气溶胶化学与物理1教学内容

气溶胶形态和主要形成特征
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。
• 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
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
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
• 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
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
➢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. 气溶胶的基本概念 2. 气溶胶粒径的表征方法 3. 气溶胶粒径谱 4. 三模态理论
➢ 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。
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
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。
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
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
➢ 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。
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
• 电率仅迁的当移球与率体参直的考径直球d径体m。带：直有同径相一相等电同电场的荷中球时与体，被，其研d带究m电与颗荷d粒ve不物相一具等样有。，相d同m不电一迁样移。速 • 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
不同粒径气溶胶对人体健康的危害
气溶胶的大小表征
1. 球形气溶胶的几何直径dp ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ. 体积等效直径 dve
3. 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。
撞次数）
• 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
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
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
➢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
• 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
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
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
➢ 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。