气溶胶科学与技术课程总结(含试题)

气溶胶工程与技术气溶胶工程与技术课程主要内容课程主要内容 作者作者：王斌王斌 一、 大气气溶胶基本特征 1、 胶体概念胶体概念：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、 大气气溶胶大气气溶胶： 概念概念 【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-100m； 例子例子【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（m2/cm3 人体健康 效应和非均相反应） ；体积浓度（m2/cm3）和质量浓度（g/cm3） ，用于空气质量标准】 ； 分类分类【 （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、 相关相关概念概念： 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、 颗粒物浓度标准颗粒物浓度标准：中国标准 平均时间平均时间 浓度限值浓度限值 1 级级 浓度限值浓度限值 2 级级 PM10 年平均 40 70 g/m3 日平均 50 150 g/m3 PM2.5 年平均 15 35 g/m3 日平均 35 75 g/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 v： p 3 PA v V D ，式中 Vp 为颗粒物粒径，则 33 pPAV 6 v VDD ；所以体积等效 直径为： 11 33 VPAAPA 0 66 ; particle vv DDDD 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 0.55m 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） ： 3 () 6 dparticlegas FD g （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 3D d FV （2） 结合公式（1-2）可以得到终端沉降速度为 2 () 18 particlegas VgD （3） 应用范围：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：处理方式：定义阻力系数 2 2 ()() 42 d d gas F C V D ，雷诺数（Re）Re gas DV （雷诺数为无量纲数，是作 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 24 Re d C 。当 Re0.3， 符合 Stokes 定律；当 0.3 1 m) Diffusion of small particles (1m） 谱分布： c N( )exp() b pp nDpADBD 对数正态分布： 2 lnln exp() ln2(ln)2ln g N T g g DD NdN dD 对数二次曲线分布：对燃煤为主要能源的城市，污染大气气溶胶可分为三个模态，每一 模态都可以用对数二次曲线分布描述。 五、 大气气溶胶光学特征 1、 气溶胶的物理特性 单个气溶胶（Single particle）大小、形状、质量、密度、表面积和表面结构；折光率和吸光 率、沉降速率 单位体积气溶胶的特性（bulk particles）数浓度、质量浓度、粒子的谱分布；等效直径：光学， 动力学、体积；特征半径：众数半径、数中值半径、数平均半径、质量众数半径、质量中值 半径和质量平均半径 2、 光的性质 吸收吸收(absorption)：由于光是一种能量流，在光通过材料传播时 ，会引起材料的价电子跃迁或 使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这种现象称为光的吸收。被吸 收的光强与吸收体的厚度成正比。 反射反射(reflection)：光从一种介质射向另一种介质的交界面时，一部分光返回原来介质中，使光 的传播方向发生了改变，这种现象称为光的反射。光的反射定律：反射光线与入射光线、法线 在同一平面上；反射光线和入射光线分居在法线的两侧；反射角等于入射角可归纳为： “三线 共面，两线分居，两角相等” 。 折射折射(refraction)：当光由一种介质斜射到另一种介质时，其传播方向发生改变这种现象叫光的 折射。光发生折射后，其频率不变，但波长和波速发生改变。光折射时,折射光线,入射光线,法 线在同一平面内,折射光线和入射光线分别位于法线的两侧.折射角随入射角的改变而改变，但 两者不等。 散射散射(scattering)： 一束光通过介质时其中一部分光偏离主要的传播方向， 这种现象称为光散射。 现象的本质是光波电磁场与介质分子相互作用的结果。 光的散射是原子或分子体系从入射光波 中获得能量后，改变传播方向及相位，甚至改变频率的再辐射过程。当光波射人介质时，在光 波电场的作用下，分子或原子获得能量产生诱导极化，并以一定的频率作强迫振动，形成振动 电偶极子（偶极子是指相距很近的符号相反的一对电荷） 。这些振动的偶极子就成为二次波源， 向各个方向发射出电磁波。