氣溶膠知識講解

氣溶膠

本節內容要點：氣溶膠的定義、分類、源、匯、粒徑分 布、氣

溶膠粒子的化學組成、氣溶膠的危害、氣溶膠污染源 的推斷等

1）氣溶膠的定義和分類

氣溶膠 （aerosol） 是指液體或固體微粒均勻地分散在氣

體中形成的相對穩定的懸浮體系。微粒的動力學直徑為

0.002100卩m由于粒子比氣態分子大而比粗塵顆粒小， 因

?

而它們不象氣態分子那樣服從氣體分子運動規律，但也不會 受地心

引力作用而沉降，具有膠體的性質，故稱為氣溶膠。

實際上大氣中顆粒物質的直徑一般為 ioo卩m

?

大于io 的顆粒能夠依其自身重力作用降落到地面，稱為 降塵；

ym

小于 1o

ym

的顆粒，在大氣中可較長時間飄游，稱為飄塵。按照顆

粒物成因不同，可將氣溶膠分為分散性氣溶膠和凝聚性氣溶 膠兩類。

分散性氣溶膠 是固態或液態物質經粉碎、噴射， 形成微小粒子，分

散在大氣中形成的氣溶膠。凝聚性氣溶膠 則是由氣體或蒸汽 （其中

包括固態物升華而成的蒸汽 ）遇冷凝 聚成液態或固態微粒，而形成

的氣溶膠。例如二氧化硫轉化 成硫酸或硫酸鹽氣溶膠的過程如下：

?

二氧化硫氣體的氧化過程? 氣相中的成核過程

（液相硫酸霧核

）

在過飽和的H2SO4蒸氣中，由于分子熱運動碰撞而 使分子

（n個）互相合并成核，形成液相的硫酸霧核。它的粒徑 大約是幾

個埃。硫酸霧核的生成速度，決定于硫酸的蒸氣壓 和相對濕度的大

小。

粒子成長過程

硫酸粒子通過布朗運動逐漸凝集長大。如果與其他污 染氣體

（）

如氨、有機蒸氣、農藥等碰撞，或被吸附在空中固 體顆粒物的

表面，與顆粒物中的堿性物質發生化學變化，生 成硫酸鹽氣溶膠。

根據顆粒物的物理狀態不同，可將氣溶膠分為以下三 類：⑴

固態氣溶膠--煙和塵；⑵液態氣溶膠--霧；（3）固液混 合態氣溶膠

--煙霧（smog）。煙霧微粒的粒徑一般小于 1

卩m （見表2-13）。

氣溶膠按粒徑大小又可分為： 1）總懸浮顆粒物（total

（

suspended particulates 或TSP）用標準大容量顆粒采樣器 流 量

（

在1.11.7m3/min）在濾膜上所收集到的顆粒物的總質量， 通常 稱

?

為總懸浮顆粒物，它是分散在大氣中各種粒子的總 稱。 (2)飄塵，

可在大氣中長期飄浮的懸浮物稱為飄塵，其粒 徑小于10的微粒，

^m

飄塵是最引人注目的研究對象之一。

()

