1、可吸入颗粒物研究现状及发展综述可吸入颗粒物研究现状及发展综述吕建皴可吸入颗粒物研究现状及发展综述ReviewofStudyonInhalableParticulateMatters吕建麦炎李定凯(清华大学热能动力工程和热科学重点实验室北京 100084)摘要可吸入颗粒物严重影响空气质量和人体健康.人类时可吸入颗粒物的研究已经取得了相当多的成果.对其来源,组分及形成等都有了一定的认识.本文详细的综述了这部分内容,并时可吸入颗粒物的采样,分离和分析方法都做了介绍.更深层的认识可吸入颗粒物的生成机理和脱除手段是以后努力研究的方向.关键词可吸入颗粒物源解析形成机理采样分离检测AbsactInhalab
2、leparticulatematters【IP)bringadverseinfluenceonambientairandhumanhealth.WehavegotquiteafewstudyfruitonIP-andinsomeextenthaveknownthesources.theconstituents.theformationprocessof,heII.Fhesecontentaresummarizeddetailcdlyinthispaper.andthesampling.partition.analysiswaysofItarcalsoinlroduced.Thesub 一,-q
3、uentstudyorientation011IIistOdeveloptheformationmechanismand,heremovalmeans.KeywordstnhalabteParticulateMatterSourceAssortationFormationMechanismSamplingPartitionAnalysis随着人类的繁衍生息和科技发展,空气的质量受到了严重的破坏.对大气中颗粒物用分离器进行测量研究表明.颗粒的粒径范围为 1rimlO0m,跨越 5 个数量级.而其中的可吸入颗粒物由于其较大的数量和表面积,不仅影响大气的能见度,产生大气光化学烟雾,加剧温室效应.而且
4、危害人体的健康.提高致病率和死亡率“:.由于可吸入颗粒物的巨大危害,目前人类已开始对其进行研究,以其改善人类的生存环境.1 颗粒物的形态及分类“颗粒物(PM)“ 是指存在于周围空气中的,具有很宽粒径分布的液体或固体的分散粒子.是由不同大小,不同成分以及不同特性的颗粒组成的混合物,有些是液体状的.有些是固体状的.还有些是液体包裹固体内核形成的颗粒物包括有无机盐离子,金属化合物,元素碳以及地壳元素化合物等.有些颗粒物是吸湿的,或是水溶性的.颗粒物的有机成分更复杂.包含有卜百种的有机化合物.收稿日期:2004 一 n 一 2i作者简介:吕建羰(1972 一).男,宁夏中卫人,博士研究生.空气中的颗粒
5、物来自于各种各样的定源和移动源.一次颗粒物是直接 Fh 源排放钊大气中的,二次颗粒物则是由于排放出的气体产物如 SO,()和挥发性的有机化合物在大气中的转化形成的.颗粒物的形成过程包括由源排放出的粒子和由空气中通过化学反应形成的粒子的成核过程,低蒸汽压气体在已有颗粒物 j 二的凝结过程以及颗粒物之问的凝并过程等.因此,任何给定的颗粒物都有来自不同源的细小颗粒物组成.空气动力学直径对颗粒的输运,捕集以及在呼吸道内的沉降都是很重要的.依据颗粒空气动力学直径大小不同以及沉积在人体呼吸系统部位的不同,可将空气中的颗粒物分为总悬浮颗粒(FSP,01OO/lm),可吸入颗粒物(PM.01Olxm)和可入肺
6、颗粒物(PM:.5,0 2.5m).Whitby 等人把大气中的颗粒物分为一类:核态,秘聚态和粗颗粒.核态颗粒指粒径小于 0.1m 的粒子.在体积分布和质量分布中占的很少.积聚态是指 0.12/tm 的粒子.细颗粒包括了核态平积聚态粒予(细颗粒的初始定义为小于 lIII 的粒 f.现在泛指环境保护科学第 31 卷总第 128 期 2005 年 4 月PM!.).大于 1 至 2m 的粒子就是粗颗粒.2 颗粒物的主要污染物及源解析空气中的颗粒物来自于自然源和人为源.自然源包括如火山爆发,火灾,海水喷溅,花粉,孢子,昆虫残骸等形成的漂浮在空气中的颗粒物.人为源包括有固定源和移动源.固定源如化石燃料