在纯净的均匀介质中，这些次波相互干涉的结果，使光线只能在折 射方向上传播，而在其他方向上则相互抵消，所以没有散射光出现。但当均匀介质中掺入进行 着布朗运动的微粒后，或者体系由于热运动而产生局部的密度涨落或浓度涨落时，就会破坏次 波的相干性，而在其他方向上出现放射光。 衍射衍射(diffraction)：光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象叫光的衍射。衍射又称为绕射, 光线照射到物体边沿后通过散射继续在空间发射的现象。光衍射的本质：光的衍射与微粒的刚 性反弹没有关系，在这里我们要用到的是光的波动性而不是光的粒子性。 道理很容易理解： 由于光是波动传播的，它走的路线自然就是如正弦函数那样的曲线。只是在大的尺度下我们分 辨不出而以为光是沿直线传播的罢了。光的曲线走向就是光的衍射，它给了我们光偏离了运动 方向的错觉。 散射和散射和吸收差别吸收差别： （1）散射中粒子以同样的波长，在所有的方向上辐射接受能量，在不同方向 上的强度可能不同；单个粒子的光散射是由粒子的大小、折射指数和形状以及入射光的波长决 定的；可由光的波动理论解释（2）吸收中粒子接收的辐射能转化为其他形式的能，如热能、 化学反应能或不同波长的辐射过程。吸收需要量子理论解释，它不产生分子内能状态的静变化 3、 折射率（Index of refraction or refraction index） 定义：真空中的光速与在气溶胶物质中的光速之比， p c ( ) V ( ) n 式中 为光的波长，Vp 为颗粒物速率，c 为光速 3.0*108m/s 折射率是衡量粒子对光的散射和吸收作用的重要参数，通常被表示成复数性质 p ri c ( ) V ( ) ( )( )( ) n nnin ：非吸收性物质 吸收性物质： 复折射指数的实部（nr）表示颗粒物的散射消光效应，太阳辐射曲大多数约为 1.5-1.6 虚部（ni）表示颗粒物的吸收消光作用，约为 0.005-0.02.碳质气溶胶例外，最高为 0.4-0.8。 相对折射指数定义：在悬浮介质中的光速 Vm 与粒子中光速 Vp 之比 p m pm ( ) V ( ) ( ) V ( )( ) n n n 式中 np 和 nm 分别为粒子和介质的绝对折射指数。 只有在折射率不同的介质中传播时才发生散射，因而与两种介质的相对折射率有关； 大气与真空的折射率很接近 1， 因而折射率为 1.33-1.60 的粒子的绝对折射率可以当作相对 折射率；这种情况不适用于水溶液，因为液态介质的折射率为 1.33 或者更大，因而浸没 在其中离子的相对折射率可能接近 1 或者小于 1. 尺度参数（Size parameter） 2dr rk 式中 是颗粒物圆周与波长的比值， 为无量纲的量； 也是粒子半径 r 和波 动理论中常用的波数 k（2/）的乘积； Mie 散射最终的控制因子强烈依赖于尺度参数 4、 消光（Extinction） 大气消光作用：大气气溶胶被一束光照射时，会散射或吸收部分光，使光强减弱；包括气体分 子的散射和吸收和大气颗粒物的散射和吸收。 消光作用遵从布格定律（Bouguer） 0 exp() e I L I 式中 e 是气溶胶的消光系数 extinction coefficiency，单位是（长度单位）-1 比尔-郎伯定量（Beer-Lambert Law） 0 log( )log() t I ATKlc I 式中 A 为吸光度，T 为透射比或者透光度，I0 为入射光强度，It 为投射光强度，K 为吸收系数 或者摩尔吸收系数；l 吸收介质的厚度，一般为 1cm，c 为吸光物质的浓度（g/L）或者 mol/L 物理意义：当一束平行光垂直通过某一均匀非分散的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的 浓度及吸收层厚度成正比。 定理前提：入射光为平行单色光且垂直照射；吸光物质为均匀非散射体系；吸光质点之间 无相互作用；辐射与物质之间的作用仅限于光吸收过程，无荧光和光化学现象发生。 造成偏离的因素：物理因素（非单色光；非平行光；介质不均匀） ；化学因素（溶液浓度 过高和化学反应（eg.水解、解离） 当介质中含有多种吸光组分时，只要各个组分间不存在相互作用，则在某一波长下介质的 总吸光度是各组分在该波长下吸光度的加和，这一规律成为吸光度的加和性。 系数 K：当介质厚度 l 用 cm 表示，吸光物质浓度 c 以 g/L 为单位，系数 K 用 a 表示，成 为吸收系数，单位为 Lg-1cm-1，这时定律表示为 A=alc；当吸光物质浓度 c 以 mol/L 为单 位时，K 用 k 表示成为摩尔吸收细数，单位 Lmol-1cm-1；两者之间的关系为 k=aMm，其中 Mm 为混合液的分子量。 5、 介质的光学厚度【()】定义 0 ( )ln e I LA I 式中 e 和 L 用同样的长度单位，两者乘积为无量纲的量，实际上就是大气的吸光度。 6、 粒子的消光效率 Qe (particle extinction efficiency) 定义【粒子散射和吸收的辐射功率与粒子几何截面上入射的辐射功率只比】 radiant power scattered (and absorbed) by a particle radia