3降塵，降塵是指粒徑大于 10卩m由于自身的重力作用會

很快沉降下來的微粒。單位面積的降塵量可作為評價大氣污 染程度

的指標之一。 (4)可吸入粒子 (inhalable

particles或IP)，易于通過呼吸過程而進入呼吸道的粒子。國 際標準

化組織(ISO)建議將IP定為粒徑DPC 10艸 的粒子， 這里的 DP 是

空氣動力學直徑，其定義為與所研究粒子有相 同終端降落速率的，

密度為 1 的球體直徑。它反映出粒子的 大小與沉降速率的關系。所

以可以直接表達出粒子的性質和 行為，如粒子在空中的停留時間，

不同大小粒子在呼吸道中 沉積的不同部位等。氣溶膠的物理特征和

成因可參見表 2-13 。

表 2-13 氣溶膠形態及其主要形成特征 注：引自唐孝炎《大氣環境 化

學》， 1991 。

2) 氣溶膠的源與匯 氣

溶膠粒子的來源有天然源和人為源兩種。氣溶膠粒 子可分為一次氣

溶膠粒子和二次氣溶膠粒子。一次氣溶膠是 由污染源釋放到大氣中

直接造成污染的顆粒物，如土壤粒 子、海鹽粒子、燃燒煙塵等，大

部分粒徑在 2以上。二次

氣溶膠粒子是由大氣中某些污染氣體組分 （如二氧化硫、 氮氧

^m

化物、碳氫化合物 ）之間，或它們與大氣正常組分 （如氧氣 ）之

間通過光化學氧化或其他化學反應轉化成的顆粒物，如二氧 化硫轉

化成硫酸鹽。二次顆粒物粒徑一般在

0.011 范圍。

?

ym

表 2-14

氣溶膠全球排放量及來源分配（ Dp<20 m）

y

氣溶膠的排放量很大 （見表 2-14） 。天然排放量是人為 排

放量的兩倍多。隨著工業的不斷發展，人類的各種活動越 來越占主

導地位，以致在氣溶膠粒子的來源中，人為源所占 比例逐年增加。

另一方面，由天然源和人為源排出的 H2 、

NH3、SO2、NOx、HC 等氣體污染物轉化成二次氣溶膠粒子 每年

達5.214.35 108t，約占全球每年排放氣溶膠總量的 54% 71%。

??

X

其中細顆粒的 80% 90%都是二次氣溶膠粒子， 對大氣質量的影

?

響甚大。

3）氣溶膠的粒徑分布

所謂氣溶膠粒徑分布是指所含顆粒物的濃度按粒子 大小的分

布情況。如前所述，由于顆粒物形狀的不規則性， 粒徑的表示有空

氣動力學直徑或斯托克斯 （stokes）直徑。后者

系指一顆粒與另一球形顆粒具有相同平均密度及沉降速度

的直徑。顆粒物的濃度通常采用單位體積氣溶膠內粒子的數

目(數濃度N)、粒子的總表面積表面積濃度S咸粒子的總體 積(V)

(

或總質量(M)來表示。

圖 2-18 是某城市大氣顆粒物的數濃度、表面積濃度 和體積

濃度分布曲線。由圖可見，在污染的城市大氣中多數 顆粒的粒徑約

為0.01卩m表面積主要決定于 0.2 的顆粒; 體積或質量濃度分

pm

布呈雙峰型，其中一個峰在 0.3 左右，

ym

另一個峰在10 附近，也就是說，大氣中 0.3 和10 的顆

^mym^m

粒物居多數。 顯然這三種表示的結果是不同的。 圖 2-18 氣溶膠的

粒徑分布 近來，對氣溶膠的粒徑分布與其來

源和形成過程的關系方面開展了不少研究。 Whitby 概括提出 了氣

溶膠粒子的三模態模型并解釋氣溶膠的來源和歸宿。按 照這個模型，

氣溶膠粒子可以表示為三種模結構：粒徑小于

0.05

ym(me ym

的粒子稱為愛根aitken)核模，0.05卩Dp < 2的粒 子稱

為積聚模accumulation mode)，粒徑大于2 的粒子 稱為粗粒子

(ym

模 (coar

particle mode) ，見圖 2-19 。圖中還表示出三種大氣氣溶膠 的表面

積按粒徑的分布及各個模態粒子的主要來源和去除 機制。

圖 2-19

氣溶膠的粒徑分布及來源和匯

（引自 Whitby and Cantrel l ，1976 ） 由圖 2-19 可見，

愛根核模范圍0.0050.0

（

?

5卩m）的粒子是由高溫過程或化學反應產生的蒸汽凝結而成

的；積聚模范圍（0.052卩m）的粒子是由蒸汽凝結或核模中的

?