7、燃烧,冶炼,建筑扬尘等,移动源包括机动车排气,运输造成的路面扬尘等.对颗粒物进行采样并分析认为,大气中的颗粒物的主要组成物有硫酸盐,硝酸盐,氨,氢离子,元素碳,各种各样的有机化合物以及地壳矿物质等.目前,源解析的主要手段是受体模型.受体模型主要有化学质量平衡模型(CMB),主要组分分析(PCA),正交矩阵分析法(PMI)等.目前 PMF方法应用广泛,已经成功的对泰,两班牙,北京等罔家和地区的大气颗粒物的来源进行了研究,.大气中颗粒物的种类和源分配与季节,地域,气象条件等有很大关系.对北京市的大气中颗粒物采样并进行 PMF 分析.结果认为陔地细颗粒的米源主要有地面扬尘,建筑源,生物质燃烧,二次源
8、,机动车排放的燃煤.析对沿海城市的大气细颗粒分析.则海盐是颗粒物的主要米源之一.对俄亥俄河流域游的大气颗粒物监测发现:细颗粒浓度城区比郊区高.夏天的细颗粒浓度和变化量都比其它季节高,当风向为两风,西北风或西南风时,市区细颗粒物浓度较高.3 可吸入颗粒物的形成机理可吸入颗粒物的新颗粒 m 气相物质成核形成,然后气相物质凝结在已有颗粒卜或f1 两个粒子合并为一个而增大.颗粒的凝结一般发生在较小的颗粒卜,另外,粒子的凝并速率随粒子的增大减小.1 人 1 此,核态粒子能够增大为积聚态粒子,但积聚态粒子却不能变为粗态粒子.成核和凝结过程与饱和牢有很大关系.无论是成核还是凝结.邡要求蒸汽大于其平衡压.当蒸
9、汽浓度大于平衡浓度时.认为是可凝结的可凝结物要么凝结剑已有的颗.要么形成新的颗粒.成核与凝结决定 f 可凝结物顷的肜成逑牢干“已有颗粒的表面或截面面积.一一6 一研究表明“: 核态颗粒是气相物质形成的具有低平衡蒸汽压的凝结物.在大气中.核态颗粒的形成的四个来源:重金属粒子,盐和硝酸盐,有机碳和碳黑重金属粒子,硫酸盐和硝酸盐以及凝结型的有机物的颗粒形成,均包括了均相和非均相的成核过程.成核包括了蒸气和气态前驱体向由蒸气单体组成的聚团转变的一系列可逆的步骤.当达到临界成核尺寸时,形成核态粒子.临界尺寸是指介于初始颗粒稳定并可继续增大和非稳定聚团分散为气相的边界值“.凝结型蒸气的燃烧产物在冷却时会存
10、在新颗粒的成核和表面增长的并行作用.当燃烧产物冷却时.过饱和的蒸气会凝结到已有的颗粒表面或形成新核.对于煤燃烧过程中亚微米级的颗粒的生成,包括了蒸发,成核,凝结,凝并和聚合的过程.超微米级的颗粒.Flagan 认为“. 其形成过程与亚微米颗粒具有明的不同.是 m 煤粒在燃烧过程中在热应力和内部多孔结构中气泡的爆裂下破碎形成主要是残留在焦炭中的无机矿物质羊 1l 外米矿物质 .在破碎和聚合的共同作用下形成超微米级的颗粒4 可吸入颗粒物的采样和分离化石燃料燃烧排放出的颗粒物的采样方式有源标准采样和环境标准采样.日前.对同定源的 PM.的测量一般采用源标准采样方式进行采样,对于移动源排放的 PM.用
11、环境标准采样方式采样.对化石燃料燃烧排放出的颗粒可分为过滤型颗粒币凝结型颗粒两种.一般来说,过滤型颗粒可以被过滤器捕集.但凝结型颗粒是在离开排 4q 口以后才会凝结为液体或固体颗粒,它通常会通过过滤器 m 必须在过滤器的下游没计有冷却作用的撞击器才可以捕获这部分颗粒在一般情况下却忽略了.但实验让明“.凝结型颗粒在燃煤锅炉的排 J 中占到了 PM 的 76.在燃油锅炉排 4q 中也占剑了(j.n1 此可见.凝结型颚粒物在化石燃料燃烧排放的颗粒物【f】其份额决不能忽略.源示准采样的最普遍方式就是 EI)A 的 l7 方法干202 方法.见网 l 所示“.在 17 方法中.I【体或液体颗粒在排娴门
