1.2　PM_2.5的分类、组成与性质

颗粒物都是成分复杂的混合物，但其来源各不相同因而化学组分有很大的区别。粗颗粒物主要成分是无机类物质，与产生它的矿物、土壤、材料等的成分相近；细颗粒物则可由硫酸盐、硝酸盐、铵盐、氢离子、EC、重金属、有机物及微生物等组成。

1.2.1　PM_2.5的分类

细颗粒物有按来源和按形成方式两种分类方法。

1.2.1.1　按来源分

细颗粒物按来源分有自然源和人为源^{［9，10，12］}。

（1）自然源　细颗粒物是由海洋释放的飞沫、火山活动排放的硫酸盐、沙尘中的多种元素（Al、Si、Ca、Fe、Ti、Mn等）、地面扬尘、生物质燃烧（如森林大火）释放的有机碳（OC）和元素碳（EC），以及病毒、细菌等生物气溶胶等自然因素产生的。

（2）人为源　主要是由工农业生产及人类其他活动排放产生的，如：化工石油燃料燃烧产生的硫酸盐；金属冶炼、机械加工、各种机动车辆废气排放，磨削、喷漆、采矿、印染、制药、农药制造等工业生产活动，电解、电气焊、电镀等过程排放的Fe、Pb、V、Zn、Cu、Ni等金属元素；人为活动扬尘（包括铺装和未铺装道路、修路扬尘，建筑工地施工扬尘），垃圾、固体废物焚烧，农业、林业、城市拆迁排放的地壳元素（Al、Si、Ca、Ti、Fe、Mn等），秸秆、木柴燃烧及烹饪、家庭柴草燃烧、烧烤等活动释放的OC和EC，人为活动释放形成的生物气溶胶。

表1-2为大气颗粒物化学组分的主要来源，包括一次颗粒物和二次颗粒物的来源以及自然源和人为源。

研究表明，工业性城市中燃料燃烧和生产过程产生的颗粒物占城市大气中颗粒物的绝大多数。 在工业固定颗粒物排放源中，工业燃煤、煅烧和粉碎工艺过程产生的颗粒物对大气环境中的总悬浮颗粒物贡献最大^［10］。

人为源又可进一步分为固定源、面源和流动源^［9］。

①固定源主要指电厂、供热系统、工业烟囱排放。

②面源主要指露天火灾、扬尘、烹饪、燃料与溶剂挥发等广泛散布的大量小污染源。

③流动源指沿着一定路线移动的排放源，主要产生烟尘、烃类化合物、NO_x、金属尘埃等，是城市大气环境恶化的主要原因。包括：a.地面流动源类，如火车排放源（包括蒸汽机车、内燃机车、电气火车）、机动车排放源类（大、中、小型客车，大、中、小型货车，特种车和摩托车等）；b.空中流动源（大、中、小型民用及军用飞机等）；c.水上流动源（大、中、小型民用及军用船只等）。

其中机动车排放污染现状如下^{［10，15］}。

机动车保有量快速增长，年统计汽油车占总机动车的81.3%，柴油车占17.7%，燃气车占1.0%，预计全国机动车保有量年均增长率为12%。机动车保有量的迅速增长，交通运输能源消耗量的连年攀升，造成机动车排放污染日益严重。机动车尾气排放物包括NO_x、CO、HC和PM（颗粒物）。其中，载客汽车排放量明显高于载货汽车，汽油汽车明显高于柴油汽车；汽车排放NO_x和PM超过总量的90%。监测结果显示，很多大中城市的空气污染已呈现出煤烟型和汽车尾气复合型污染的特点，使大气污染的治理难度进一步加大。我国一些地区酸雨、灰霾和光化学烟雾等区域型大气污染问题频繁发生，这些都与机动车排放的NO_x、细颗粒物等污染物有直接关系。

1.2.1.2　按形成方式分

PM_2.5按形成方式分为一次排放源和二次转化源，其中二次转化源是PM_2.5的一个重要来源^{［13，14］}。

（1）一次排放源　指一次污染物或由固定源、流动源排放出的其他物质，在大气中通过物理或化学反应而生成的污染物，以及直接以颗粒形态排出的组分和在高温下以气态形式排出、在环境中冷凝成的颗粒组分，如有机碳、粉尘等。

（2）二次转化源　特指将环境空气中的气态污染物转化生成颗粒物质的源类，如二次有机碳、硫酸盐、硝酸盐等。二次转化源是PM_2.5最重要的来源，是指大气中的气态前体物SO₂、NO_x、NH₃、VOCs等通过大气化学反应生成二次颗粒物，实现由气体到颗粒的相态转换。二次转化源前体物排放源类的识别见表1-3。

1.2.2　PM_2.5的化学组成

PM_2.5的主要化学组分包括有机碳、元素碳、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、地质尘物质、氯化钠和液态水^{［13，16，17］}。

