气溶胶测量01.ppt

气溶胶测量 原理、技术及应用,南开大学环境科学与工程学院 2008年9月25日,课程组,白志鹏 教授 吴建会 讲师 联系方式： zbai envwujh 公共邮箱：aerosolmeasurement,目 录,第一部分 基本理论 1 气溶胶测量的历史回顾 2 桥联科学及其在气溶胶测量中的应用:工具使用入门 2 3 气溶胶基本理论 2 4 气体与粒子运动 2 5 粒子的物理化学变化 6 气溶胶的粒度分布特征 7 气溶胶测量方法 4,目 录,第二部分 技术 8 气溶胶的采样与输送 9 过滤收集 10 惯性、重力、离心和热收集技术 2 11 大气气溶胶组分的化学分析方法 12 单粒子分析 13 实时单粒子分析 2 14 动力学质量和表面积测量 15 光学直读技术：光强度系统 16 光学直读技术：原位传感 2 17 利用粒子运动和光学检测的直读技术 18 电技术 19 凝结检测和扩散粒度分离技术 2 20 粒子的电动悬浮 21 仪器校准 22 粒度分布的数据分析和表达方法 2,目 录,第三部分 应用 23 非球形粒子的测量方法：形状因子、分形分析以及纤维 24 生物粒子采样 25 工作场所气溶胶检测 26 矿井气溶胶检测 2 27 环境空气采样 28 短时粉尘的排放 29 室内气溶胶和暴露评价 2 30 利用飞行器测量气溶胶 31 高浓度、高温度下的气溶胶测量 32 通过气溶胶过程生产材料 2 33 无尘室中气溶胶的测量 34 放射性气溶胶 35 氡及其短期衰变产物气溶胶 2 36 药用气溶胶和诊断用气溶胶的测量 37 呼吸毒理学：控制大气暴露的采样策略 2,第一部分 基本理论,气溶胶概论,气溶胶是指长时间悬浮在气体环境中、能观察或测量到的液体或固体粒子的集合。 气溶胶的颗粒粒径范围 0.001500m，这些颗粒物粒径比气态分子大，比降尘粒径小。 大气气溶胶的环境作用，已酿成全球性环境问题，引起了全世界的重视。此外，气溶胶对气候、人体健康、生物效应也有其特有的作用,大气悬浮颗粒物粒径划分示意图,D = 2.5 um （PM2.5）,D = 10 um (PM10),D = 100 um 总悬浮颗粒物(TSP),D：空气动力学直径，与粒子密度和形状有关,Science 307:1857-1861, News Focus, March 2005,不同粒径粒子的停留时间,停留时间 （天数）,停留时间（小时）,停留在空中的百分比,气溶胶与气候变化,气溶胶粒子增加的直接效应是影响大气水循环和辐射平衡，这两种过程都会引起气候变化 气溶胶颗粒具有各种粒度，决定了它对光的不同效应，如吸收、散射或反射作用，从而对气候产生直接或间接的效应。其直接效应是吸收或反射太阳的辐射，使地球的热平衡受到影响；其间接效应是对云的成核作用，使云的凝聚核增多，而增强云的反射 特殊天气现象：沙尘暴、灰霾,沙尘暴,沙尘暴天气的危害,生态环境恶化 生产生活受影响 生命财产损失 交通安全（飞机、汽车等交通事故） 不同观点 沙尘气溶胶对中国北方酸雨的中和作用，对硫酸盐气溶胶的形成及其分布，对海洋中微量成分循环过程的影响,气溶胶与灰霾天气,灰霾是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，使空气浑浊，水平能见度减低到10公里以下的一种天气现象 我国的部分区域存在着个明显的大气棕色云区，即灰霾严重地区：北部的黄、淮、海地区；东部的长江三角洲；四川盆地；珠江三角洲,广东省气象局设在番禺区的气溶胶移动观测站,气溶胶与健康效应,气溶胶体系其组成十分复杂，某些气溶胶含有4050种元素。气溶胶的化学成分有无机物、有机物、微量元素及微生物 空气污染的加重，是由于气溶胶与气态污染物的联合作用，使呼吸道病患者增多、心肺病死亡日增的主要原因，细颗粒具有更大的环境活性，其中最多的组分是有机碳。