环境工程技术与应用（研究生）全册配套完整课件3

环境工程技术与应用（研究生）全册配套完整课件3现代污染控制理论与技术第三篇大气污染控制理论与技术主要内容气溶胶基本理论01大气污染物控制实例以电厂为例0201气溶胶基本理论参考书目：1、《气溶胶科学引论》，卢正永2、《现代除尘理论与技术》，向晓东气溶胶(aerosols)任何物质的固体微粒或（和）液体微粒悬浮于气体介质（通常指空气）中所形成的，具有特定运动规律的整个分散体系。包括两个部分组成：其一，被悬浮的微粒物，称为分散相；

其二，承载微粒物的气体，称为分散介质。微粒物悬浮于气体或液体分散介质中时，将受到气体或液体介质粘滞力的作用，具有一定的稳定性，此时的粒子类似于“溶胶”状。简单的说，悬浮于空气中的微粒物。可以是固态，也可以是液态，更多的则是固态和液态两者的混合物。1.1基本概念气溶胶的来源大气气溶胶的来源复杂，按照产生的过程分为自然源和人为源。自然源主要来自于洋面气泡的破裂、土壤的风蚀、生物的孢子花粉以及火山爆发、森林火灾等。人为源主要来自化石燃料燃烧、工农业生产活动等；人为排放气态污染物在一定条件下的气－粒转化过程也是大气气溶胶的一个重要来源。粉尘（dust）：悬浮于空气中的固体微粒最为通常的一种气溶胶。通常由粉碎、碾磨、爆破等各种机械作用形成。一般来说粒径都较大（1~100μm）。在静态空气条件下，一般没有再悬浮，粉尘在空气中的停留时间不长。烟（smoke）：有机性的可燃物质由不完全燃烧而形成的固体粒子云，粒径一般较小，约在1μm以下。在空气中沉降很慢或基本不沉降，在空气中停留时间长。飞灰（flyash）：有机物燃烧的残留物中的细微颗粒形成的气溶胶，粒径一般在10μm以下，它们总是随烟一起弥散于大气之中。1.1.1气溶胶的形成与分类烟尘（fume）：非有机物的固体或液体物质在燃烧过程中形成的固体气溶胶通常在金属冶炼、焊接以及液体的蒸发、升华、溶解等过程中形成在都市地区尤其突出雾（fog）由液体（主要指水）喷射、蒸发、雾化、蒸汽冷凝等过程而形成的高浓度的液体气溶胶雾是一种液滴，其形状为球形，粒径小，通常在1μm以下低浓度的微小雾滴均匀分布在空气汇总个，对太阳光发生闪射时会凸显特有的光学现象，即霾（haze）气溶胶的形成与分类烟雾（smog）：烟（包括烟尘）与雾的混合体，是液体气溶胶和固体气溶胶的混合物。是大气污染的主要来源，特别是城市地区大气环境空气质量的主要障碍。气溶胶的形成与分类德林卡和哈奇德粒状污染物分类方法分类名称粒径生成方式固体粒子粉尘1～100破碎、筛分、运输、机械加工、扬尘凝结固体烟雾0.1～1燃烧焊接、金属冶炼、熔解、蒸发、升华、凝聚烟0.001～0.3木材、纸、布、油、煤、香烟等燃烧而形成液体粒子霭1～100蒸汽的凝结、化学反应、液体喷雾等雾5～50水蒸气的凝结按气溶胶动力学性能分类气溶胶的形成与分类名称粒径范围自由分子区过渡区滑动区连续区Kn>1010～0.3<0.3<0.1dp/μm<0.010.01～0.4>0.4>1.3气溶胶的形成与分类按粒径的大小：总悬浮颗粒物(TSP)：用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物。Dp(粒径)在100

m以下，其中多数在10

m以下，是分散在大气中的各种粒子的总称。飘尘：

Dp

＜10

m能在大气中长期飘浮的悬浮物质，如煤烟、烟气、雾等。降尘：能用采样罐采集到的大气颗粒物。在TSP中直径大于30μm的粒子由于自身的重力作用会很快沉降下来，这部分颗粒物称为降尘。可吸入粒子：易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子。目前国际标准化组织(ISO)建议将其定为Dp≤10μm。细粒子：其粒径小于2.5μm，记为：PM2.5中国环境空气质量标准中PM10、PM2.5的相关标准GB3905-2012美国环保局1997年提出、2003年通过了PM2.5国家环境空气质量标准，规定PM2.5的年均浓度和日均浓度限值分别为15和65μg/m3。按颗粒物成因分:

分散性气溶胶：指固态或液态物质经粉碎、喷射形成微小粒子分散在大气中形成的气溶胶，如海浪分溅、农药喷洒等。

凝聚性气溶胶：由气体或蒸汽遇冷凝聚成液态或固态微粒而形成的气溶胶。气溶胶的形成与分类气溶胶浓度气溶胶浓度是指单位空气体积中气溶胶的某一物理量的量值的大小在不同的情况下，相对于不同的物理量则有不同的“浓度”粒子数浓度（l/m3）：单位空气体积中气溶胶粒子数质量浓度（kg/m3)：单位空气体积中气溶胶粒子的质量量活度浓度（Bq/m3）：放射性活度用所关注的某些特定物质（例如各种化学有毒物质）和微量元素（例如砷、硅等）的含量表征浓度值。泛泛地说气溶胶溶度没有意义，必须指出是什么浓度气溶胶的表征量气溶胶的粒度单分散度气溶胶多分散度气溶胶：不同粒径大小，且具有一定分布规律气溶胶的粒度分布：是指气溶胶的某一物理量相对于粒子大小的分布关系指明什么量与粒子大小的关系1.1.2气溶胶的表征量气溶胶研究：（1）气溶胶的形成和产生（2）气溶胶的各种运动规律（3）气溶胶的各种基本技术（采样技术、测量技术、净化技术、通风防尘技术等等）（4）气溶胶的各种效应（生物效应、大气环境影响效应等等）1.1.3气溶胶粒子的粒径分布等效直径定义数学表达式长度径直径在一给定方向上测量平均径在多个方向上测量后取平均投影－周长径有与粒子同样周长的圆的直径投影－面积径有与粒子同样投影面积的圆的直径表面积径有与粒子同样表面积的圆的直径体积径与粒子同体积的球的直径斯托克斯径与粒子同密度和同沉降速度的球的直径1.1.4气溶胶粒子的分形几何特征对于形状不规则的尘粒，如何描述其大小和群体几何特征呢？提出了平均径、等效径、球形度、形状系数等概念，其中等效径用得最普遍。这种等效径是粗糙的，有条件的。例如用空气动力分离机理除尘时，同等密度得球形尘粒比等效体积相同的扁平或条形尘粒易分离；在静电及过滤分离机理中，无论用空气动力径，还是等效体积径，不规则尘粒比接近球形的尘粒易捕集。某种除尘器，其分级效率随产尘的生产工艺不同而不同，即与产尘的物理、化学过程有关。对于多个尘粒凝聚在一起所形成的“松而不散”的链状粉尘团，似乎引入任何概念都失去了效力。用分形几何来描述某一粉尘群的几何特征自相似和分维分形理论简介由分割尺度比为r的

