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  • 气溶胶

    气溶胶(aerosol),是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系,又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点,其大小为10-3cm~10-7cm,分散介质为气体。气溶胶包括大气气溶胶和人造气溶胶两大类,其中大气气溶胶对地球环境和气候变化有着极其重要的影响,人工制造的气溶胶广泛应用于工业、农业、医药及国防领域。2013年底,中科院大气物理研究所课题组,对北京地区PM2.5化学组成及源解析季节变化研究发现,北京PM2.5有6个重要来源,分别是土壤尘、燃煤、生物质燃烧、汽车尾气与垃圾焚烧、工业污染和二次无机气溶胶。其中,二次无机气溶胶所占比例最高达26%。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 气溶胶 英文名: aerosol
    • 兔吉祥在卫生间等潮湿狭小的空间,空气湿度增加了细菌的滋生和霉变的发生,连同人类排泄粪便中的大肠杆菌和寄生虫就会通过生物气溶胶进入人体呼吸道,危害人体健康。冲马桶不盖盖子,水流产生的气旋可能会产生大量生物气溶胶。

    目录

    种类/气溶胶 编辑

    自然产生的气溶胶

    大气气溶胶大气气溶胶

    1、大气气溶胶

    大气气溶胶又称颗粒物,是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系,能作为水滴和冰晶的凝结核(见大气凝结核、大气冰核)、太阳辐射的吸收体和散射体,并参与各种化学循环,是大气的重要组成部分。雾、烟、霾、轻雾、微尘和烟雾等,都是天然的或人为的原因造成的大气气溶胶。

    2、生物气溶胶

    微粒中含有微生物或生物大分子等生物物质的称为生物气溶胶(bioaerosol),其中含有微生物的称为微生物气溶胶。

    人造气溶胶

    1、工业化气溶胶:有杀虫剂、消毒剂和卫生消毒剂、洗涤剂和清洁剂、蜡、油漆和发胶

    2、食用气溶胶:搅拌过的奶油。

    来源及消除/气溶胶 编辑

    来源

    气溶胶有自然或人类两种来源。

    天然气溶胶按其来源可分为一次气溶胶(以微粒形式直接从发生源进入大气)和二次气溶胶(在大气中由一次污染物转化而生成)两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源,也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源。

    一般说来,半径小于1微米的粒子,大都是由气体到微粒的成核、凝结、凝聚等过程所生成;而较大的粒子,则是由固体和液体的破裂等机械过程所形成。它们在结构上可以是均相的,也可以是多相的。已生成的气溶胶在大气中仍然有可能再参加大气的化学反应或物理过程。

    消除

    气溶胶的消除,主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降过程。[1]

    特性/气溶胶 编辑

    气溶胶气溶胶

    分散特性

    由于气溶胶的分散介质是气体,气体的粘度小,分散相与分散介质的密度差很大,质点相碰时极易粘结以及液体质点的挥发,使气溶胶有其独特的规律性。

    化学反应

    气溶胶质点有相当大的比表面和表面能,可以使一些在普通情况下相当缓慢的化学反应进行得非常迅速,甚至可以引起爆炸,如磨细的糖、淀粉和煤等。

    散射特性

     

    气溶胶质点能发生光的散射,这是使天空成为蓝色,太阳落山时成为红色的原因。

    动力性质

    布朗运动非常剧烈,当质点小时具有扩散性质;当质点大时,由于与介质的密度差大,沉降显著。因介质是气体,这些动力性质与气体分子自由路程有关。

    电学性质

    气溶胶粒子没有扩散双电层存在,但可以带电,其电荷来源于与大气中气体离子的碰撞或与介质的摩擦,所带电荷量不等,且随时间变化;质点既可带正电也可带负电,说明其电性决定于外界条件。

    稳定性

    气溶胶粒子没有溶胶粒子那样的溶剂化层和扩散双电层,相碰时即发生聚结,生成大液滴(雾)或聚集体(烟),此过程进展极其迅速,所以气溶胶是极不稳定的胶体分散体系,但由于布朗运动的存在,也具有一定的相对稳定性。

    形态/气溶胶 编辑

    液体气溶胶微粒一般呈球形,固体微粒则形状不规则,其半径一般为 10-3~102微米。粒径在10-1~101微米的气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等方面具有重要作用。

