气溶胶测量
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气溶胶测量 原理、技术及应用
2009.10.15
粒子的物理化学变化
简介
气溶胶是不稳定的，其密度和粒子特征随 时间而变化。外界力量可以引起这些变化， 如较大粒子通过重力沉降而损失，或物理 和化学作用而引起粒子大小和成分的变化。
凝结、蒸发、成核现象、吸附、吸收和化 学反应，也有可能是粒子相互间的质量传 递，如凝聚。
粒子的物理化学变化
4、凝聚
凝聚（coagulation）是气溶胶粒子相互碰撞而引起 的气溶胶的生长过程。如果是布朗运动造成的碰
撞，则该过程称为热凝聚；如果是外力引起的运 动碰撞，则称为动力凝聚。热凝聚与凝结生长在
一定程度上有些相似，不同的是，热凝聚是其他 粒子扩散到一个粒子表面而不是分子扩散到粒子 表面。热凝聚不同于凝结，它不需要超饱和度， 是一个单一过程，没有与蒸发对应的等效过程。 粒子间大量碰撞的结果是：粒度增大、气溶胶数 量浓度降低。因为没有任何损失或转移机制，因 此凝聚不会改变质量浓度
3次连续的质量转移步骤：首先是某气体分子扩散 到粒子表面；然后通过接触面转移或在接触面发 生反应；最后是气体分子扩散进入固体或液体粒 子。
粒子的物理化学变化
4、凝聚
简单单分散凝聚
初始数量浓度 质量浓度减半 粒子大小加倍的
凝聚是否可以被忽略
（m-3） 1018
的时间（s） 0.002
时间（s） 0.014
取决于该条件下的浓
1016
0.2
1.4
度和时间范围。如果
1014
20
140
1012
2000（33min） 14,000（4h）
数量浓度超过1012/m3，
样的核子。在超饱和状态下，不溶解的核子是凝 结的发生点。
粒子的物理化学变化
2、核化现象
存在可溶性核子的情况要更复杂更重要 正常空气中含有大量的可溶性核子这些可溶性核子具有很
强的亲水性，有助于液滴形成并使液滴在低饱和度下也能 生长，而不溶性核子则不能。 与纯净液体相比，可溶盐提高了生长速率，降低了蒸发速 率。 当液滴中存在可溶盐时，随着液滴蒸发或生长，有两种效 应在起作用：随着液滴蒸发，因为只有水消失，所以盐的 浓度增加，这增强了盐保持液滴中水分的亲水性；另一种 效应是开尔文效应，导致平衡蒸汽压提高
粒子的物理化学变化
3、蒸发
纯净液滴（没有溶解盐类）的蒸发过程与 生长过程很相似，只是其发展方向与生长 方向相反。当蒸汽分压小于饱和蒸汽压时
（p<ps），液滴蒸发，
干燥时间
t
R pd 2
8
Dv
M
(
pd Td
p T
)
粒子的物理化学变化
不同物质的液滴寿命的范围很广。物质特征对液滴寿命的影响与ρp/DvM成正比
粒子的物理化学变化
4、凝聚
动力学凝聚动力学凝聚指外力引起粒子相
对运动而凝聚的过程，而不是布朗运动引 起的。 碰撞凝聚、梯度凝聚（剪切凝聚）、湍流 凝聚、声凝聚
粒子的物理化学变化
5、反应
与多数物质相比，气溶胶粒子具有较大的表面积 质量比
粒子可以发生3种反应：粒子各组分间的反应；不 同化学组分的粒子间的反应；粒子与周围气体相 中一种或更多成分的反应。
粒子的物理化学变化
4、凝聚
简单单分散凝聚
粒子是单分散性的；如果这些粒子一旦接触则会相互粘附； 这些粒子生长得很慢。
在常态下，粒度的增加范围受到限制，凝聚系数可以看作 是常数，凝聚速度仅与数量浓度的平方成正比，因此，数 量浓度高时，凝聚是一个快速过程，数量浓度低时是一个 慢速过程。
粒度随数量浓度的降低而增大，但是，在没有损失的封闭 系统内，粒子质量将保持恒定。如果数量浓度降低到原来 的1/2，那么质量（体积）就集中在一半的粒子上，所以 每个粒子的质量（体积）将是原来的2倍。粒子数量浓度 降为原来的8倍时，粒度将加倍。
原初
液滴直径 （μm）
普通酒精
液滴寿命
水
水银
邻苯二甲酸 二辛酯
0.01
4×10-7
2×10-6
0.1
9×10-6
3×10-5
1
3×10-4
0.001
10
0.03
0.08
40
0.4
1.3
0.005 0.3 1.4 1200
4×10-7
1.8
740 3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ104 2×106 4×10-7