个相似图形构成，指数D称为相似维数Koch曲线的构造由全体缩小1/3的4个相似形构成的：N=4，r=1/3其维数为D=lg4/lg3=1.2618···粉尘的分形几何特征描述某一类粉尘的分形几何特征的前提是：(1)对于凝聚尘，若组成该尘团的颗粒数超过数十个，无论多少，满足近似自相似；(2)对于单一尘，无论大小，满足统计自相似。凝聚尘的分形几何特征:研究者讨论了凝聚尘的某些等效径和分维的关系——迁移率等效径，即其沉降速度与球形尘粒相同的粒径(如Stokes径)，m；——投影等效径，m；——吸附等效径，m；——空气动力等效径，m；——常数。对于单体布朗扩散凝聚，凝聚尘的三维空间分维D=2.10～2.18。粉尘的粒度和形态是除尘技术的主要研究内容之一，而粉尘几乎不存在完全规则的几何形状。为描述粉尘的粒度和形态，人们引入了等效径、形状系数、球形度等概念。这些概念都是与规则球体相比较来定义的，因此，无法反映出粉尘粒子复杂多变的几何特征。粉尘的分形几何特征单一尘的分形几何特征:

p——颗粒周长，m；S——颗粒表面积，m2；——与虽小自相似结构有关的常数；D——周边分维数；DA——表面积分维数。用吸附参数计算分形维数在吸附实验中，当被吸附气体的相对压力在P/P0<0.37范围以内，可以认为气体分子主要在微孔内发生单分子层吸附，其吸附情况能够完全反映固体的表面结构特征。式中，

为相对吸附量，Vm为BET计算得到的单层吸附容积(cc／g)，V为在相对吸附压力P/P0时的N2吸附容积（cc/g）；r＝3－D，D为气体吸附的表面分形维数。粉尘分形几何特征在除尘技术中的应用探讨采用分维可以更科学地描述粉尘的几何特征，主要用于以下几方面:分维数的不同表征了粉尘表面曲折变化的复杂程度。如周边分维Dp或表面积分维DA越大，表示周边越曲折多变或表面积越大；如果二维平面分维DS或三维空间分维D越小，表示粉尘越不规则。引入分维的粉尘粒度分布函数更能从数学上精确严格地反映实际粉尘的分布特征。对于不同类型的粉尘，只要分维数相同，在相同的运行条件下，某种除尘设备对它们的收尘性能相同，这样，就增强了不同除尘设备之间的可比性。周边分维表面积分维二维平面分维三维空间分维各种分维数及变化范围气溶胶粒子的分形几何特征工业生产过程中产生的烟尘和颗粒物具有分形结构，采用传统的颗粒学中的粒度定义是有条件的，分维数能更合理地表示粉尘的几何特征，如粉尘的粒度及分布；对某一类粉尘，因无论大小，满足统计自相似，则整个粉尘群的分维近似为一常数，因此，只要测取若干个(最好不少于20个)大小不同的单一尘的分维，取其平均值即代表整个粉尘群的分维。若有多个尘粒胶结在一起，仍可当单一尘处理，这不会影响其统计结果：在确定粉尘分维时，测量码尺存在一个合理的取值范围，对于凝聚尘，测量码尺

可取单体直径的0.1～1；对于单一尘，

可取颗粒直径

的1／20～1／5；表面积分维DA和三维空间分维D对描述粉尘的几何特征尤为重要在除尘技术中，确定单一尘分维是重要的，但关于单一尘的分形几何特征研究还处在刚起步阶段，所以，在单一尘分维的测试方法上，在不同种类粉尘的最小自相似结构的确定及各类粉尘的分维数数据库的建立等方面有着广泛的研究课题。1.2气溶胶的动力学特性气溶胶动力学特性处于悬浮状态的气载性微粒物质气溶胶粒子使粒子处于悬浮状态的气体介质抑制粒子的随机运动支撑粒子反抗其重力影响，在粒子之间起缓冲衰减作用。气溶胶的动力学特性涉及气载粒子及气体介质两部分的各自特性及其相互间的相关特性1.2.1空气的性质微观：从分子运动学的观点，空气可以被视为由许多被此间处于随机运动的小球（分子)、而在整体上又处于有规律的约束中的一个无限整体所组成在所研究的空气中具有无限大量的气体分子；每个空气分子的大小与其分子间的间距相比是很小的，而且彼此在每次碰撞前一直处于连续的直线运动状态；空气分子是球形，除了弹性碰撞以外彼此间不发生有能量交换的其它相互作用。宏观：从空气动力学的观点，空气可以被视为一种累不有其约束力的、像水一样不可分的连续流体介质。空气的性质摩尔体积：1mol空气在非标准条件下的体积标态下：24.02L分子数及分子间距：在任何温度与压力下，每升空气中的分子数为：n=Va/Vm标态下，1cm3空气中的分子数为2.5×1019分子之间的间距为：△s=（Vm/NA)1/2标态下：△s=3.4×10-7（cm）空气分子的运动速度:各空气分子的运动速度不同，相对于平均速度的分布遵从麦克斯韦尔波厄兹曼分布