粒子凝聚長大而形成的，兩者合稱為細粒子 （0.0052卩m）

?

o

二次顆粒物多在細粒子范圍。粗粒子直徑大于 2

卩m是由液滴蒸發、機械粉碎等過程形成的。 低層大氣中細

粒子隨高度變化不大，粗粒子則受地區局部排放源的影響較 明顯。

應當指出，氣溶膠粒徑分布，除了以上所述的三模態 方法外，還有

數密度、表面積密度及體積密度分布函數和累 積分布表示法。

氣溶膠粒子的成核是通過物理和化學過程形成的。氣 體經過

化學反應，向粒子轉化的過 程從動力學角度上可以分為以下四個階

段：

（1） 均相成核或非均相成核，形成細粒子分散在空氣 中。

（2） 在細粒子表面，經過多相氣體反應，使粒子長大。

（3） 由布朗凝聚和湍流凝聚，粒子繼續長大。

（4） 通過干沉降 （重力沉降或與地面碰撞后沉降 ）和濕

沉 降（雨除和沖刷 ）清除。

4）氣溶膠粒子的化學組成 氣溶膠粒子的化學組成十分復雜，已發現

含 70 多種

元素或化合物。氣溶膠的組成與其來源、粒徑大小有關；此 外，還

和地點和季節等有關。例如，來自地表土及由污染源 直接排入大氣

中的粉塵往往含有大量的 Fe、Al、Si、Na、Mg 、 Cl 等元素；來自

二次污染物的氣溶膠粒子則含有硫酸鹽、銨 鹽和有機物等。又如，

硫酸鹽氣溶膠粒子多居于積聚模，而 地殼組成元素

（如 Si、Ca、Al、Fe 等）主要存在于粗模中。 氣溶膠的化學組成

按重要性順序排列有硫酸鹽、苯溶 有機物、硝酸鹽、鐵、錳等少量

其他 金屬元素等。對大陸性氣溶膠，與人類活動密切相關的化學 成

分可歸納為三類：離子成分 （硫酸及硫酸 鹽、硝酸及硝酸 鹽）、

痕量元素成分和有機物成分。

?

氣溶膠粒子中的離子成分 （1）硫酸及硫酸鹽氣溶膠粒子 由于在煤、

石油等礦物燃料的燃燒過程中排放大量的

S02,其中一部分可通過多種途徑氧化成硫酸或硫酸鹽，以

致造成氣溶膠粒子中也含有硫酸或硫酸鹽。陸地氣溶膠粒子

中SO42-的平均含量為15%25%,而海洋氣溶膠粒子中

?

SO42-量可達30%60%大多數陸地性氣溶膠粒子具有的共

?

同特點是，95%的SO42-和96.5%勺NH4+都集中在積聚模中， 而

且SO42-和NH4+的粒徑分布也沒有明顯的差別。硫酸鹽 氣溶膠粒

子大部分集中在積聚模中，它的粒徑小，在大氣中 飄浮，對太陽光

能產生散射和吸收作用， 使大氣能見度降低。

研究結果表明，只有粒徑在 0.11.0

?

ym

范圍內才能對光線產生最大的散射。當硫酸鹽占顆粒物 質量的

17%時，它引起的光散射占整個氣溶膠造成光散射作 用的32%。此

外硫酸鹽也是損害人體健康、造成酸雨的關鍵 成分。

(2)硝酸及硝酸鹽氣溶膠粒子

大氣中的 NO和NO2被氧化形成 NO2和N2O5等， 進而

和水蒸氣形成 HNO2和HNO3 ,由于它們比硫酸容易揮 發，因而很

難形成凝聚狀的硝酸 迅速揮發成分子態。因而 一般經過下面反應

()

形成低揮發性的硝酸鹽：

NH3+HNO

a

NH4NO3

然后再發生成核和凝結生長作用而形成顆粒物。

氮氧化物在空氣中也可被水滴吸收，并被水中的 O2 或O3

氧化成NO3-,如果有NH4+存在，則可促進氮氧化物 的溶解，增加

硝酸鹽顆粒物的形成速度。

幾乎所有地區SO42-都在細粒子中占優勢。另外，硫

酸鹽氣溶膠和硝酸鹽氣溶膠的形成對氣溶膠的粒子分布有

影響。

氣溶膠粒子中的有機物

氣溶膠粒子中的有機物(particulates organic

martter , POM ),其粒徑一般在 010 之間，其中大部 分是2

?