    小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制,而大粒子的浓度则受沉降作用所限制。微粒在大气中沉降的过程中, 受的阻力和重力的作用达到平衡时,各种粒子的沉降速度不同。

    气溶胶的消除,主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降过程。   

    浓度分布/气溶胶 编辑

    南极地区的气溶胶浓度南极地区的气溶胶浓度

    气溶胶的浓度,可以用一定体积中微粒的总质量来表示,基本单位是微克/米,也可以用数密度即单位体积内的粒子数目来表示。气溶胶的分布特性通常可用其粒子数目(n)、粒子表面积(S)、粒子的体积(V)或质量(m)按粒径大小(D)的分布来描述,一般作dn/d lgD、dS/d lgD和dV/d lgD对lgD的分布图,它们基本上呈正态分布。

    对于半径(r)在0.1微米和10微米之间的粒子,一般用容格(Junge)分布来表示,即:

    n(r)=Cr

    式中v近似等于3,C 是正比于粒子浓度的常数。但是20世纪70年代以来,有人提出三模态大气气溶胶的分布(爱根核模、积聚模和粗粒子模)。图中还示出它们的粒径范围、主要质量源以及质量的输入或去除的主要过程。由此可见,爱根核范围的粒子是由高温过程或化学过程产生的蒸汽凝结而成;积聚作用范围的粒子是由核模中的粒子凝聚或通过蒸汽凝结长大而形成,80%以上的大气硫酸盐微粒属于此模;粗粒子则是由液滴蒸发、机械粉碎等过程形成。细粒子和粗粒子的分界线通常直径为2微米左右。

    从对人体呼吸道的危害看来,10微米以上的粒子,常阻留在鼻腔和鼻咽喉部;2~10微米的粒子大部分留在上呼吸道,而2微米以下的粒子随着粒径的减小在肺内滞留的比率增加,0.1微米以下的粒子随着粒径的减小在支气管内附着的比率增加。

    半径小于0.1微米的粒子,其数密度随离地面高度的增加而减小,这表明它们来源于地表;但半径0.1~1微米的粒子,其数密度在对流层顶上部随高度逐渐增加,并且在15~20公里附近出现极大值,形成平流层内的气溶胶层,这层气溶胶可能是火山喷出物气体在平流层中经氧化成固体而形成的。它虽然只占大气中气溶胶总量的百分之几,但对于大气的气温有重要的影响。

    通过大气遥感可探测气溶胶粒子的平均谱分布。

    化学成分/气溶胶 编辑

    气溶胶的化学组成十分复杂,它含有各种微量金属、无机氧化物硫酸盐、硝酸盐和含氧有机化合物等。由于来源不同,形成过程也不同,故其成分不一,特别是城市大气受污染源的影响,气溶胶的成分变动较大。但是非城市大气气溶胶的成分比较稳定,大体上与地区的土壤成分有关。

    大气中二氧化硫转化形成的硫酸盐,是气溶胶的主要成分之一。其转化过程尚未完全明白,已知二氧化硫可在均相条件下(在气相中),或在水滴、碳颗粒和有机物颗粒表面等多相条件下(在液相或固相表面上)转化成三氧化硫,再与水反应生成硫酸,并和金属氧化物的微尘反应而生成硫酸盐。硫是气溶胶内最重要的元素,其含量能反映污染物的全球性迁移、传输和分布的状况(见大气微量气体)。

    气溶胶中硝酸盐和有机物的形成机制,尚待研究。气溶胶中有铵离子(NH嬃)存在,能与硫酸根离子(SO娺)和硝酸根离子(NO婣)生成铵盐。至于气溶胶中的有机物,更是许多种类有机物的复杂混合物,其中包括稀烃、烷烃、芳烃、多环芳烃、醛、酮、酸、醌、酯,以及有机氮化物和有机硫化物等。

    气溶胶来源于土壤的各种元素(如铕、钠、钾、钡、铷、镧、铈、硅、钐、钛、钍、铝等),其含量在地区之间差别不大;而来源于工业区的各种元素(如氯、钨、银、锰、镉、锌、锑、镍、砷、铬等),就有较大的地区差别。[2]

    影响/气溶胶 编辑

    气溶胶气溶胶

    对环境和生物的影响

     

