颗粒物

自然物体

颗粒物，又称尘，气溶胶体系中均匀分散的各种固体或液体微粒。颗粒物可分为一次颗粒物和二次颗粒物。一次颗粒物是由直接污染源释放到大气中造成污染的颗粒物，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

当前已引起人们重视的颗粒物分为两类：PM2.5（细颗粒物，此处的“细”取汉字的第一个含义：颗粒小的，与“粗”相对）和PM10（可吸入颗粒物），前者直径不超过2.5微米，是人类头发直径的，后者则较粗大，当前的欧盟空气质量标准限定，PM2.5的年平均值最多为25微克每立方米，PM10为40微克每立方米。联合国世界卫生组织的指导原则建议：PM2.5和PM10的年平均值分别为10微克每立方米和20微克每立方米。

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：

①尘粒：较粗的颗粒，粒径大于75微米。

②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。

③亚微粉尘：粒径小于1微米的粉尘。

④炱（tai）：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。

⑤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。

⑥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。

⑦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。

⑧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。

⑨煤尘：烟道气所带出的未燃烧煤粒。

区别：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

Whitby等人依据大气颗粒物按表面积与粒径分布的关系得到了三种不同类型的粒度模，并用它来解释大气颗粒物的来源和归宿。按这个模型，可把大气颗粒物表示成三种模结构，即Aitken模（<0.05μm）、积聚模（0.05μm<<2μm）和粗粒子模（>2μm）。

化学组成

颗粒物的组成十分复杂，其中与人类活动密切相关的成分主要包括离子成分（以硫酸及硫酸盐颗粒物和硝酸及硝酸盐颗粒物为代表）、痕量元素（包括重金属和稀有金属等）和有机成分。按照组成，可将大气颗粒物划分为两大类，只含有无机成分的颗粒物叫做无机颗粒物。含有有机成分的叫做有机颗粒物。

无机颗粒物的成分是由颗粒物的形成过程决定的。天然来源主要是所属地区的土壤粒子：火山灰，除主要由硅、氧组成的岩石粉末外，还含有锰、铁和锌等金属元素的化合物；海盐溅沫所释放的氯化钠、硫酸盐等颗粒。人为来源主要是燃煤发电厂排放的大量烟尘以及铍、镍、钒等的化合物；市政焚烧炉排放的砷、铍、镉、铬、铜、铁、汞、镁、锰、镍、铅、锑、钛、钒和锌的化合物；汽车尾气中含有大量铅等。

有机颗粒物是指大气中的有机物质凝聚而形成的颗粒物，或有机物质吸附在其他颗粒物上而形成的颗粒物，大气颗粒污染物主要是这些有毒有害的有机颗粒物。有机颗粒物种类繁多，结构极其复杂。已检测到的主要有烷烃、烯烃、芳香烃和多环芳烃等多种烃类。另外还有少量的亚硝胺、氮杂环类、环酮、酮类、酚类和有机酸等。有机颗粒物多数是由气态一次污染物通过凝聚过程转化而来，它们的粒径一般都比较小，属于Aitken核膜或积聚模。

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：

①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。

②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》。

③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。

④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。

⑤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。

治理技术

《大气污染防治先进技术汇编》涵盖电站锅炉烟气排放控制、工业锅炉及炉窑烟气排放控制、典型有毒有害工业废气净化、机动车尾气排放控制、居室及公共场所典型空气污染物净化、柏美迪康环保科技（上海）有限公司的无组织排放源控制、大气复合污染监测模拟与决策支持、清洁生产等八个领域的关键技术，入选技术大多源于“十一五”以来相关国家科技计划项目或自主创新的研究成果。

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消除

大气中颗粒物的消除与颗粒物的粒度、化学性质密切相关，一般有以下两种消除方法：

1、干沉降：指颗粒物在重力作用下沉降，或与其他物体碰撞后发生的沉降。这种沉降存在着两种机制。一种是通过重力对颗粒物的作用，使其降落在土壤、水体的表面或植物、建筑物等物体上，粒径越大，沉降速率越大。另一种沉降机制是粒径小于0.1μm的颗粒，即Aitken粒子，它们靠Brown运动扩散，相互碰撞而凝聚成较大的颗粒，通过大气湍流扩散到地面或碰撞而去除。

2、湿沉降：指通过降雨、降雪等使颗粒物从大气中去除的过程，它是去除大气颗粒物和痕量气态污染物的有效方法。分为两种机制，包括雨除和冲刷。雨除是指一些颗粒物可作为形成云的凝结核，成为云滴的中心，通过凝结过程和碰撞过程使其增大为雨滴，进一步长大而形成雨降落到地面，颗粒物也随之从大气中被去除。雨除对半径小于1μm的颗粒物的去除效率较高，特别是具有吸湿性和可溶性的颗粒物更明显。冲刷则是降雨时在云下面的颗粒物与降下来的雨滴发生惯性碰撞或扩散、吸附的过程，从而使颗粒物去除。冲刷则主要针对半径为4μm以上的颗粒物。

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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