算术平均速度：均方根速度已知空气压力p和空气密度ρg，可简化估算式：空气的性质空气的平均动能：20℃时，1μm球形粒子所获得的平均能量为6.07X10-21J空气的平均自由能20℃时，λ=6.95×10-6cm空气的性质空气的粘滞特性：表示气体分子或气溶胶粒子在空气中运动时所受到的粘滞阻力或摩擦阻力动力粘度：代表气体分子动量转移的规律动力粘度与空气温度有关，且随温度的升高而粘滞阻力增大。一般情况下，动力粘度与空气压力无关。气体的动力粘度与温度和压力的关系与液体介质的粘度和温度的关系正好相反。空气的扩散特性:气体分子的扩散运动使得分子从高浓度向低浓度转移。空气分子扩散用扩散系数D表征:空气动力学理论雷诺数从宏观看，空气可以视为一种不可分的，不可压缩而又具有重力的连续流体介质，其运动模式可以用雷诺数Re来表征：Re定义为：物体周围的空气（流体）介质由于加速或减速而引起的惯性力与由于空气（流体）粘滞特性而引起的粘滞摩擦力之比：1/ν

运动粘度Re是一个无量纲参数，其大小直接描述了流体介质（如空气）在一个物体（如气溶胶粒子）周围的流动模式：高Re，说明流动以惯性力为主，此时的流动属于湍流；低Re，说明运动以粘滞力为主，此时的流动属于层流运动；居间的Re，运动呈湍流和层流之间的过渡性不稳定状Re例，估算由1μm的粒子组成的气溶胶在一内径为25cm的管道内以2.5m/s的速度运动时气溶胶流的流动模式空气在管道内运动的Re：气溶胶粒子相对于空气或空气相对于气溶胶的运动：流动条件物体（粒子）在静止流体中运动的Re流体在管道内流动的Re层流<1<2100过渡态1~10002100~4000湍流>1000>4000载带气溶胶粒子的空气流相对于管壁面而言是湍流运动，而气溶胶粒子与空气之间则是一种层流运动。1.2.2气溶胶粒子的沉降运动Stocks定律：Stocks假设：（1）空气是一种连续、不可压缩、只具有粘滞特性的无限流体介质；（2）所载带的粒子为球形的刚性粒子斯托克斯(Stokes)区=24／ReRe≤1得著名的斯托克斯阻力公式

滑移修正气溶胶粒子的沉降运动颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动——坎宁汉修正进一步可简化：滑移修正气溶胶粒子的沉降运动坎宁汉修正因子粒子直径d（μm）100101.00.10.010.001C1.0011.1081.1763.01523.776232.54对1μm以下的粒子，修正是很明显的，对10μm以上的粒子，C≈1，可以不用修正不同Kn数范围流体及颗粒特点区域Kn数的范围