^mym

以下的細粒子。氣溶膠粒子中有機物的種類很多， 其中烴類--烷烴、

烯烴、芳香烴和多環芳烴等是主要成分， 此外還含有亞硝胺、氮雜

環化合物、環酮、醌類、酚類和酸 類等。其濃度也相差很大，從

ng/m3到mg/m3的量級，且

因地而異。

有機物的一次顆粒物主要來自煤和石油的燃燒過程。 煤和石

油在不完全燃燒時，部分碳氫化合物發生高溫分解， 產物包括 C2H2

和1 , 3-C4H6 ;在400500時進行高溫合成，形成多環芳烴化合

?

C

物，如芘、蒽、菲、苯 并⑻芘、苯并蒽等；同時還排出一些低級烴、

醛等有機物。 大氣中氣體有機物通過化學轉化形成二次顆粒物的速

度較 慢

，一般小于2%/h,二次產物都是含氧有機物。

?氣溶膠粒子中的微量元素

存在于氣溶膠粒子中的元素達 70余種，其中Cl、Br

和I主要以氣體形式存在于大氣中， 它們在氣溶膠粒子中分

別占總量的2% 3.5%和17.0%。Cl-主要分布在粗模范圍，地 殼元素

如Si、Fe、Al、Sc、Na、Ca、Mg和Ti 一般以氧化物 的形式存在

于粗模中； Zn、Cd、Ni

、Cu、Pb和S等元素則大部分存在于細粒子中。

氣溶膠中微量元素雖有天然和人為之別，但主要來自 人為活

動，它們都屬于一次氣溶膠粒子。不同類型的污染源 所排放的主要

元素也不同， 如土壤中主要有 Si、Al和Fe,汽

車排放的尾氣中含 Pb、Br和Ba等，鋼鐵工業主要 含Fe、Mn、Cu

等，燃燒油料會排放 Ni、V、Pb和Na等， 垃圾焚燒爐排放 Zn、

Sb和Cd等。氣溶膠粒子中的微量元素 隨污染源的不同，其種類和

濃度也不一樣，不同城市和地區 以及同一地區的不同時期，各種元

素的排放量也不同，且各 種微量元素在粗、細粒子中的分布也不一

樣。

5)

氣溶膠的危害

氣溶膠的危害主要表現在對人體的影響。當氣溶膠粒 子通過

呼吸道進入人體時，有部分粒子可以附著在呼吸道 上，甚至進入肺

部沉積下來，直接影響人的呼吸，危害人體 健康。降塵在空中停留

時間短，不易吸入，故危害不大。可

被吸入的飄塵因粒徑不同而滯留在呼吸道的不同部位。大于

5的飄塵，多滯留在上呼吸道，小于 5的多滯留在細

^m^m

支氣管和肺泡。進入呼吸道的飄塵往往和二氧化硫、二氧化 氮產生

聯合作用，損傷粘膜、肺泡， 引起支氣管和肺部炎癥， 長期作用導

致肺心病， 死亡率增高。 人體呼吸道吸入顆粒物的粒徑及份額見圖

2-20 。

圖 2-20

人體呼吸道吸入顆粒物的粒徑及份額 侵入人體深部

組織的粒子化學組成不同對健康產生不同的危害。例如，硫 酸霧侵

入肺泡引起肺水腫和肺硬化而導致死亡，故硫酸霧的 毒性比氣體S02

的毒性要高10倍以上。含有重金屬的顆粒 物會造成人體重金屬的累

積性慢性中毒。特別是某些氣溶膠 粒子，如焦油蒸氣、煤煙、汽車

排氣等常含有多環芳烴類化 合物，進入人體后可能造成組織的癌變。

細粒子的危害較大 不僅表現在可吸入性上，還由于有毒污染物在細

粒子的含量 大大高于粗粒子。例如，北京大氣顆粒物的成分測定結

果表 明，多環芳烴的90%集中在3以下的顆粒物中。

ym

此外，氣溶膠粒子具有對光的散射和吸收作用，特別

是0.11粒徑范圍的粒子（燃燒、工業排放和二次氣溶 膠）與

?

