气溶胶科学与技术课程总结(含试题)

Fd

6
D3 g ( particle gas ) （1）
定律假设： （1）流体是连续的； （2）层流状的， （3）粘度为牛顿定律； （4）方程中涉 及速度平方的项可以忽略？？，可以得到
Fd 3 DV
（2）
结合公式（1-2）可以得到终端沉降速度为
V gD 2
( particle gas ) 18
气溶胶工程与技术课程主要内容 作者：王斌
一、 大气气溶胶基本特征 1、 胶体概念：胶体是物质以一定分散程度存在的一种状态（由物质的三种状态（液、气、固）组成高 分散度的分散体系） ； 2、 分散体系：把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系，其中分散的物质称为分散相， 另一种物质为分散介质。 3、 胶体的特性： （1）特有的分散程度【粒子大小在 1-100nm 之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜， 渗透压低】 ； （2）多相不均匀性【纳米级粒子是由需要例子或者分子聚结而成，粒子大小不一，与 介质之间有明显的相界面，比表面很大】 ； （3）热力学不稳定性【因粒子小，比表面大，表面自由 能高，是热力学不稳定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小李子会自动聚结成大粒子】 4、 大气气溶胶： 概念 【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， 粒径范围 1nm-100μm； 例子【固体有尘埃、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉；液体有水和冰组成的云雾滴，冰晶和 雨雪粒子】 ； 浓度【数浓度#/cm3（针对细和超细粒子，与健康效应相关） ；表面积浓度（μm2/cm3 人体健康 效应和非均相反应） ；体积浓度（μm2/cm3）和质量浓度（μg/cm3） ，用于空气质量标准】 ； 分类【 （1）按照成因（分散型气溶胶：固态或液态物质经粉碎、喷射形成微小粒子，分散在大 气中形成的气溶胶。例如：海浪飞溅、液态农药喷洒；凝聚性气溶胶：气体或蒸汽（其中包括 固体物升华而形成的蒸汽）遇冷凝聚证液态或固态微粒，而形成的气溶胶） ； （2）按物理状态 （固态：烟、尘；液态：雾；固液混合态：烟雾 smog=smoke+fog） ； （3）按粒径大小（总悬浮 颗粒物，可吸入颗粒物（PM10） ，细颗粒物(PM2.5)，超细颗粒雾） 】 5、 相关概念： 大气颗粒物（particulate matter） ，大气气溶胶体系中分散的各种粒子； 一次气溶胶（primary aerosol） ：颗粒物直接被引入大气； 二次气溶胶（secondary aerosol）颗粒物通过在大气中与气体组分的化学反应形成（气体到颗粒 物的转化） ； 均相气溶胶（homogenous aerosol）is an aerosol in which all particles are chemical identical. 单谱气溶胶（monodisperse aerosol）has particles that are all the same size and can be produced in the laboratory for use as test aerosol. 多谱气溶胶（polydisperse） ，with a wide range of particle sizes, and statistical measures should be used to characterize their particle size. 6、 大气颗粒物形貌： （1）燃煤和机动车尾气排放的烟尘集合体，从较小的链状到较大的蓬松状，基本 呈球形和椭球形，50-100nm 左右的超细例子； （2）烟煤飞灰：粒径大于 100nm 的圆球形颗粒物， 形态为圆球形，表面光滑，有时也吸附超细和二次颗粒物； （3）矿物颗粒物：如建筑尘、风扬尘、 道路尘和工业扬尘以及来自我国西北的春季沙尘暴等，一般不规则； （4）二次大气化学反应形成的 矿物颗粒物以长条状石膏矿物为代表，主要成分为 Ca 和 S； （5）生成颗粒物一般具有特殊的形态 和成分。它们很可能是细菌和植物孢粉。 7、 颗粒物浓度标准：中国标准 平均时间 PM10 年平均 日平均 浓度限值 1 级 40 50 浓度限值 2 级 70 150 μg/m3 μg/m3
（3）
应用范围： （1）大颗粒物周围的流体流动为湍流，不适用 Stokes 定律（导致不能对流体 绕过球体时左忽略包含速度平方项的近似处理？ ） ；处理方式：定义阻力系数
Cd
( ) D 2 gas (V ) 4 2
2
Fd
，雷诺数（Re） Re
DV gas