特

点

dp（μm）连续介质区

<10－3

分子间碰撞在流场中占主导地位，

>1.3滑流区

10－3～10－1

速度滑移和温度跳跃区，

≥0.4过渡区

10－1～10区域中的气体平均自由程λ与特征长度dp

同一量级，气体分子之间的碰撞和气体分子与壁面之间的碰撞对气体同等重要，连续介质不成立。

0.01~0.4自由分子流区

>10气体分子平均自由行程λ远大于特征长度dp

，分子对壁面的碰撞占主导，可忽略分子间的碰撞

<0.01惯性力影响的修正气溶胶粒子的沉降运动Stock定律假定空气介质只具有粘滞特性，意味着粒子运动只受粘滞力，而没有考虑惯性力。粒子在运动速度增大或粒子直径增大是，粒子具有明显的惯性力，stock定律不能成立。一般在Re<5时，stocks定律可用下式近似表示：非球形粒子的修正形状因子气溶胶粒子的沉降运动形状因子阻力形状因子动力学形状因子空气动力学形状因子体积形状因子不同形状的气溶胶粒子的形状因子空气动力学形状因子Def：空气动力学形状因子定义为粒子的斯托克斯直径dst与非球形粒子的几何直径dg之比可见，斯托克斯直径dst实际是任意密度的非球形粒子通过空气动力学形状因子ka等效为球形粒子的等效直径。物质煤玻璃石英陶瓷粘土岩石dg（μm）0.64~4.35~152~100.7~1.9>42~83.5~12ka0.70.740.680.680.660.620.63不规则形状粒子的动力学形状因子空气动力学当量直径Def：空气动力学当量直径dae即一个任意密度和形状的气溶胶粒子，若与一个单位密度（1g/cm3）的球形粒子具有相同的空气动力学特征时（具体说就是在静止空气中具有相同的沉降速度时），这个球形粒子的直径就是该气溶胶粒子所具有的空气动力学当量直径。相比斯托克斯直径，空气动力学直径不仅强调了形状等效，还强调了密度等效。已知：气溶胶粒子的几何直径dg，密度和表示不规则形状特征的形状因子，可换算出气溶胶粒子的空气动力学直径dae空气动力学当量直径已知一个密度为ρ的非球形粒子，可将其几何直径dg等效为空气动力学直径。例：一个几何直径dg=2.5μm的煤尘粒子，计算其空气动力学直径首先，需要知道煤尘粒子的密度，假定煤尘粒子密度按其母体物质煤估算，为ρ=2.25g/cm3，其次，空气动力学形状因子ka为0.7非刚性粒子的修正气溶胶粒子的沉降运动非固体物质形成的粒子（如液滴）为非刚性粒子；其运动特点是：在其内部产生自循环运动而减少其粒子表面的摩擦力，因而要减少气体介质所施加给粒子的阻力。当ηp远小于ηηp为形成粒子的母体物质的动力粘度；η为空气介质的动力粘度。气溶胶粒子的沉降空气中的粒子只受自身的重力和空气的粘滞阻力作用而无其他外力作用时将发生沉降运动：经过一段时间后，阻力最终会等于重力，粒子保持匀速运动。此时的速度称为最终沉降速度。将阻力代入上式，得最终沉降速度如在斯托克斯区，粒子的最终沉降速度为驰豫时间物理意义：在空气中作自然沉降的粒子，无论其初始速度如何，终将达到一个稳定的沉降速度，在达到这个恒定的沉降速度之前所经历的时间即为粒子的弛豫时间截止距离气溶胶的几个特性运动参数牛顿阻力定律在高Re情况下，气溶胶粒子在气体介质中运动时会受到气体介质所施加的阻力，这种阻力通常称为曳力（drag）对于直径为d，以速度ν运动的球形粒子所受到的阻力为：当1<Re<1000时，当Re>1000时，CD=0.44阻力系数CD与Re的关系沉降末速度的估算CD=f（Re）当Re>1000,当1<Re<1000,如果已知粒子直径d和颗粒密度ρp，有查图，获得Re值，由计算末端沉降速度沉降末速度的估算当1<Re<1000,如果已知末端沉降速度vt和颗粒密度ρp，有查图，获得Re值，由计算末端沉降速度粒子的曲线运动气溶胶粒子作曲线运动的原因：在静止的或是匀速运动的空气中，沿某一轴线运动的粒子受到其它轴向外力的作用，或是外力随时间或位置改变而发生变化时，可能使粒子产生曲线运动；在流动的空气中，当流动空气流发生收缩、改变方向或是绕过障碍物运动时，气体流线会发生弯曲，从而引起其中载带的粒子作曲线运动。粒子受到的外力可分解为X方向和Y方向。如果Re<1，则两方向上的力彼此不受影响，可独立求解。在静止空气中，以初始速度u0抛射出的粒子运动轨迹：粒子的曲线运动在流动的空气中，当流动空气流发生收缩、改变方向或是绕过障碍物运动时，气体流线会发生弯曲，从而引起其中载带的粒子作曲线运动。如粒子绕过障碍物运动时的曲线运动，其运动轨迹与粒子大小有关。粒子愈大，抗拒气流作曲线运动而继续维持原运动方向能力愈强。Stocks数ψ：粒子的截止距离同障碍物的特征长度之比其物理意义：stocks数越小，粒子跟踪空气流流线运动的情况越好；stocks数越大，粒子抗拒随流线运动的能力越强，即越能脱离流线而维持原运动方向继续运动。1.2.3气溶胶粒子的扩散气溶胶粒子的扩散是由于气体分子的随机热运动，碰撞粒子并使其内系统的一部分输到另一部分的过程。在这一过程中，粒子没有特定的运动方向。随机运动的结果使粒子总是由较高浓度的区域向较低浓度的区域扩散。应用：根据扩散理论所建立的浓度分布规律数学模型对通风工程、空气净化和空气质量评价等方面都具有十分重要的实用价值，吸收壁扩散模型对于粒子输运与沉降过程的研究，以及用多孔填料吸收污染物的净化机理研究均具有重要指导意义。一些推导方法对建立有外力作用下气溶胶粒子的浓度分布表达式提供了有用的参考。扩散的基本定律费克(Fick)第一扩散定律在各向同性的物质中，单位时间内通过单位面积的扩散物质的量(又称通量)与浓度梯度成正比，即F——通量，kg／m2s；D一一扩散系数，m2／s；C——质量浓度，kg／m3。其扩散系数D由斯托克斯一爱因斯坦公式给出：——玻耳兹曼常数，=1.38×10-23J／K；T——绝对温度，K；扩散的基本定律费克(Fick)第二扩散定律由于扩散作用，任何一点的气溶胶浓度还将随时间发生变化。对于各向同性的介质当在z方向上有速度为u的介质运动时，流动项通常远大于在该方向上的扩散项，有对于柱坐标，上式为费克第二定律揭示了空间中某一点的气溶胶粒子由于扩散所引起的浓度随时间变化关系。粒子的平均自由程气体分子与气溶胶粒子运动轨迹的比较气体分子做布朗运动的运动轨迹是首尾相接的折线，折线的长短代表气体分子的平均自由程气溶胶粒子的布朗运动轨迹则是连续的光滑曲线，因为光滑曲线，其平均自由程为一种表观的平均自由程气溶胶粒子的平均自由程定义为粒子在其运动中运动方向每改变90o移动的相对距离。布朗旋转运动气溶胶粒子应受气体分子的随机碰撞可能发生旋转运动在时间t内，直径为d的粒子围绕一给定的旋转轴发生的旋转运动用均方旋转角表示：光柱中看到的微粒闪动即非规则形状的气溶胶粒子布朗旋转的结果。布朗旋转运动随粒径减小而剧烈加快<1μm以下的粒子，其旋转频率可以快到无法用肉眼感知；>20μm以上的粒子，其旋转频率慢到无法用肉眼感知；10~20μm范围的粒子造成微粒闪动现象。粒子随垂直高度的分布当气溶胶粒子与气体分子处于平衡状态时，气溶胶粒子具有同气体分子一样的平均自由能：粒子所具有的平均速度在平衡状态下，粒径为d的气溶胶粒子浓度c（d）在垂直高度的分布遵从下列规律：某一给定大小的气溶胶粒子，在无外力且与气体介质处于平衡状态时，它们不会处于一个等高线上，而是按上述规律分布在一个垂直高度范围。0.1μm的粒子大致分布在沉积表面的0.8mm的垂直带内；0.01μm的粒子则可能分布在50cm的垂直带内稳态扩散扩散沉积气体中的粒子浓度不随时间而变化的扩散空气中粒子浓度c=c0为常数时，考虑粒子向某一壁面的扩散令c=c0的恒定区域（c0恒定的浓度带）到表面的距离为δ（δ为扩散浓度边界层）于是扩散沉积面源在x＝0处存在一平面源的扩散物质这是一维扩散问题。设扩散系数D为常数，该方程的解为非稳态扩散粒子扩散而损失在壁面或其它表面上，粒子浓度随时间变化在静止介质中气溶胶粒子的扩散对t>0，当