^m

可見光的波長相近，對可見光的散射作用十分強烈， 是造成大氣能

見度降低的重要原因。氣溶膠對氣候影響已引

起了人們的注意。

由此可見，氣溶膠的危害和影響與其粒子的大小和化

學組成密切相關。

根據大氣中顆粒物的化學組成進行污染來源的判別

及其貢獻率的研究，已成為近 10年來大氣顆粒物表征的重

要內容。人們希望能從大量觀測到的數據中經過處理和分析 得到有

關各種有害成分的來源及其貢獻的有用信息，以便為 制定控制人為

污染源的策略提供科學依據。氣溶膠粒子污染 來源的常用推斷方法

有相對濃度法、富集因子（ EF）法、相

關分析法、化學質量平衡法（CMB）和因子分析法（又可分 主因子

分析PFA和目標轉移因子分析法 TTFA）。本節簡要介 紹一下富集

因子法。

富集因子法是近年來采用的推斷氣溶膠污染源的有

效方法。該方法的基本原理如下： 首先選定一個比較穩定（受 人類

活動影響小）的元素 r （如Si、Al、Fe、Sc等）為參比

元素（基準），若顆粒物中待考查元素為 i，將i與r在顆粒 物中的

濃度比值（Xi/Xr）氣溶膠和它們在地殼中的濃度（豐 度）比值（Xi/Xr）

地殼進行比較，求得富集因子（EF）地殼:

（EF）地殼=（Xi/Xr）氣溶膠/ （Xi/Xr）地殼

若計算出的（EF）地殼=1，說明這個元素來源于地 殼；但考

慮到自然界有許多因素會影響大氣中元素的濃度， 故提出當

（EF）地殼〉10時，可認為該元素被富集了，即可 能與某

些人為活動有關。可進一步相對于某人為污染源如汽 車尾氣、

煤燃燒等求出（EF）汽車或（EF）煤等。若求得的 某項值

接近于 1

，則可證明某元素的富集與該污染源有關。

中科院高能物理所曾選 Se 作為參比元素，用富集因 子法判

斷北京中關村地區大氣氣溶膠中的污染元素及其來 源。計算出顆粒

物中各元素的富集因子，其部分結果列于表 2-15，從列出的EF值

可以看出許多元素在顆粒物中的相對 濃度，與其在地殼中的相對濃

度是非常接近的，如 Fe、 Co、 Cr、 Hf、 Rb、 Cs、 Ba、 U、

Th 及稀土元素的富集因子都接近 于1，大部分元素的值都小于

EF

10，說明它們都來源于地

殼。只有Se、Sb、As、Br、W的EF值大于10，說明這些元 素被

富集，還有其他來源。根據中關村的具體情況，結合顆 粒物濃度的

季節變化規律，估計導致上述元素富集的主要污 染源可能是燃煤。

用煤中元素平均含量按（ EF）煤=（Xi/X

S S

e）氣溶膠/ （Xi/X e）煤計算出對煤的富集因子，結果表 明，那

些相對于地殼的富集因子大于 10 的元素，相對于煤 的成分時則普

遍降至 10 以下， 有些已經接近于 1，說明這些 元素在顆粒物中的

富集主要與燃煤造成的污染有關。

表2-15北京中關村地區顆粒物中元素的 EF地殼值

（

張遠航、唐孝炎等采用主因子分析（ PFA）和目標轉移因子

分析（TTFA）推斷了蘭州西固地區氣溶膠污染源： 1）西固區

（

雖屬石油化工區，但煤飛灰的污染比油污染嚴重，氣溶膠細 粒子的

44%,粗粒子的45%由煤飛灰源貢獻，而石油、化工 源分別貢獻27.5

%和14.3%。⑵水泥/玻璃源的影響也不能忽視，其對粗、細 粒子的

貢獻分別為27.3%和13%該源包括玻璃制造業和建筑 業。

陳宗良等用多元回歸分析法計算得到風砂、土壤、 煤炭燃

燒、汽車燃油和二次污染四大污染源對顆粒物和苯溶 物的貢獻及貢

獻率（見表 2-16 ）。

表 2-15

大氣污染源對懸浮顆粒物［TSP］和苯溶物［BS］的貢獻

6） 大氣氣溶膠研究動向

?大氣氣溶膠的表征研究

TSP

--PM10-- PM2.5 -- 超細粒子（ nm ） 總體顆粒 -- 單個顆粒

?氣溶膠的大氣化學過程研究

?氣溶膠與氣候變化的研究

?氣溶膠與健康效應的研究