（雷诺数为无量纲数，是作
Vp D
3 PA
，式中 Vp 为颗粒物粒径，则 Vp DPA v
3

6
3 ；所以体积等效 DV
6 v 3 6 v 3 ; D D 直径为： DV DPA A PA
1
1
particle 0 K
（3） 体积等效直径 (Dv)：如果所研究的不规则形状粒子体积与一个直径为 Dp 的球形粒子的体 积相同，则 Dp 被定义为所研究粒子的体积等效直径。 （4） 光学等效直径 （Dopt） ： 【如果所研究的不规则形状的粒子与直径为 Dp 的球形粒子具有相同 的光散射能力，则定义 Dp 为所研究粒子的光学等效直径；注意：此定义是适应于粒子群的 统计特征；一般以 0.55μm 的绿光为标准来定义光学等效直径】 （5） Stokes 直径（Ds） ：沉降法【Stokes 直径（Ds）与研究粒子有相同密度和终端沉降速率的球 形直径； （6） 空气动力学直径(Da)：与研究粒子有相同终端沉降速率且密度为 1 的球形直径；两者转换 关系：Dp=Ds*sqrt(rop)】 。空气动力学等效直径：所研究粒子有相同终端降落速率，密度为 1g/cm3 的球形直径；说明：反映出粒子大小与沉降速率的关系；粒子群的统计特征；标准 粒子的密度是单位密度 1g/cm3；根据惯性原理设计的撞击式测量一起所测量的粒子直径都 是空气动力学； （7） 电迁移直径 Delc：与研究粒子有相同电迁移速率的球形直径，等于 Stokes 直径。 （8） Stokes 定律 空气阻力： （A）形状阻力：颗粒物运动时必须排开周围的流体导致其前面的压力较后面 较大产生的阻力； （B）摩擦阻力：颗粒物与其周围流体之间存在着摩擦。阻力大小决 定于颗粒物的形状、粒径、表面特性、运动速度及流体的种类和性质。 Stokes Law 加速度为 0 时，则摩擦力公式为（阻力=重力-浮力） ：
PM2.5
年平均 日平均
15 35
35 75
μg/m3 μg/m3
8、 颗粒物粒径确定 （1） 筛分法： 【筛分直径：颗粒物能够通过的最小方筛孔的宽度；目数：在 1 英寸*1 英寸的面积 内的筛网的孔数】 （2） 几何等效直径（Dg） ：显微镜法： 【定向直径（Feret 直径，DF）DF：各颗粒物在投影图中同 一方向上的最大投影长度；定向面积等分直径（Martin 直径，DM） ：各颗粒物在投影图中 同一方向将颗粒物投影面积二等分的线段长度；投影面积直径（Heywood，DPA） ：与颗粒 投影面积相等的圆的直径】 。同一颗粒，DF > DPA > DM 实际应用中要将几何等效直径转化为体积直径（Dv）才能计算空气动力学直径，定义体积 形状因子 αv： v
风蚀作用 风 风，生物化学过程 植物燃烧
土地开发利用和工业排放 农业 化石燃料、生物质燃料
二甲基硫 二氧化硫 NH3 NOx VOCs
浮游生物降解 火山喷发 微生物 闪电 植物燃烧
增加的氧化能力 化石燃料燃烧 农业 化石燃料燃烧 增加的氧化能力；工业过程
Fig. 4.7. Major microphysical and chemical processes that influence the size distribution and chemical composition of atmospheric aerosol particles 1、 气溶胶源 (Sources) Bulk-to-Particle-Conversion (BPC) 一次气溶胶 过程：一次排放的颗粒物来自于大的颗粒物粉碎成小的小颗粒物，再悬浮在空气中。由 于其粒径比较大，且数量较少，所以很少发生聚集现象（Coagulation） ，不过可以通过吸 附可以冷凝的气体变得不均匀；一种特殊的一次排放的碳质颗粒物（ soot）初始粒径在 5-20nm 之间，颗粒物聚集较快成片状，并随之被冷凝的气体的毛细作用力破碎，形成结 构更加紧凑的可到达微米级的颗粒物。 Desert dust, re-suspended dust, volcano dust Sea salt Biological material such as pollen etc Gas-to-Particle-Conversion (GPC) 二次气溶胶【新形成的颗粒物核化或者冷凝到已经存在的颗 粒物上】 过程： （1）气体-颗粒物转化有多种原因， （a）挥发性气体浓度超过饱和蒸汽压，气体发 生冷凝； （b）低蒸汽压下的反应，比如 SO2→H2SO4, α-pinene pinonic acid。同时这个过 程可以通过温度的改变达到气体-颗粒物转化的条件。 （c）颗粒物上释放的气体可能会改 变颗粒物周围气体的平衡蒸汽压，比如颗粒物上微量 NH3 的存在会增强 H2SO4 和水蒸 气的二元成核过程。 （2）冷凝相对于核化过程更容易进行，因为在颗粒物表面冷凝需要 较低的能量，所以核化是发生在没有颗粒物表面存在的情况下。 （3）颗粒物核化后通过 聚集和冷凝进一步长大，当颗粒物直径达到可冷凝的气体分子的平均自由程时（约 100nm） ， 由于扩散的影响， 聚集速率会降低。 颗粒物长大到 100nm 以上跟污染程度有关， 污染严重的天气，一天即可，否则可能需要几天以上。另一种长大的过程是非降雨的云 中过程，根据 Kö hler theory，在临界饱和点下，颗粒物可以逐渐长大。
用于同一流体上的惯性力和粘滞力的比值） ，结合这两项可得 Cd
24 。当 Re<0.3， Re
符合 Stokes 定律；当 0.3<Re<1000,实测阻力系数需要经验公式矫正。 （2）较小的颗粒 物影响了流体的连续性，不适用 Stokes 定律；处理cle ， 式 中 ρ0 为 参 考 密 度 0
particle 0 K
原理 光散射 电迁移 惯性原理 所测粒径 光学等效直径 电学直径 等于 Stokes 直径 空气动力学直径
所测粒径范围/μm 0.3-15 0.01-1.0 0.056-18
二、 大气气溶胶来源 来源于（Heintzenberg,Tropospheric Aerosols, Chapter 4） Table 4.1. Natural processes leading to particle production and anthropogenic processes leading to changes of the natural aerosol 物种 自然源 人为源 一次排放颗粒物 矿物性粉尘 海盐 生物气溶胶 碳质气溶胶 二次排放颗粒物前体物
Fd Stokes D
； V VStokes (1 A
D
)；
（9） 粒径间关系： 空气动力学直径(Dp)与 Stokes 粒径(Ds): Da Ds
particle particle Delc 0 0
空 气 动 力 学 直 径 (Dp) 与 几 何 粒 径 (Dg): Da Dg K （1g/cm3）;K 为形状系数，当粒子为球形时，K=1.0 空气动力学直径(Dp)与体积等效粒径(Dv)： Da DV 仪器 光学例子计算器（CPC） 电迁移粒子尺度分析仪 DMA 撞击式粒子采样器