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颗粒物,又称尘。大气中的固体或液体颗粒状物质。颗粒物可分为一次颗粒物和二次颗粒物。一次颗粒物是由天然污染源和人为污染源释放到大气中直接造成污染的颗粒物,例如土壤粒子、海盐粒子、燃烧烟尘等等。二次颗粒物是由大气中某些污染气体组分(如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等)之间,或这些组分与大气中的正常组分(如氧气)之间通过光化学氧化反应、催化氧化反应或其他化学反应转化生成的颗粒物,例如二氧化硫转化生成硫酸盐。

产生来源

煤和石油燃烧产生的一次颗粒物及其转化生成的二次颗粒物曾在世界上造成多次污染事件。
一次颗粒物的天然源产生量每天约4.41×10^6 吨,人为源每天约0.3×10^6 吨。二次颗粒物的天然源产生量每天约.6×10^6吨,人为源每天约0.37×10^6吨。就总量来说,一次颗粒物和二次颗粒物约各占一半。颗粒物大部分是天然源产生的,但局部地区,如人口集中的大城市和工矿区,人为源产生的数量可能较多。从18世纪末期开始,煤的用量不断增多。20世纪50年代以后,工业、交通迅猛发展,人口益发集中,城市更加扩大,燃料消耗量急剧增加,人为原因造成的颗粒物污染日趋严重。

分类

颗粒物分为两类:PM2.5和PM10,前者直径不超过2.5微米,是人类头发直径的1/30,后者则较粗大,当前的欧盟空气质量标准限定,一个人每年吸入的PM2.5最多为每立方米40微克,PM10为每立方米25微克。联合国世界卫生组织的指导原则建议:PM2.5和PM10的年接触量分别为每立方米20微克和每立方米10微克。
对颗粒物尚无统一的分类方法,按尘在重力作用下的沉降特性可分为飘尘和降尘。习惯上分为:
尘粒:较粗的颗粒,粒径大于75微米。
粉尘:粒径为1~75微米的颗粒,一般是由工业生产上的破碎和运转作业所产生。
亚微粉尘:粒径小于1微米的粉尘。
炱:燃烧、升华、冷凝等过程形成的固体颗粒,粒径一般小于1微米。
雾尘:工业生产中的过饱和蒸汽凝结和凝聚、化学反应和液体喷雾所形成的液滴。粒径一般小于 10微米。由过饱和蒸汽凝结和凝聚而成的液雾也称霾。
烟:由固体微粒和液滴所组成的非均匀系,包括雾尘和炱,粒径为0.01~1微米。
化学烟雾:分为硫酸烟雾和光化学烟雾两种。硫酸烟雾是二氧化硫或其他硫化物、未燃烧的煤尘和高浓度的雾尘混合后起化学作用所产生,也称伦敦型烟雾。光化学烟雾是汽车废气中的碳氢化合物和氮氧化物通过光化学反应所形成,光化学烟雾也称洛杉矶型烟雾
煤烟:煤不完全燃烧产生的炭粒或燃烧过程中产生的飞灰,粒径为0.01~1微米。
煤尘:烟道气所带出的未燃烧煤粒。
粉尘由于粒径不同,在重力作用下,沉降特性也不同,如粒径小于10微米的颗粒可以长期飘浮在空中,称为飘尘,其中10~0.25微米的又称为云尘,小于0.1微米的称为浮尘。而粒径大于10微米的颗粒,则能较快地沉降,因此称为降尘。

三模态

1978年,Whitby将颗粒物粒径分为三模态:核模nucleation(0.002-0.1μm),积聚模accumulation(0.1-1μm),粗模coarse(>1μm)。其中核模又可分为纯核模pure nucleation(0.002-0.02)和爱根核模Aitken(0.02-0.1),积聚模分为冷凝模condensation(0.1-0.6)和微滴模droplet(0.6-1)。

组成

颗粒物的组成十分复杂,而且变动很大。大致可分为三类:有机成分、水溶性成分和水不溶性成分,后两类主要是无机成分。有机成分含量可高达50%(重量),其中大部分是不溶于苯、结构复杂的有机碳化合物。可溶于苯的有机物通常只占10%以下,其中包括脂肪烃、芳烃、多环芳烃和醇、酮、酸、脂等。有一些多环芳烃对人体有致癌作用,如苯并(a)芘等。可溶于水的成分主要有硫酸盐、硝酸盐、氯化物等,其中硫酸盐含量可高达10%左右。颗粒物中不溶于水的成分主要来源于地壳,它能反映土壤中成土母质的特征,主要由硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾等元素的氧化物组成。其中二氧化硅的含量约占10~40%,此外还有多种微量和痕量的金属元素,有些对人体有害,如汞、铅、镉等。

浓度测定

在标准状态下(即压力760毫米汞柱,温度为273K)气体每单位体积含尘重量(微克或毫克)数称为含尘浓度。测定方法主要有:

重量法

又叫重量浓度法,采用过滤器或其他分离器收集粉尘并称重的方法,是测定含尘量的可靠方法。过滤器可用滤纸、聚苯乙烯的微滤膜等。有多种测定仪器,如静电降尘重量分析仪可测出低达每标准立方米含尘10微克的浓度。若将已知有效表面积的集尘装置放在露天的适当位置,收集足够量的尘粒进行称重,可测定降尘量。