时，浓度趋于零。在单位截面无限长方体中扩散物质的总量M为特解：如果在x＝0处有一不渗透边界(“反射壁”)，所有的扩散发生在x的正方向，这时非稳态扩散扩散沉积无限体积中的垂直平面在垂直壁x＝0处与含有静止气溶胶的很大空间相连，此处初始浓度时均匀的一维问题，其初始边界条件为令x为离开平面的距离扩散沉积满足边界条件的解是式中，erf为误差函数在单位时间、单位面积壁上的粒子沉降量为：式中负号表示与x正方向相反的扩散。无限体积中的垂直平面于是，在时间间隔t0～t内到达单位面积壁面上的粒子数量为非稳态扩散扩散沉积两个垂直平面其初始条件为间距为H的两个竖直平面，其间有均匀浓度为c0的气溶胶，考虑气溶胶粒子在两个平面的沉积边界条件为非稳态扩散扩散沉积管道内的扩散沉积管道内气流为层流运动时，可用下面的公式估算气溶胶粒子在管道内因扩散而引起的沉积损失。对流扩散的一般方程对流扩散流动空气流中粒子的转移通量由两项构成：分子扩散引起的转移通量Jm：流动气流引起的转移通量Jconv：总的转移通量则为：浓度c随时间t的变化率为：在直角坐标中，稳态对流扩散：对流扩散的表征参数Peclet数对流扩散在既有分子扩散又有对流扩散的体系中，用u0代表体系的对流平均速度；L为发生明显扩散的区间；c0为粒子的初始浓度Pe=u0L/D,对流扩散的Peclet数各种边界层对流扩散层流边界层的扩散边界层厚度代表由表面到气流速度达到平均速度99%处的距离各种边界层对流扩散湍流边界层的扩散湍流边界层=粘滞力层+过渡层+湍流层对于湍流运动，单位面积上沉积的粒子数可表示为：扩散力：定常流气溶胶在“反射壁”管道中的扩散在流动介质中气溶胶粒子的扩散对于定长流设速度均一，对此微分方程，由高斯(Gauss)公式给出浓度分布的解对于点源向无限大空间的扩散，设单位时间释放物质的量(源强)为M，则必有=4DKπ在流动介质中气溶胶粒子的扩散于是，对于点源向无限大空间的扩散，烟气在大气中的扩散模式如果在有两无限大平面边界影响下点源在定常流中的扩散，设边壁为“反射壁”，可用镜像法得出浓度分布。定常流气溶胶在“反射壁”管道中的扩散在流动介质中气溶胶粒子的扩散当扩散物质碰到边壁时，粒子不被吸收，将被反射。在反射区内的浓度是实源浓度分布和虚源浓度分布的叠加。一实源浓度分布和两虚源浓度分布分别为由叠加原理，在反射区内的浓度为定常流气溶胶在“反射壁”管道中的扩散在流动介质中气溶胶粒子的扩散对于半径为R的圆管，若点源位于管中心（不在中心时，问题要复杂的多），如图所示，实源浓度分布为定常流气溶胶在“反射壁”管道中的扩散在流动介质中气溶胶粒子的扩散利用对称性，在反射区内虚源对半径为r的点的浓度的贡献，相当于实源在半径为2R-r的浓度值，即在反射区内的浓度为1.2.4在外力作用下气溶胶粒子的扩散假定在外力作用下(如电场力)，使某一粒径的气溶胶粒子具有横向速度v，分别在垂直于y＝0的平面向两侧运动。该问题的扩散方程是由对称性可知该方程满足边界条件a为矩形管宽，b为矩形管高气溶胶粒子在矩形管中的浓度分布为：其中，β由式可算出A可由第1个边界条件确定1.2.5气溶胶粒子的凝聚Def：分散的微细粒子通过物理的或化学的作用互相接触而结合成较大颗粒的过程称为凝并或称凝聚。凝并热凝并声凝并电凝并单分散度的球形粒子的热凝并凝并使粒子数浓度c将随时间t的增加而减少，假如每两个粒子间经过一次碰撞就黏附一起形成凝并粒子，其减少的速率为：令，并忽略第二项t=0，c=c0，积分有：若令tH为从起始时刻到浓度将至初始浓度c0一半所需要的时间，

（tH称为半值时间）凝并系数单分散度气溶胶凝并的半值时间多分散度球形粒子凝并设有计数浓度为c，半径为r1的尘粒向半径为r2的中心粒子碰撞，那么单位时间，粒子r1的减少量应等于单位时间这两种粒子的碰撞次数。静止连续介质中球形尘粒热凝并公式D1——半径rl粒子的扩散系数，除2是为了避免重复计算两次碰撞；c——数量浓度，个／m3。考虑到两种粒子相互扩散，因此D1和r1应该用D1+D2和rl+r2替代。于是，合量的浓度变化率是：两种不同大小的粒子凝并多分散度球形粒子凝并对于布朗扩散过程，爱因斯坦给出kB——玻耳兹曼常数，b=1.3810-23J／K；T——绝对温度，K；——气体动力黏度，Pa·S。若粒子大小接近空气分子自由程

