第3章　大气中细颗粒物及测定

3.1　大气颗粒物

大气颗粒物的许多重要性质（如体积、质量和沉降速度等）都与粒子来源、大小等有关。不同粒径的大气颗粒物的来源及理化特征存在明显差别，为准确的反映大气现状，了解和准确测定大气颗粒物十分重要。

3.1.1　大气颗粒物的来源

（1）大气颗粒物的主要来源　1999年，M.Lazarridis对大气颗粒物的主要来源（包括一次颗粒物与二次颗粒物的来源以及自然源与人为源）、化学组分进行了成分分析^［1，2］ （表3-1）。

由表3-1可知，我国大气颗粒物来源复杂，对主要污染源进行识别和定量，是制定城市空气质量改善措施的基础。2000年以来，我国对近30个城市大气可吸入颗粒物PM₁₀进行源解析研究，结果表明我国大气颗粒物PM₁₀主要来自六类源：扬尘（土壤尘、道路尘、建筑尘），燃煤，工业排放，机动车排放，生物质燃烧，SO₂、NO_x、VOCs氧化产生的二次颗粒物。

（2）大气颗粒物的粒径范围^［3，4］　大气中各种颗粒物的粒径范围见图3-1。

（3）二次颗粒物组成的重要影响^{［2，4，5］}　从气态前体物经过核化成新生成的粒子（纳米级粒子）和非均相转化成积聚模态粒子，二次颗粒物在大气中存在寿命长，可以传输几百至上千公里。将局部问题演变为区域问题；使城市和周边联系起来；二次颗粒物所在的粒径及其吸湿性，对能见度的下降贡献大，造成区域性灰霾；给城市和区域大气污染监测、预报和控制带来新的挑战。

大气细粒子PM_2.5作为区域大气复合污染的核心污染物，对大气污染监测也提出了要求和挑战。

3.1.2　大气颗粒物的分类

3.1.2.1　按粒子来源与状态来分^［4，6］

大气颗粒物有：机械粉碎生成的固体微粒，扬尘形成的粉尘；燃烧过程中产生的不燃性微粒，如汽车尾气、烟草燃烟；煤及含碳物燃烧时产生的飞灰、烟尘、烟雾等。

大气颗粒物按粒子来源可分为下列几类：

①粉尘（微尘，dust）——包括机械粉碎的固体微粒、风吹扬尘、风沙颗粒、直径在100μm左右的固体微粒。

②烟（烟气，fume）——由熔融及化学反应、升华、蒸馏等产生的蒸气凝结而成的固体颗粒。如熔融金属凝结的金属氧化物，以及汽车排气、烟草燃烟、硫酸盐等固体微粒，直径为0.01～1μm。

③灰（ash）——如煤、木材燃烧过程中产生的硅酸盐等固体微粒，直径为1～200μm。

④烟尘（熏烟，smoke）——如煤燃烧时产生的固体炭粒、水、焦油状物质及不完全燃烧的灰分所形成的混合物，如果煤烟中失去了液态颗粒，即成为烟炭。

⑤雾（fog）——水蒸气冷凝生成的颗粒小水滴或冰晶，呈液态，颗粒直径为2～200μm。 　

⑥霭（mist）——与雾相似，液态，气象学上称轻雾，水平视程在1～2km之内，使大气呈灰色，颗粒直径大于10μm。

⑦霾（haze）——颗粒直径0.1μm左右，是由干的尘或盐粒悬浮于大气中形成的固体颗粒，使大气浑浊呈浅蓝色或微黄色，水平视程小于2km。

⑧烟雾（smog）——0.001～2μm的固体，现泛指各种妨碍视程（能见度低于2km）的大气污染现象。光化学烟雾产生的颗粒物粒径常小于0.5μm，使大气呈淡褐色。

3.1.2.2　按监测粒径来分

①总悬浮颗粒物（total suspended particulate，TSP）　指用标准大容量颗粒采样器采样，在滤膜上所收集的颗粒物的总质量，是大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。

②飘尘和降尘　长期飘浮在大气中，颗粒直径小于10μm的悬浮物称为飘尘（airborne particle）；粒径大于10μm，由于自身的重力作用而很快沉降下来的微粒称为降尘（dust fall）。

③可吸入颗粒物（inhalable particulate，IP）　指易于通过呼吸过程进入呼吸道的粒子，粒径小于等于10μm。

3.1.2.3　按形状分类^［7-9］

颗粒形状有球状、立方形状、角锥状、圆角状、片状、针状、纤维状、柱状、不规则状等，见图3-2^［9］。这些形状除完全对称的球状、立方形状、柱状等可测量以外，其他形状难以量化。大气颗粒物形貌电镜放大图见图3-3。

3.1.2.4　按物理化学性质分类

根据粉尘的润湿性、黏性、燃烧爆炸性、导电性、流动性等可区分不同属性的粉尘。

①按粉尘的润湿性分为：润湿角小于90°的亲水性粉尘和润湿角大于90°的疏水性粉尘。

②按粉尘的黏性分为：拉断力小于60Pa的不黏尘，拉断力60～300Pa的微黏尘，拉断力300～600Pa的中黏尘，拉断力大于600Pa的强黏尘。

③按粉尘燃烧爆炸性分为：易燃易爆粉尘和一般粉尘。

④按粉尘流动性可分为：安息角小于30°的流动性好的粉尘，安息角为30°～45°的流动性中等的粉尘及安息角大于45°的流动性差的粉尘。

⑤按粉尘的导电性和静电除尘的难易分为：电阻率大于10¹¹Ω·cm的高比电阻粉尘，电阻率为10⁴～10¹¹Ω·cm的中比电阻粉尘，电阻率小于10⁴Ω·cm的低比电阻粉尘。

3.1.3　大气颗粒物的汇集

大气颗粒物有天然来源和人为来源之分。天然来源的大气颗粒物有一次颗粒物、二次颗粒物，人为来源的有燃料燃烧过程中产生的固体颗粒物、各种工业生产过程中排放的微粒、汽车尾气排出的卤化铅凝聚而形成的颗粒物和SO₂在一定条件下转化为硫酸盐粒子等的二次颗粒物。这些颗粒物在大气中都会有汇集现象。大气颗粒物的汇集有干沉降和湿沉降^［6］。

（1）干沉降　干沉降是指颗粒物通过重力作用或与其他物体碰撞后发生的沉降。干沉降对粒径小于1μm的颗粒物去除率较高。

①重力沉降　重力对颗粒物的作用。沉降的速率与颗粒的粒径、密度、空气运动黏滞系数等有关。粒子的沉降速率可应用斯托克斯定律求出：

v=（ρ-ρ₀）gd²/（1.8η）　　 （3-1）

式中，v为沉降速率；g为重力加速度；d为粒子直径；ρ和ρ₀分别为颗粒及空气的密度；η为空气的黏度，Pa·s。粒径和密度愈大，则沉降速率也愈大。

②布朗运动　粒径小于0.1μm的颗粒靠布朗运动扩散、互相碰撞而凝集成较大的颗粒，通过大气湍流扩散到地面或通过碰撞而消除。

（2）湿沉降　指通过降雨、下雪使颗粒物消除的过程。存在雨除和冲刷两种机制，对粒径为4～5μm的颗粒物去除率较高。