第3章　大氣中細顆粒物及測定

3.1　大氣顆粒物

大氣顆粒物的許多重要性質（如體積、質量和沉降速度等）都與粒子來源、大小等有關。不同粒徑的大氣顆粒物的來源及理化特征存在明顯差別，為準確的反映大氣現狀，了解和準確測定大氣顆粒物十分重要。

3.1.1　大氣顆粒物的來源

（1）大氣顆粒物的主要來源　1999年，M.Lazarridis對大氣顆粒物的主要來源（包括一次顆粒物與二次顆粒物的來源以及自然源與人為源）、化學組分進行了成分分析^［1，2］ （表3-1）。

由表3-1可知，我國大氣顆粒物來源復雜，對主要污染源進行識別和定量，是制定城市空氣質量改善措施的基礎。2000年以來，我國對近30個城市大氣可吸入顆粒物PM₁₀進行源解析研究，結果表明我國大氣顆粒物PM₁₀主要來自六類源：揚塵（土壤塵、道路塵、建筑塵），燃煤，工業排放，機動車排放，生物質燃燒，SO₂、NO_x、VOCs氧化產生的二次顆粒物。

（2）大氣顆粒物的粒徑范圍^［3，4］　大氣中各種顆粒物的粒徑范圍見圖3-1。

（3）二次顆粒物組成的重要影響^{［2，4，5］}　從氣態前體物經過核化成新生成的粒子（納米級粒子）和非均相轉化成積聚模態粒子，二次顆粒物在大氣中存在壽命長，可以傳輸幾百至上千公里。將局部問題演變為區域問題；使城市和周邊聯系起來；二次顆粒物所在的粒徑及其吸濕性，對能見度的下降貢獻大，造成區域性灰霾；給城市和區域大氣污染監測、預報和控制帶來新的挑戰。

大氣細粒子PM_2.5作為區域大氣復合污染的核心污染物，對大氣污染監測也提出了要求和挑戰。

3.1.2　大氣顆粒物的分類

3.1.2.1　按粒子來源與狀態來分^［4，6］

大氣顆粒物有：機械粉碎生成的固體微粒，揚塵形成的粉塵；燃燒過程中產生的不燃性微粒，如汽車尾氣、煙草燃煙；煤及含碳物燃燒時產生的飛灰、煙塵、煙霧等。

大氣顆粒物按粒子來源可分為下列幾類：

①粉塵（微塵，dust）——包括機械粉碎的固體微粒、風吹揚塵、風沙顆粒、直徑在100μm左右的固體微粒。

②煙（煙氣，fume）——由熔融及化學反應、升華、蒸餾等產生的蒸氣凝結而成的固體顆粒。如熔融金屬凝結的金屬氧化物，以及汽車排氣、煙草燃煙、硫酸鹽等固體微粒，直徑為0.01～1μm。

③灰（ash）——如煤、木材燃燒過程中產生的硅酸鹽等固體微粒，直徑為1～200μm。

④煙塵（熏煙，smoke）——如煤燃燒時產生的固體炭粒、水、焦油狀物質及不完全燃燒的灰分所形成的混合物，如果煤煙中失去了液態顆粒，即成為煙炭。

⑤霧（fog）——水蒸氣冷凝生成的顆粒小水滴或冰晶，呈液態，顆粒直徑為2～200μm。 　

⑥靄（mist）——與霧相似，液態，氣象學上稱輕霧，水平視程在1～2km之內，使大氣呈灰色，顆粒直徑大于10μm。

⑦霾（haze）——顆粒直徑0.1μm左右，是由干的塵或鹽粒懸浮于大氣中形成的固體顆粒，使大氣渾濁呈淺藍色或微黃色，水平視程小于2km。

⑧煙霧（smog）——0.001～2μm的固體，現泛指各種妨礙視程（能見度低于2km）的大氣污染現象。光化學煙霧產生的顆粒物粒徑常小于0.5μm，使大氣呈淡褐色。

3.1.2.2　按監測粒徑來分

①總懸浮顆粒物（total suspended particulate，TSP）　指用標準大容量顆粒采樣器采樣，在濾膜上所收集的顆粒物的總質量，是大氣質量評價中的一個通用的重要污染指標。

②飄塵和降塵　長期飄浮在大氣中，顆粒直徑小于10μm的懸浮物稱為飄塵（airborne particle）；粒徑大于10μm，由于自身的重力作用而很快沉降下來的微粒稱為降塵（dust fall）。

③可吸入顆粒物（inhalable particulate，IP）　指易于通過呼吸過程進入呼吸道的粒子，粒徑小于等于10μm。

3.1.2.3　按形狀分類^［7-9］

顆粒形狀有球狀、立方形狀、角錐狀、圓角狀、片狀、針狀、纖維狀、柱狀、不規則狀等，見圖3-2^［9］。這些形狀除完全對稱的球狀、立方形狀、柱狀等可測量以外，其他形狀難以量化。大氣顆粒物形貌電鏡放大圖見圖3-3。

3.1.2.4　按物理化學性質分類

根據粉塵的潤濕性、黏性、燃燒爆炸性、導電性、流動性等可區分不同屬性的粉塵。

①按粉塵的潤濕性分為：潤濕角小于90°的親水性粉塵和潤濕角大于90°的疏水性粉塵。

②按粉塵的黏性分為：拉斷力小于60Pa的不黏塵，拉斷力60～300Pa的微黏塵，拉斷力300～600Pa的中黏塵，拉斷力大于600Pa的強黏塵。

③按粉塵燃燒爆炸性分為：易燃易爆粉塵和一般粉塵。

④按粉塵流動性可分為：安息角小于30°的流動性好的粉塵，安息角為30°～45°的流動性中等的粉塵及安息角大于45°的流動性差的粉塵。

⑤按粉塵的導電性和靜電除塵的難易分為：電阻率大于10¹¹Ω·cm的高比電阻粉塵，電阻率為10⁴～10¹¹Ω·cm的中比電阻粉塵，電阻率小于10⁴Ω·cm的低比電阻粉塵。

3.1.3　大氣顆粒物的匯集

大氣顆粒物有天然來源和人為來源之分。天然來源的大氣顆粒物有一次顆粒物、二次顆粒物，人為來源的有燃料燃燒過程中產生的固體顆粒物、各種工業生產過程中排放的微粒、汽車尾氣排出的鹵化鉛凝聚而形成的顆粒物和SO₂在一定條件下轉化為硫酸鹽粒子等的二次顆粒物。這些顆粒物在大氣中都會有匯集現象。大氣顆粒物的匯集有干沉降和濕沉降^［6］。

（1）干沉降　干沉降是指顆粒物通過重力作用或與其他物體碰撞后發生的沉降。干沉降對粒徑小于1μm的顆粒物去除率較高。

①重力沉降　重力對顆粒物的作用。沉降的速率與顆粒的粒徑、密度、空氣運動黏滯系數等有關。粒子的沉降速率可應用斯托克斯定律求出：

v=（ρ-ρ₀）gd²/（1.8η）　　 （3-1）

式中，v為沉降速率；g為重力加速度；d為粒子直徑；ρ和ρ₀分別為顆粒及空氣的密度；η為空氣的黏度，Pa·s。粒徑和密度愈大，則沉降速率也愈大。

②布朗運動　粒徑小于0.1μm的顆粒靠布朗運動擴散、互相碰撞而凝集成較大的顆粒，通過大氣湍流擴散到地面或通過碰撞而消除。

（2）濕沉降　指通過降雨、下雪使顆粒物消除的過程。存在雨除和沖刷兩種機制，對粒徑為4～5μm的顆粒物去除率較高。