时,D乘Cunningham滑移修正系数Cu。于是更一般的热凝并方程是：Kt称为热凝并系数。有：多分散度球形粒子凝并热凝并系数的值很小，因此，为了要使其增长到较大的尘粒需要较长的时间。一般来说，在起始含尘质量浓度高，粒径相差较大的多分散性尘粒，热凝并效应是较为明显的，即使这样，热凝并的凝聚过程仍十分缓慢。如使1μm的尘粒群增大一倍，需要100min以上的时间。因而这种凝并在工业中很难得到应用。声凝并Def:在声场和超声场中，对细小粒子的声凝并机理有不同的解释。其中一种认为由于声波引起的振动，使不同大小的粒子间被带动的程度不同而产生不同的移动速度。小粒子由于质量小将参与到大振幅的声波振动，并与难以振动的大颗粒相碰撞而产生凝并。通常认为超声凝并的机理是因下列3个方面的原因所造成的：第一，在声场中不同大小尘粒振动的振幅不同而导致粒子间的碰撞：第二，由于气流和颗粒问的相对速度在粒子之间造成的流体吸引力；第三，由于声辐射压的作用，使粒子沉积到声驻波的波腹上。可收集亚微米级颗粒：利用声凝并可以大大提高微粒的凝并速率。声凝并方法收集亚微米粉尘是有效的，曾一度引起除尘界的极大关注。耗电量大：产生几十kHz甚至更高频率的声波，需耗用大量的电能约为37.3～522W／(m3·min)-1，同时还需要消除噪声的危害，因而限制了它的实际应用。经过合理设计，最低能量消耗约为12～240w／(m3·min)-1。这比一般除尘器中消耗的能量还要高很多。电凝并Def:

电凝并包括带电粒子间的库仑凝并和外电场力作用下带电粒子间的凝并。对于库仑凝并，Williams和Loyalka给出了较严格的库仑凝并系数Kc计算式——分别为尘粒1及尘粒2的粒径，m——分别为粒径为r1，r2的尘粒所带的电量，C；——玻耳兹曼常数，J／K；——气体的绝对温度，K；——空气介电常数，=8.85×10-12c／(V·M)。Eliasson等人的实验结果表明：在对称异极荷电情况下，亚微米粒子的电凝并速率比中性粒子的热凝并速率高102～10-14倍。对于1μm的尘粒，库仑凝并系数Kc≈10-13～10-14m3／s，1.2.6气溶胶粒子成核作用与蒸发

气溶胶粒子的成核是通过物理过程和化学过程形成的，气体经过化学反应，向粒子转化的过程从动力学角度可以分为4步：均相成核或非均相成核，形成细粒子分散在空气中；在细粒子表面，经过多相气体反应，使粒子长大；由布朗凝聚和湍流凝聚，粒子继续长大；经过干沉降（重力沉降或与地面碰撞后沉降）和湿沉降（雨除和冲刷）清除。以上过程虽属于物理过程，但实际上都以化学反应为推动力。冷凝中的成核现象1.2.6气溶胶粒子成核作用雾状气溶胶的形成需有一个凝聚表面蒸汽分子本身形成的聚合体带电离子或带电离子的聚合体其他固体物质的微小颗粒成核现象：借助于一个凝聚核心形成液态气溶胶的现象。均质成核现象：蒸汽的成核现象发生在同类物质的蒸汽分子的聚合体表面非均质成核现象：蒸汽的成核现象发生在不同类物质形成的聚合体表面的蒸汽分子成核现象均质成核现象气溶胶粒子的冷凝1、蒸汽必须过饱和，以达到能发生冷凝的程度；2、蒸汽分子的聚合体（核心）必须形成，使得冷凝作用有凝聚表面；3、蒸汽分子逐渐凝聚到这些类似于“胚胎”的聚合体核心上，进而逐渐扩大，最终成为一个液滴。饱和比均质成核现象Def：某一气体体系中有一液体蒸汽表面，该液体蒸汽的饱和比：液体蒸汽的周围气体的局部蒸汽压该种蒸汽在温度为T的整个液体表面的饱和蒸汽压S>1，过饱和S=1，饱和S<1，欠饱和Kelvin现象均质成核现象为使液滴保持稳定，周围气体必须处于过饱和。超饱和是无尘空气中蒸汽分子形成聚合体而成为冷凝核心的基础。在均质成核现象中，作为凝聚核心的蒸汽分子聚合体，在一定饱和比值下，其直径必须要大于临界直径，才能继续生长为液滴。临界直径d0与蒸汽分子饱和比S的关系液滴的表面张力离子成核均质成核现象空气中若有导电离子存在，在无尘空气中，液滴冷凝所要求的饱和比要低得多。在有导电离子存在的情况下，临界直径d0与饱和比S的关系为：液滴上的电荷或离子聚合体的电量气体介质和液滴的介电常数在相同的d0情况下，要求能维持继续生长的饱和比显然降低了，也就是说，作为冷凝核心聚合体的液体，在有离子存在的情况下，其继续生长的可能性提高了非均质成核现象1、蒸汽必须过饱和，以达到能发生冷凝的程度；2、蒸汽分子逐渐凝聚到这些类似于“胚胎”的聚合体核心上，进而逐渐扩大，最终成为一个液滴。非均质成核在气溶胶的形成，特别是大气环境的气溶胶形成中是一种最通常的现象。且在百分之几的过饱和度条件下都能发生。冷凝核的来源非均质成核现象有机物质的光化作用产物可能是自然界冷凝核的最重要来源；风传送到空间的灰尘离子，海水中海盐挥发形成的NaCl晶核；森林大火的烟灰、人工爆破的微尘、火山爆发的挥发物等等；陨石尘和宇宙尘也被视为冷凝核的一个来源；有机物质的腐烂挥发形成的微小颗粒.0.001~2.0μm0.001~0.4μm，Aitken核0.4~2.0μm，大核>2.0巨核冷凝核成分非常复杂，概略地说，可分为可溶性核和不可溶性核。不可溶核的成核现象不可溶核分为两种情况：核心粒子表面一当液滴浮在其上时，易于潮解，其后的行为特征可视为一个纯液滴，因而均质成核的Kelvin效应可直接采用，但在相同的饱和比下所要求的核心粒径却要小很多；凝聚核心难于潮解，成核过程要困难的多，所要求的过饱和条件也要苛刻得多。核心表面正处于凝聚中的液体对在核心粒子表面已形成的液滴小球有收缩的趋势，因而只有当这种不可溶核的表面被小液滴全部覆盖后，在核心粒子表面的液体覆盖过程才会形成，这就要求很高的过饱和条件。以水在NaCl核心上的成核冷凝为例可溶核的成核问题一个NaCl核心在一定饱和比下，水蒸气在其上发生冷凝，形成一个饱和的NaCl溶液液滴，进一步的冷凝使得液滴越聚越大，溶液浓度越变越稀。变为一个其行为类似于纯液体（盐溶液）形成的液滴。一般来说，在这样的溶液形成的液滴表面上，其盐溶液的平衡饱和蒸汽压要小于纯溶剂（水）形成的液滴表面的饱和蒸汽压。说明，有了凝聚核心（盐晶核）的冷凝成核作用较无这种核心来的容易。Maxwell公式液态气溶胶的蒸发和生长液滴每秒钟蒸发（或生长）的质量为：溶剂的扩散系数，对于水，D=0.22cm2/s蒸汽分子的摩尔质量液滴直径液滴表面的饱和蒸汽压离开液滴表面的空间的局部蒸汽压假定液滴表面的局部蒸汽压等于液滴的饱和蒸汽压Langmuir公式液态气溶胶的蒸发和生长Maxwell公式给出了一个定液滴直径的液滴的蒸发速度，但液滴在蒸发过程中，其直径逐渐减小，所以Maxwell公式应表示为液滴质量对蒸发（或生长）时间的微分式：对时间积分：描述了一个直径为d的液滴，其饱和蒸汽压为P0，周围介质的蒸汽压为P时，因蒸发（生长）而将直径减小（增大）到临界直径d0所需时间。爱根核模：小于0.05μm