在温度293K[20℃]下
粒子的物理化学变化
简介
蒸汽分压是气体体积中蒸汽的浓度。分压是蒸汽
单独存在时的压力。分压一般用分压与大气压力 的比值表示，即蒸汽的浓度分数。 特定温度下的蒸汽压或饱和蒸汽压是任何流体的 特征，它反映了流体中的水蒸汽在气-液界面不蒸 发而必需达到的最小分压。 气溶胶凝结和蒸发过程中的重要参数是蒸汽分压 与饱和蒸汽压的比值，称为饱和度
粒子的物理化学变化
简介
开尔文效应蒸汽压是指在平坦液体表面上，质量达到平衡
（没有净蒸发或凝结）时所需要的分压。液体气溶胶粒子 的表面较为弯曲，在一定温度下液滴要达到质量平衡，所 需分压就要大于平坦液面所需分压。因蒸汽分压提高，所 以就需要达到质量平衡时饱和度随粒度减小而增强，这种 效应称为开尔文效应（Kelvin Effect）
粒子的物理化学变化
2、核化现象
同类成核蒸汽中液滴的最初形成过程很复杂。没 有凝结核，也可以形成液滴，但这个过程叫同类 成核或叫自动成核，这通常需要饱和度范围为
2~10，如此高的饱和度在专业实验室或化学过程 中才会出现。
异类成核最常见的形成机制是核凝结或异类成核。 这个过程取决于亚微米级粒子，它们被称为凝结 核，即凝结点。每cm3空气中包含数以千计的这
SR exp( 4M ) pRTdp
粒子的物理化学变化
1、凝结
当纯净水滴处于超饱和环境下时，即其饱 和度大于开尔文公式的计算值，蒸汽将凝 结在液滴表面，使液滴增大。
增长率取决于饱和度和粒度，并受到蒸汽 分子到达液滴表面的速率的控制。
小于平均自由程的液滴的生长速率与其大 小没有关系，大于平均自由程的液滴的生 长速率与其大小成反比。
1010
200,000（55h） 1,400,000（16d）
则几min内的凝聚非常
明显。
假设为简单单分散凝聚，
K=5×10-16m3/s[5×10-10cm3/s]
粒子的物理化学变化
4、凝聚
多分散凝聚
真实情况下的气溶胶是多分散性的，情况也更复 杂。因为凝聚进程由粒子到每个粒子表面的扩散 系数控制，所以，当具有高扩散系数的小粒子向 大粒子的表面扩散时，凝聚进程会提高。粒度相 差10倍的粒子，凝聚速度提高3倍，粒度相差100 倍时，凝聚速度提高25倍以上。
2009.10.15
粒子的物理化学变化
简介
气溶胶是不稳定的，其密度和粒子特征随 时间而变化。外界力量可以引起这些变化， 如较大粒子通过重力沉降而损失，或物理 和化学作用而引起粒子大小和成分的变化。
凝结、蒸发、成核现象、吸附、吸收和化 学反应，也有可能是粒子相互间的质量传 递，如凝聚。
粒子的物理化学变化
4、凝聚
凝聚（coagulation）是气溶胶粒子相互碰撞而引起 的气溶胶的生长过程。如果是布朗运动造成的碰
撞，则该过程称为热凝聚；如果是外力引起的运 动碰撞，则称为动力凝聚。热凝聚与凝结生长在
一定程度上有些相似，不同的是，热凝聚是其他 粒子扩散到一个粒子表面而不是分子扩散到粒子 表面。热凝聚不同于凝结，它不需要超饱和度， 是一个单一过程，没有与蒸发对应的等效过程。 粒子间大量碰撞的结果是：粒度增大、气溶胶数 量浓度降低。因为没有任何损失或转移机制，因 此凝聚不会改变质量浓度
3次连续的质量转移步骤：首先是某气体分子扩散 到粒子表面；然后通过接触面转移或在接触面发 生反应；最后是气体分子扩散进入固体或液体粒 子。
粒子的物理化学变化
4、凝聚
简单单分散凝聚
初始数量浓度 质量浓度减半 粒子大小加倍的
凝聚是否可以被忽略
（m-3） 1018
的时间（s） 0.002
时间（s） 0.014
取决于该条件下的浓
1016
0.2
1.4
度和时间范围。如果
1014
20
140
1012
2000（33min） 14,000（4h）
数量浓度超过1012/m3，
样的核子。在超饱和状态下，不溶解的核子是凝 结的发生点。
粒子的物理化学变化
2、核化现象
存在可溶性核子的情况要更复杂更重要 正常空气中含有大量的可溶性核子这些可溶性核子具有很
强的亲水性，有助于液滴形成并使液滴在低饱和度下也能 生长，而不溶性核子则不能。 与纯净液体相比，可溶盐提高了生长速率，降低了蒸发速 率。 当液滴中存在可溶盐时，随着液滴蒸发或生长，有两种效 应在起作用：随着液滴蒸发，因为只有水消失，所以盐的 浓度增加，这增强了盐保持液滴中水分的亲水性；另一种 效应是开尔文效应，导致平衡蒸汽压提高