    气溶胶是大气中极其重要的组成部分,它不仅直接影响人类的健康,还能增加大气的化学反应,降低能见度,增加降水、成云和成雾的可能性,影响大气辐射收支,导致环境温度和植物生长速率的改变以及沾污材料。

    对天气及气候的影响

     

    大气气溶胶粒子多集中于大气的底层,对云的凝结核、雨滴、冰晶形成,进而对降水的形成起重要作用。气溶胶甚至可以改变云的存在时间,能够在云的表面产生化学反应,决定降雨量的多少,影响大气成分。 

    气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中,从而冷却大气,并会使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射,减少地面长波辐射的外逸,使大气升温。 

    对全球变暖的影响



    沙尘气溶胶是大气气溶胶重要的组成部分。全球气温上升的幅度一直远低于科学家根据二氧化碳浓度上升所预测的温度值,因此有科学家认为,地球系统可能存在着极其复杂的反馈机制,沙尘暴可能是地球全球变暖“制冷剂” 。沙尘气溶胶通过三种途径对地球环境产生重要影响:

    (1)、阻挡太阳辐射进入地球表面,也就是所谓的“阳伞效应”。 

    (2)、沙尘粒子还可以作为云凝结核,影响云的形成、辐射特性和降水,产生间接的气候效应,被称为“冰核效应”。 

    (3)、“铁肥料效应”,即“铁假说”,在海洋中增加铁可使浮游生物增加,并消耗大量的二氧化碳,使大气中的二氧化碳浓度降低,进而降低全球的温度,而铁则来源于大陆的沙尘。[3]

    不良影响及危害


    工业城市上空的烟雾和工厂、矿井中的烟尘对人体健康危害极大(如硅肺),还有破坏大自然的酸雨以及易引起爆炸的粉尘,都和气溶胶有关。 

    用于压缩气体的化学药品通常是含氯氟烃(即CFCs),已证明它是对地球大气层上的臭氧层造成损害的一类物质。

    制备/气溶胶 编辑

    气溶胶灭火器气溶胶灭火器

    可分为分散法和凝聚法两大类。

    分散法

    是借助外力将固体或液体分裂成较小的部分,又分为固体的机械磨碎法和液体喷雾法,所得气溶胶的分散程度往往不高。

    凝聚法

    是将分散相物质先分裂成单个分子的物质(即成气体或蒸气状的物质),然后再凝结成胶体大小的质点,因此包含过饱和蒸气的形成和过饱和蒸气的凝聚两个阶段。其关键是得到过饱和蒸气,这可以由蒸气冷却凝聚和化学反应来达到。

    对每一种物质来说,在一定的温度下,饱和蒸气的最大浓度及其相应的饱和蒸气压,都是一定的,且随温度的降低而减小,因此当蒸气冷却时,过饱和蒸气在凝结中心(或称核心)产生凝聚,形成气溶胶质点。凝结中心可以是尘粒,其他的大气核心、离子和极性分子等,但过饱和度相当高时,蒸气分子本身可凝结而无需核心,利用化学反应可产生蒸气压小的物质,达到过饱和就凝聚。通常所制得的气溶胶质点一般都是多分散的,用气溶胶发生器并控制反应条件可得到单分散的气溶胶。  

    应用/气溶胶 编辑

    1926年,挪威科学家埃里克·罗西姆首先提出制造气溶胶的设想。美国人朱利叶斯·S·可汗想出了一次性使用的金属雾筒。同样来自美国的莱尔·达维·古德休则进一步研制了这一发明,使它成为可以上市的商品。1941年,第一批人造气溶胶开始销售。现代最流行的气溶胶压缩气体是二氧化碳气体,它能在气溶胶喷筒内生成。像丙烷异丁烷这类气体也可使用。

    气溶胶在工业、农业、国防和其他方面都已得到广泛的应用,如加快燃烧速率和充分利用燃料。

    喷雾干燥可提高产品质量,已广泛用于医药工业与洗衣粉的生产。

    农业上,农药的喷洒可提高药效、降低药品的消耗。

    利用气溶胶进行人工降雨,可大大改善旱情。

    国防上,用来制造信号弹和遮蔽烟幕。 

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2012-03-20
    [2]^引用日期:2012-03-20
    [3]^引用日期:2012-03-20

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