12、m 度(约 12(1】6(】)I,1j 集钊过滤器卜 .避免_r 水分乖酸件气溶胶的凝可吸入颗粒物研究现状及发展综述吕建娥结.这种方法测量的是一次颗粒物中的过滤型颗粒.202 法是用来测量凝结型颗粒的.在过滤器的下游设置了冷却器,将气体的温度降低到 152O,使得蒸气凝结,凝结物被撞击器捕获.另外,源标准采样方式 x-次颗粒物的前驱体也适用 ,对N0,与 S0:可以用连续气体分析系统来测量.S0 可以先通过高温过滤器以除去固体颗粒,然后冷却至硫酸露点以下,随后用滤料捕集凝结的酸雾.氨气可以用酸性撞击器捕获再用离子色谱仪进行分析.对于气相有机化合物通常先利用吸附剂吸附,随后将其热解吸,再用 GC
13、/MS 分析测量.2332la,粒子撞击器( 臀于烟道内)lb. 预分离器或过滤器(簧于烟道内)2,热电偶 3.采样嘴 4.S 型比托管 5.倾斜式微压计 6.冰浴冷却 7,真空表 8.泵 9.气体流世计 l0.过滤器图 la)EPA17 方法采样系统(b)El:202 方法采样系统源标准方法由于忽略了凝结型颗粒物从而低估了源对环境颗粒物的贡献.环境标准采样方法是先稀释排出的气体,然后采样,分析.如果稀释过程能够很好的模拟 4斟羽的过程 ,则采样的样品就能很好的代表烟羽中的颗粒物.陔方法 n1 于避开了源标准方法的高温,高水分含量和高的污染物浓度,所以可以使用尼龙,特氟龙等滤料,使得系统相对简
14、单.在采样过程中,有时为了对某一类粒子进行分析,需要将其单独分离出米.捕集所有的颗粒物如过滤型,凝结型颗粒.IM,PM 等.可用旋风筒,过滤器或撞击器(如静电低压撞击式颗粒分离器,安德森撞击采样器等);对挥发性有机化合物(V0Cs)可以用吸附剂吸附后再做分析;半挥发性有机化合物(SVOCs),有机碳(0C)/元素碳(EC),离子等采用石英滤料来收集,然后用不同的分析仪器和手段来检测.另外,尼龙,特氟龙滤膜等也是常用的过滤材料.5 可吸入颗粒物的分析为了清楚的了解可吸入颗粒物的形成过程,化学结构和组成,脱除手段等,对可吸人颗粒物采样分离后,要借助于各种技术和设备来对采样样品进行分析.燃烧是可吸入
15、颗粒物的主要来源.为了确定同定源和机动车的化石燃料燃烧排放的颗粒的分子结构和微结构,首先从实验设施或环境空气中取样.然后借助于先进的分析技术进行测量分析.常用的分析技术如下“.“:X 射线吸收微结构光谱仪(XAFS):主要测量金属平硫的微结构:微机控制扫描电予微镜(CCSEM):颗粒粒径分布 ,颗粒形态,化学组成等:透射电子微镜(IEM):核态粒子的结构平 粒径分布;电感耦合等离子体原子发射光谱仪一质潜仪(ICPMS): 测量不同化石燃料排放的颗粒中金属元素及有机物的含量;X 射线荧光法(XRF)和仪器中子活化法(1NAA): 主要元素及微量元素的浓度;气相色谱质谱联用仪(GC/MS):有机化
16、合物的结构;C 核磁共振波谱仪(CNMR):碳的分子结构和碳架结构.通常.根据不同的研究目的会选择不同的分析手段.目前关于颗粒物的检测重点在于颗粒的化学组成,粒径分布,微结构等便于人 f】r 解其形成与脱除机理及对人体危害等方面.6 结束语由于可吸人颗粒物的大危害,人类已经着手对它进行研究.美国在这方面做出的成果要多一些.其它欧美及亚洲国家,澳大利亚等也部已绎出台相应的有关 PM.,甚至 IM 的空气质量标准.并在颗粒物的源解析,组成结构,毒物学,病学,大气输运过程及空气质量模型等方而做 ri|3 多的工作.颗粒物的源解忻结果示.化燃抖的燃烧是大气中细颗粒的主要来源之一对燃烧源颗粒霸噍舻科学第
17、 31 卷总第 128 期 2005 年 4 月物韵产生和脱除的机理进行研究,具有很重大的实_际意义.美国环保署和美国能源部已经组织相关的单位和部门对此进行研究,我国国家重点基础研究规划项目“燃烧源可吸入颗粒物的形成与控制技术基础研究“也已经启动.相信在不久的将来 ,人类为改善自己生存环境而付出的努力会得到相应的回报.参考文献j.Chrlsto/oronCS.Sahn0nLG,HanniganMP,eta1.Trendsinfineparticleconventrv.tionandehemicaIcompositioninsoutherncaliforniaJ3.JournaloftheAir
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