光散射法

激光粉尘仪具有新世纪国际先进水平的新型内置滤膜在线采样器,仪器在连续监测粉尘浓度的同时,可收集到颗粒物,以便对其成份进行分析,并求出质量浓度转换系数K值。可直读粉尘质量浓度(mg/m3),具有PM10、PM5、PM2.5、PM1.0及TSP切割器供选择。仪器采用了强力抽气泵,使其更适合需配备较长采样管的中央空调排气口PM10可吸入颗粒物浓度的检测,和对可吸入尘PM2.5进行监测。
仪器符合工业企业卫生标准(GBZ1-2002)、工作场所有害因素接触限值(GBZ2-2002)标准、卫生部WS/T206-2001《公共场所空气中可吸入颗粒物(PM10)测定法-光散射法》标准、劳动部LD98-1996《空气中粉尘浓度的光散射式测定法》标准以及铁道部TB/T2323-92《铁路作业场所空气中粉尘测定相对质量浓度与质量浓度的转换方法》等行业标准以及卫生部卫法监发[2003] 225号文件发布的《公共场所集中空调通风系统卫生规范》。

浓度规格表比较法

应用较广泛的是M.R.林格曼提出的林格曼煤烟浓度表(见表)。该表是在长14厘米、宽20厘米的各张白纸上描出宽度分别为1.0、2.3、3.7、5.5、10.0毫米的方格黑线图,使矩形白纸板内黑色部分所占的面积大致为 0、20、40、60、80、100%,以此把烟尘浓度区别为6级,分别称为0、1、2、3、4、5度。在标准状态下,1度烟尘浓度相当于0.25克/立方米,2度相当于 0.7克/立方米,3度相当于1.2克/立方米,4度约为2.3克/立方米,5度约为4~5克/立方米。在使用时,将浓度表竖立在与观测者眼睛大致相同的高度上,然后在离开纸板16米、离烟囱40米的地方注视此纸板,与离烟囱口30~45厘米处的烟尘浓度作比较。观测时,观测者应与烟气流向成直角,不可面向太阳光线,烟囱出口的背景上不要有建筑物、山等障碍物。除林格曼煤烟浓度表外,还有其他形式的浓度表和进行浓度比较的测定仪器,如望远镜式煤烟浓度测定仪和烟尘透视筒等。浓度规格表比较法的优点是简便易行,缺点是易产生误差。

光度测定法

用一定强度的光线通过受测气体,或用水洗涤一定量的受测气体,使气体中的尘粒进入水中,然后用一定强度的光线通过含尘水,气体或水中的尘粒就对光线产生反射和散射现象,用光电器件测定透射光或散射光的强度,并与标准的光度比较,即可换算成含尘浓度。

粒子计算法

将已知空气体积中的粉尘沉降在一透明表面上,然后在显微镜下数出尘粒数目,测量结果用每立方厘米内的粒子数表示,必要时可换算成含尘浓度,其换算的近似值为:每立方厘米有500个尘粒,相当于在标准状态下含尘浓度每立方米约2毫克,2000个尘粒约为每立方米10毫克,20000个尘粒约为每立方米100毫克。⑤间接测量法:含尘气流以湍流状态通过测量管,由于粉尘粒子和管内壁之间的摩擦而使尘粒带电,测量电流量,即可根据标准曲线换算出含尘浓度。此外,用热电偶测定尘粒吸收特定光源的辐射热,可间接测出含尘浓度。在离子化室内,测出空气中尘粒对离子流的衰减。此法也可算出含尘浓度。测定下限可到每立方厘米 200个尘粒。

危害

颗粒物中1微米以下的微粒沉降速度慢,在大气中存留时间久,在大气动力作用下能够吹送到很远的地方。所以颗粒物的污染往往波及很大区域,甚至成为全球性的问题。粒径在0.1~1微米的颗粒物,与可见光的波长相近,对可见光有很强的散射作用。这是造成大气能见度降低的主要原因。由二氧化硫和氮氧化物化学转化生成的硫酸和硝酸微粒是造成酸雨的主要原因。大量的颗粒物落在植物叶子上影响植物生长,落在建筑物和衣服上能起沾污和腐蚀作用。粒径在 3.5微米以下的颗粒物,能被吸入人的支气管和肺泡中并沉积下来,引起或加重呼吸系统的疾病。大气中大量的颗粒物,干扰太阳和地面的辐射,从而对地区性甚至全球性的气候发生影响。
来自欧洲的一项研究称,长期接触空气中的污染颗粒会增加患肺癌的风险,即使颗粒浓度低于法律上限也是如此。另一项报告称,这些颗粒或其他空气污染物短期内还会浓度上升,还会增加患心脏病的风险。欧洲流行病学家发现,肺癌与局部地区的空气污染颗粒有明显的关联。
研究人员还发现,即使污染水平短暂升高——类似城市发出雾霾警告的同时,也会使心力衰竭住院或死亡的风险上升2%—3%。这项研究将这些数据应用于美国,发现如果每立方米空气中的PM2.5减少3.9微克,每年就可以避免近8000 例心力衰竭导致的住院治疗。

清除

大气中的颗粒物可以通过以下三种途径得到自然清除:①雨除(作为凝结核形成雨滴而降落)和降水冲刷。这是最有效的清除途径。②在大气动力作用下由于撞击而被捕获在地面、植物或其他物体表面上。③由于本身重量而自然沉降。
一次颗粒物排放的控制主要是采用除尘器。对二次颗粒物则只能控制其前身物质。二次颗粒物的形成和变化规律是环境科学的重大研究课题之一。
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- 来自原声例句
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