（PAHs，重金属） 炊事、家具、建筑装饰等释出室内空气污染 ，生物气溶胶（孢子、霉菌、细菌、螨虫、过敏原等）可对一些特定职业产生危害,灰渣,水泥,颗粒物形态和成分,与人体健康相关的颗粒物化学成分 (NRC, 2004),与人体健康相关的颗粒物化学成分 (NRC, 2004),0,20,40,60,80,100,0.01,0.1,1,10,100,颗粒物空气动力学直径 (微米),沉积百分比（%),鼻腔,肺,气管,口腔,正常呼吸状态下不同粒径的颗粒物 在人体呼吸系统的沉积状况,纵观气溶胶研究的发展，可以看出其趋势，已从人为源逐渐向天然源、生物地球化学源发展；从总体颗粒物的表征向单个颗粒物；由微米级向亚微米，甚至纳米级的粒度发展；从一般无机元素组分向元素碳、有机碳、酸硷性基团、有机分子发展；从室外环境向室内环境、区域环境、全球环境发展；从平流层向对流层发展；并将气溶胶的特性与环境效应（如气候效应）、生态效应（如健康效应）以及大气化学过程密切结合起来，向更深的层次和更广的范围开拓。因而，现今国际上大气气溶胶研究的目的性更明确，其应用性更强，研究的内容更为综合，应用的手段更为多样,气溶胶测量的历史回顾,早期,古罗马时期的罗马人抱怨恶臭的空气 1273，由于严重的大气粒子污染，伦敦禁止燃煤，1306年，爱德华一世颁布了皇家禁令。 1661年，John Evelyn向查理斯二世提交了第一本关于大气粒子污染的重要手册，他写的Fumifugium（防烟）生动描述了伦敦城中的大气粒子污染（Lodge，1969）,经典期之前的气溶胶测量,1841年，J.P.Espy造出了“测云器（nephelescope）” 1847年，H.Becquerel提出空气中存在细微粒子，即现在所称的凝结核 20世纪30年后，Coulier通过实验证实了这些凝结核的存在 ，发明了第一个凝结核检测器 John Aitken在1875年开始研究凝结，他发明并使用了第一台计量粒子数目的便携式设备,P.JCoulier检测粉尘粒子凝结时所用的仪器,Coulier发明了第一个凝结核检测器。该仪器由一个透明细颈瓶（A）和能够将空气压进细颈瓶的橡皮球（D）组成。打开阀门空气膨胀，并在气溶胶粒子上发生凝结。,便携式“粉尘计数器”的最初示意图,Aitken发明并使用了第一台计量粒子数目的便携式设备，待测气体从管A进入储气瓶R中，并与一定量的洁净空气混合，然后用水饱和，随后R中的空气在泵的作用下膨胀，产生一阵小雨，这样就可得到降落在计数区的液滴数,经典期之前的气溶胶测量,Tydall扩展了方法来检测气溶胶，并第一次应用该方法检测了室内空气粒子污染 , Tydall不仅发明了丁达尔仪、测云器和超倍显微镜，还为热沉降器的发明奠定了基础。 19世纪80年代，电荷进入充满烟雾的环境后，会把粒子迅速凝结成凝聚体而驱散烟雾人们在随后发明了静电沉降器（electrostatic precipitators） 19世纪80年代，德国柏林健康研究所的Robert Koch实验室使用玻璃采尘器采集了细菌气溶胶 1881年，德国的Bidaszeusky用超倍显微镜观察了并描述了烟雾粒子运动和沉降。随后，英格兰的Townsend制造出第一个浸提器组（diffusion battery）,经典发展时期的气溶胶测量,经典气溶胶物理学时期的标志是该时期气溶胶测量技术的使用和开发及试验技术的普及。气溶胶科学研究的经典时期一直延续到20世纪中期，并以气溶胶力学（Mechanics of Aerosol）的出版为结束标志 首次使用“气溶胶”一词，是物理化学学家E.G.Donnan约在1918年提出的。1920年，德国Munich气象中心主任A.Schmanss将“气溶胶”一词引入气象杂志。