积聚模：0.05~2μm

粗模态：大于2μm1.2.7气溶胶粒子的三模态及其特性1.2.7气溶胶粒子的三模态及其特性细粒子和粗粒子之间很少相互作用1.2.7气溶胶粒子的三模态及其特性新鲜气溶胶一般以核膜为特征的单峰型，“老化”气溶胶表面积和体积分布以细粒子粗粒子为特征的双峰型。气溶胶的光学特性是气溶胶各种物理特性中最特殊也是最重要的物理特性之一。消光作用光速1.3气溶胶的光学特性所有气溶胶粒子对光都会发生散射作用，某些粒子（主要是金属粒子，碳粒子或大粒径的粒子）对光还有吸收作用。散射和吸收的共同作用称为消光作用。真空中的光速c=3×1010cm/s，光速c与波长λ、频率f之间的关系为：为直接测定和应用气溶胶各种特性提供了广阔领域。折射率1.3气溶胶的光学特性真空中的光速与由某物质形成的气溶胶粒子的光速之比，称为该种粒子对光的折射率：为了既能表示粒子对光的散射作用，又能表示对光的吸收作用，通常把折射指数表示成复数形式：表示散射作用表示吸收作用，n’=0时，表明只有散射作用而没有吸收作用对于一些导电性粒子（如金属粒子等），通常都对光有吸收作用。例如碳粒子的折射指数为（2-i），说明这种粒子对光既有散射作用，又对光有吸收作用。基本的光学量1.3气溶胶的光学特性光强度(I)：表示发光体在单位时间、辐射到单位立体角的光能量，简称光强消光特性1.3气溶胶的光学特性气溶胶的消光是指一束入射光通过某一气溶胶层（介质层），由于受到粒子的散射和吸收，使得通过气溶胶层以后在原光路上的出射光受到衰减。光通过一个介质层，其光通量既要受到粒子的散射，又要受到吸收，因而光通量在通过粒子层后在原光路上将会减弱。光通量F（或光强度I）因吸收而引起的衰减遵从指数规律：因散射而引起的衰弱为：通过介质层前的光通量介质层的吸收系数介质层的散射系数光受到散射和吸收的联合作用而引起的减弱为：衰减系数，也称浊度消光特性1.3气溶胶的光学特性对于具有相同大小的多个粒子（单分散性气溶胶）组成的介质层，衰减系数可以表示为：单位空气体积中的粒子数单个粒子的横截面积单个粒子的消光效率入射到粒子横截面A上的光通量对于多分散度气溶胶，则有：消光效率因子的计算1.3气溶胶的光学特性消光效率因子主要决定于粒子直径d、粒子的折射指数m和入射光的波长λ等参数。定义粒径参数α：当α<<1，即对于很小的粒子，通常认为粒子对光的吸收作用可以忽略，则：消光“异常”1.3气溶胶的光学特性消光“异常”：当α增大或粒子变大时，消光效率因子从第一个极大值迅速下降，在2左右波动，进而趋于稳定，最后使θE=2。这说明一个粒子有可能衰减掉其自身横截面积2倍的光通量，这是由于光的衍射以及观测的距离足够远造成的：作为粒子本身要阻挡一个投影面积的光，加上衍射现象，第一个衍射环的中心恰好也是一个投影面积。因此，粒子本身散射掉一个投影面积的光，衍射环的黑影部分又除去一个投影面积的光，于是检测器测到的似乎一个粒子损失了自身投影面积两倍的光。角散射特性1.3气溶胶的光学特性光照射到粒子上后散射到某一角度上的散射光，即角散射特性。散射角：光的传播方向与经过一个物体后散射光的传播方向之间的夹角。散射平面：入射方向（入射光束）与观测方向（散射光束）形成的平面。Rayleigh散射1.3气溶胶的光学特性对小粒径的不吸光粒子，即粒径参数α<1的情况，气溶胶对光的散射有比较确定的关系，可以用Rayleigh散射理论表示：当强度I0的入射光照射到直径为d的粒子上时，散射到某一角度θ的散射光强度可以表示为：通常在α<0.3或粒径<0.05μm的范围内成立。Mie散射1.3气溶胶的光学特性当粒径参数α增大时，α>1，粒子直径>0.1μm到大约10μm范围内，散射强度为：多分散度气溶胶的光学特性1.3气溶胶的光学特性对比度（能见度）1.3气溶胶的光学特性物体的对比度定义为：物体的光亮度背景的光亮度B=B’，Ct=0，物体不可见B<B’，Ct则为负值，物体看起来是深色的在大气中，对比度可表示为：以天空水平面为背景的光亮度空间物体的光亮度气溶胶粒子的衰减系数观测体与物体之间的距离在正常情况下，在大气中通常认为对比度必须达到一个最低阈值Ct，min才能辨明一个以白色作背景的黑色物体。可视阈限值1.3气溶胶的光学特性通常认为Ct，min=0.02能见度距离（可视距离），表示在最低对比度下能见到一个物体的最远距离。对于高空大气气溶胶，气溶胶粒子都认为以细颗粒为主，消光特性遵从Rayleigh规律：例：如果空气中存在一种单分散的水雾滴，粒径为d=0.2μm，粒数浓度为2X104/cm3,计算能见度距离为33km。气溶胶理论基础

