产生的气体通过转化形成的粒径小于1 μm 粒子;尘是 指通过各种碎裂过程而直接产生的粒径小于1 μm固体粒 子。 (2)液态气溶胶:如雾。 (3)固液混合态气溶胶:如烟雾( smog=smoke+fog)，烟雾微 粒的粒径一般小于1 μm
空气动力学直径和体积等效直径的 关系
• 在连续态（大颗粒物），Cc约等于1 • 在自由分子态（小颗粒）， • 此时da又称为真空空气动力学直径
电迁移率直径dm
电迁移率直径dm
• 静电末速VTE: 在电场中电场力与摩擦阻力相等时颗粒物的速度
• 电迁移率直径dm：同一电场中与被研究颗粒物具有相同电迁移速 率的球体的直径。直径相同的球体，带电荷不一样，dm不一样。 仅当与参考球体带有相等电荷时，其dm与dve相等。
学习目标与任务
本课程的学习目标是掌握大气气溶胶的基础 知识、物理和化学特性、气溶胶在大气环 境污染形成过程中起着重要作用、基本测 量方法，了解气溶胶中有害物质对大气环 境的影响及对人类的危害。
参考书目
1. 大气环境化学(第二版),唐孝炎,张远航,邵敏主编, 2006年,高等教育出版社。 2. Atmospheric Chemistry And Physics: From Air Pollution To Climate Change, Second Edition， John H. Seinfeld, Spyros N. Pandis著 3. 气溶胶测量原理、技术及应用（第二版）,（美） 巴伦，（美）维勒克编著，白志鹏等译 4. Basic Physical Chemistry for the Atmospheric Sciences, 2nd Edition, Peter V. Hobbs, 2000年出版 5. Introduction to Atmospheric Chemistry, Peter V. Hobbs, 2000年出版
4. 空气动力学直径
气体中颗粒物的运动
• 连续态(continuum regime)、自由分子态(kinetic regime) 和过渡态(transition regime) • 纽森数 Knudsen number (Kn)：气态分子平均自由程与颗 粒物直径的比值
平均自由程
• 分子连续两次碰撞之间经过的平均距离 （=分子平均热运动速度/单位时间内分子碰 撞次数）
气溶胶化学与物理
环境科学与工程学院C510 余老师 2046376331@qq.com
课程基本情况
• 课程类别：学科基础课程
• 基础课程：物理化学，大气环境学，大学 化学，有机化学，流体力学 • 课程学分：2 学分 • 课程总学时： 32 学时，其中讲课：30学时， 考试 2学时 • 开课学期：第3学期