,经典发展时期的气溶胶测量,测量的基本原理和方法 运用惯性、热力和静电引力加速粒子的沉积，或使用有效的过滤系统 气溶胶采样方法 计尘器（konimeters） 串级冲击式采样器（cascade impactors） 采尘器（impingers） 沉降器（Precipitators） 粒子计数和粒度测量,计尘器是单级冲击式采样器（one-stage impactor） Kotze（Innes，1919）制造了计尘器，粉尘粒子通过碰撞被收集在涂有石油或甘油的玻璃板上，石油膜或甘油膜能够阻拦并留住粉尘,计尘器,串级冲击式采样器（cascade impactors）,采尘器与串级冲击式采样器十分相似，它们之间唯一的区别是：在采尘器中，粒子冲击到一个固体表面上，随后就与一种液体（如水或是酒精）发生碰撞。,140*,200,15,20,25,0*,30,25*,9*,30*,35*,915,55,5,10,采尘器,沉降器（Precipitators）,气溶胶粉尘的测量仪器是将粉尘粒子分散在热场和电场中，因而被分别称作热沉降器和静电沉降器。,热沉降器,电沉降器,粒子计数和粒度测量,测量粒子数量浓度是经典时期的测量方法。利用显微镜法，对计尘器、冲击式采样器、热沉降器及静电沉降器收集的粉尘粒子进行计数并测量尺粒度 为了测量粒度，人们使用光学千分尺和标准显微镜计数线,经典发展时期的气溶胶测量,“经典”方法的局限性 采样过程中都存在粒子反弹、再夹带和解聚集等问题 不同仪器的采样时间从几s到几h不等，不同仪器的采样和收集效率也显著不同 不同仪器测得的浓度值不具有可比性 非等速采样可能产生的误差 热沉降器显示出明显的无规律性，而且采集到的粉尘沉降物不均质,现代气溶胶测量,过滤采样 淘析器（elutriators）和气溶胶离心机（aerosol centrifuges） 凝结核子计数器（CNC） 超显微镜光学粒子计数器 超倍显微镜 丁达尔仪 光学粒子计数器 矿物和化学气溶胶的分析,过滤采样,过滤采样,使气体通过一种合适的介质而将其中的粉尘与气体分开来 纸质抽提套管过滤器中填充松软的棉花 可溶性粉尘采样滤膜 -“糖滤膜”，萘滤膜 ，四氯酚酞晶体 下一步发展是纸质滤膜薄膜滤膜（MF）成为最重要的标准气溶胶分析与采样元件 聚碳酸酯滤膜（也称为核孔膜（Nuclepore filter）或NP,淘析器（elutriators）和气溶胶离心机（aerosol centrifuges）,根据粒子沉降速度与气流速度的差异，依据粒度将其分离的过程 垂直淘析器用来分离粒径和测量空气动力学粒度，气溶胶离心机和水平淘析器的操作十分类似，只是后者利用离心力，前者利用重力。20世纪50年代，人们制造出第一台气溶胶离心机。,凝结核子计数器（CNC）,Aitken时期，就出现了检测和测量凝结核子的仪器 Junge(1935)发展并使用了膨胀计数器（expansion counter），用照相机代替显微镜，就可以直接拍摄到已知体积中的悬浮粒子数量。 膨胀计数器：通过膨胀，使预先加压的饱和样品空气冷却，这样使空气达到超饱和。 CNC在气溶胶测量领域中有很广泛的应用，比如使用浸提器组仪检测气溶胶过滤器。,超显微镜光学粒子计数器,丁达尔证明在可见限以下的粒子是可以被观察、计数和测量的。这为后来超倍显微镜、浊度计、丁达尔仪和光学粒子计数器发明的奠定了理论基础 随着丁达尔仪和浊度计（nephelometer）的发展，人们开始测量给定空气体积中所有粒子的散射光。丁达尔仪可以测量30方向上的散射光。,19451950年，发展了基于单粒子散射光理论的光电光学粒子计数器（OPC），OPC能在线和在原位测量粒子直径大于0.3m的稀释气溶胶的数量浓度。之后，OPC被改进并测量不同电压脉冲级，电