（1）有机碳　主要是由燃煤、化石燃料燃烧、机动车尾气、道路扬尘、居民和农业燃烧、生物质燃烧、肉类烧烤、花粉等产生的，颗粒物有机碳包含数百种甚至上千种不同组分^［18］。

（2）元素碳　通常由柴油机动车尾气排放、焦油、生物质和焦炭不完全燃烧形成。元素碳含有纯的石墨炭、非挥发性有机物质等。元素碳是黑色，亦称黑炭，如焦油、生物质和焦炭。

（3）地质尘　也称为矿物尘或土壤尘，颗粒物中的地质尘物质主要为Al、Si、Ca、Ti、Fe的氧化物及其他金属氧化物。地质尘质量浓度占到我国城市PM_2.5质量浓度的20%左右。除沙尘和道路扬尘之外，工业过程如炼钢、冶金、采矿和水泥生产等也是重要的地质尘来源。

（4）硫酸盐、硝酸盐　硫酸铵［（NH₄）₂SO₄］和硫酸氢铵（NH₄HSO₄）等是PM_2.5中常见的硫酸盐组分，主要由空气中SO₂气体转化形成；海滨地区可以发现Na₂SO₄；硝酸铵（NH₄NO₃）是常见的硝酸盐成分，主要由空气中氮氧化物经过自由基氧化或通过液相反应转化形成的气态或液态HNO₃，与环境空气中的气体如NH₃或颗粒物等反应后形成。由于反应是可逆的，随着环境温度和相对湿度的变化，NH₄NO₃颗粒也容易挥发。图1-1为2012年我国14个城市PM_2.5的平均化学组成。可以看出，我国PM_2.5的化学组成中，有机物、地质尘和硫酸盐所占比例较大，与欧美发达国家的PM_2.5化学组成明显不同^［9，18］。

（5）生物质　PM_2.5颗粒中的生物质是指其颗粒中含有的微生物粒子和花粉、孢子等活性成分。PM_2.5颗粒是各类微生物的载体，这些微生物有细菌、病毒、放线菌、真菌、藻类、原生动物等。PM_2.5颗粒中生物粒子的粒径范围很宽，其生物组分来源于被风吹起的地面尘土、小水滴、人或动物体表的脱落物、呼吸道分泌物和排泄物等。空气中的花粉和孢子容易导致呼吸道疾病和皮肤过敏症。空气中的微生物是呼吸道病原菌和物品霉腐微生物的传染源。微生物对文物的腐蚀主要依靠自身分泌的各种酶实现，微生物酶具有很强的催化功能，可形成生物催化剂，破坏有机质文物。

1.2.3　PM_2.5的物理性质

PM_2.5的主要物理性质包括浓度、粒径大小及分布、比表面积、吸湿性、光学特性。在此简要介绍颗粒粒径大小、分布及比表面积和吸湿性。

（1）颗粒粒径大小、分布及比表面积　粒径大小、分布直接影响颗粒表面积的大小，粒径越小，表面积越大；粒径分布的宽窄也同时影响颗粒间相互接触的多少；颗粒表面积与其体积之比称为比表面积，间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力作用的相对大小。相对于大颗粒，PM_2.5或更细小的粒子（如纳米颗粒物）具有更大的比表面积。由于具有大的比表面积，粒子会更活跃地参与各类气体分子与液态或固态粒子之间的相互作用，并更容易形成结构和成分更复杂的混合粒子，对健康和气候研究具有重要意义。

（2）吸湿性　吸湿性是指在环境空气相对湿度增加情况下颗粒物的吸水性能^［19］。颗粒的吸湿性能够反映其物理和化学性质。吸湿性对颗粒物特性的影响主要有：

①吸湿性会改变颗粒物表面的非均相反应速率，影响其周围气相物质的去除和引起大气微量成分的改变，如环境空气中硫酸盐形成过程中的液相转化机制，即在吸湿性颗粒物表面，有金属催化氧化下，空气中的SO₂转化成硫酸盐。

②具有吸湿性的颗粒物含有吸收水分的组分，随着相对湿度增加颗粒粒径增大，导致颗粒物散射效率呈非线性增加，从而造成消光系数也呈非线性增大。在高湿度（相对湿度>90%）的情况下影响更明显，这是发生雾霾和能见度降低的主要原因。

③吸湿性颗粒物是大气中云凝结核的重要来源，颗粒物的吸湿性越强，越易形成云凝结核并促进大气降水发生；颗粒物中吸湿性较强的组分主要是致酸性成分，颗粒物的吸湿性会影响降水的酸性。PM_2.5中不同成分的吸湿性也明显不同，如硫酸盐和硝酸盐颗粒物的吸湿性很强，而地质尘颗粒物的吸湿性差。