粒子的物理化学变化
3、蒸发
纯净液滴（没有溶解盐类）的蒸发过程与 生长过程很相似，只是其发展方向与生长 方向相反。当蒸汽分压小于饱和蒸汽压时
（p<ps），液滴蒸发，
干燥时间
t
R pd 2
8
Dv
M
(
pd Td
p T
)
粒子的物理化学变化
不同物质的液滴寿命的范围很广。物质特征对液滴寿命的影响与ρp/DvM成正比
粒子的物理化学变化
4、凝聚
动力学凝聚动力学凝聚指外力引起粒子相
对运动而凝聚的过程，而不是布朗运动引 起的。 碰撞凝聚、梯度凝聚（剪切凝聚）、湍流 凝聚、声凝聚
粒子的物理化学变化
5、反应
与多数物质相比，气溶胶粒子具有较大的表面积 质量比
粒子可以发生3种反应：粒子各组分间的反应；不 同化学组分的粒子间的反应；粒子与周围气体相 中一种或更多成分的反应。
粒子的物理化学变化
4、凝聚
简单单分散凝聚
粒子是单分散性的；如果这些粒子一旦接触则会相互粘附； 这些粒子生长得很慢。
在常态下，粒度的增加范围受到限制，凝聚系数可以看作 是常数，凝聚速度仅与数量浓度的平方成正比，因此，数 量浓度高时，凝聚是一个快速过程，数量浓度低时是一个 慢速过程。
粒度随数量浓度的降低而增大，但是，在没有损失的封闭 系统内，粒子质量将保持恒定。如果数量浓度降低到原来 的1/2，那么质量（体积）就集中在一半的粒子上，所以 每个粒子的质量（体积）将是原来的2倍。粒子数量浓度 降为原来的8倍时，粒度将加倍。
原初
液滴直径 （μm）
普通酒精
液滴寿命
水
水银
邻苯二甲酸 二辛酯
0.01
4×10-7
2×10-6
0.1
9×10-6
3×10-5
1
3×10-4
0.001
10
0.03
0.08
40
0.4
1.3
0.005 0.3 1.4 1200
4×10-7
1.8
740 3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ104 2×106 4×10-7
在温度293K[20℃]下
粒子的物理化学变化
简介
蒸汽分压是气体体积中蒸汽的浓度。分压是蒸汽
单独存在时的压力。分压一般用分压与大气压力 的比值表示，即蒸汽的浓度分数。 特定温度下的蒸汽压或饱和蒸汽压是任何流体的 特征，它反映了流体中的水蒸汽在气-液界面不蒸 发而必需达到的最小分压。 气溶胶凝结和蒸发过程中的重要参数是蒸汽分压 与饱和蒸汽压的比值，称为饱和度
粒子的物理化学变化
简介
开尔文效应蒸汽压是指在平坦液体表面上，质量达到平衡
（没有净蒸发或凝结）时所需要的分压。液体气溶胶粒子 的表面较为弯曲，在一定温度下液滴要达到质量平衡，所 需分压就要大于平坦液面所需分压。因蒸汽分压提高，所 以就需要达到质量平衡时饱和度随粒度减小而增强，这种 效应称为开尔文效应（Kelvin Effect）
粒子的物理化学变化
2、核化现象
同类成核蒸汽中液滴的最初形成过程很复杂。没 有凝结核，也可以形成液滴，但这个过程叫同类 成核或叫自动成核，这通常需要饱和度范围为
2~10，如此高的饱和度在专业实验室或化学过程 中才会出现。
异类成核最常见的形成机制是核凝结或异类成核。 这个过程取决于亚微米级粒子，它们被称为凝结 核，即凝结点。每cm3空气中包含数以千计的这
SR exp( 4M ) pRTdp
粒子的物理化学变化
1、凝结
当纯净水滴处于超饱和环境下时，即其饱 和度大于开尔文公式的计算值，蒸汽将凝 结在液滴表面，使液滴增大。
增长率取决于饱和度和粒度，并受到蒸汽 分子到达液滴表面的速率的控制。
小于平均自由程的液滴的生长速率与其大 小没有关系，大于平均自由程的液滴的生 长速率与其大小成反比。
1010
200,000（55h） 1,400,000（16d）
则几min内的凝聚非常
明显。
假设为简单单分散凝聚，
K=5×10-16m3/s[5×10-10cm3/s]
粒子的物理化学变化
4、凝聚
多分散凝聚
真实情况下的气溶胶是多分散性的，情况也更复 杂。因为凝聚进程由粒子到每个粒子表面的扩散 系数控制，所以，当具有高扩散系数的小粒子向 大粒子的表面扩散时，凝聚进程会提高。粒度相 差10倍的粒子，凝聚速度提高3倍，粒度相差100 倍时，凝聚速度提高25倍以上。