气溶胶化学大气气溶胶的化学组成、来源与去除大气气溶胶的危害主要内容相关概念一次气溶胶：由排放源直接排放到大气中的颗粒物。二次气溶胶：通过与气体组分的化学反应生成的颗粒物。均质气溶胶：所有颗粒物的化学组成相同。单谱气溶胶：所有的颗粒物粒径大小相同。多谱气溶胶：多种粒径大小的颗粒物。气溶胶的来源大气气溶胶的来源复杂，按照产生的过程分为自然源和人为源。自然源主要来自于洋面气泡的破裂、土壤的风蚀、生物的孢子花粉以及火山爆发、森林火灾等。人为源主要来自化石燃料燃烧、工农业生产活动等；人为排放气态污染物在一定条件下的气－粒转化过程也是大气气溶胶的一个重要来源。大气气溶胶主要是通过干、湿沉降的方式去除。（1）干沉降：重力作用或与地面其他物体碰撞后沉降。（2）湿沉降：①雨除：气溶胶的颗粒物作为凝结核，成为云滴中心，通过凝结和碰并，云滴增长为雨滴（若T<0℃即雪)，形成降雨/雪。②冲刷：在降雨/雪过程中，雨滴将大气中的微粒挟带或冲刷下来。气溶胶的去除大气气溶胶污染化学的研究内容大气气溶胶在大气环境中的状态和化学组成气溶胶颗粒的化学性质一般不活泼，对云雾、降水的形成能起到核化作用，某些微量气体则以不同形式参与化学反应，对气溶胶粒子及其在空气中的分散特征是重要的研究环节。大气气溶胶污染物及其污染化学大气气溶胶污染物是指在气溶胶中危害人体健康和动植物生长及对建筑物有损害的重金属离子、有害阴离子、病菌、引起人类和动物疾病的花粉和微细的尘埃气溶胶污染化学的研究对象就是大气环境中的气、固、液混合体系和受其污染的受体。气溶胶污染途径及大气气溶胶污染的控制大气气溶胶污染的途径分为大气气溶胶的来源、大气气溶胶的污染气象、大气气溶胶的形成机理、污染运移过程等多元途径。其目的是为了大气气溶胶污染控制寻找理论基础和化学治理。大气气溶胶污染化学研究的方法讨论和研究气溶胶的物理化学特性研究气溶胶样品中各种粒子的物理形貌研究大气气溶胶的污染途径了解和研究大气气溶胶样品的采集、处理和分析方法研究气溶胶的源解析和评价方法，即污染物的来源研究大气气溶胶污染的防治方法研究气溶胶的程序一般为：在不同时空采集样品测试其化学成分研究其特性观察样品中各种粒子的形貌分析其污染途径追溯其来源研究污染物的评价方法针对其特性有目的的研究治理方法气溶胶粒子的化学组成1离子成分:SO42-

；NH4+

；NO3-

Mg2+；Ca2+；Na+；Cl-

2有机物含量:多环芳烃（PAHs）

有机碳（OC）和无机碳（EC）

3元素组成：地壳元素如Si,Fe,Al,Na,Mg,Ca和Ti等；

污染元素如Zn,K,Cd,Ni,Cu和Pb等。

阳离子：NH4+、Mg2+、Na+

、K+等金属离子；阴离子：SO42-、NO3-及Cl-、Br-等卤素离子存在；（一）离子成分

这些离子成分通常是气溶胶理化特性研究的必测项目。它们对太阳光产生散射和吸收作用，使能见度降低，为大气污染的标志之一。除影响气候变化，还可以控制气溶胶粒子的酸化。所以研究离子的浓度、时空分布、粒径分布等有利于研究气溶胶形成机制，并预测气溶胶的来源。1.种类（1）SO42-（一）离子成分非海盐硫酸盐（nss-SO42-）是对流层气溶胶粒子中普遍存在的组分，在海洋和大陆环境中都能检测到，但其气态前体物不同。海洋中SO42-的气态前体物：来自浮游植物产生的二甲基硫；大陆SO42-的气态前体物：主要来自人为排放的SO2的转化。（一）离子成分与SO2相比，气溶胶中的H2SO4(SO42-)引起了更多更严重的问题:H2SO4/SO42-是大气中的强酸，可以使降水酸化，导致酸雨的主要因素之一，引起一系列严重的生态问题；

H2SO4/SO42-主要分布在亚微米范围的颗粒物中，不易沉降，可通过呼吸道进入人体肺部，对人体健康有影响；

H2SO4/SO42-具有较高的消光系数，影响城市能见度的重要因素之一；大气中的H2SO4/SO42-颗粒物在大气化学和全球气候效应等过程中起着非常重要的作用。（2）NO3-（一）离子成分大气中的HNO3/NO3-是光化学反应的产物。NOx的光化学反应生成了气态HNO3，气态HNO3在适当的条件下形成盐进入颗粒物，成为大气颗粒物的重要组成部分。在沿海地区大气中，NO3-可以以NaNO3的形式存在于粗粒子中，主要来自气态硝酸和海盐的反应；在污染较严重的城市大气中，NO3-主要以NH4NO3的形式存在于细粒子中，它是大气中的气态HNO3被氨中和的产物。（3）NH4+（一）离子成分在城市大气中，气态氨与大气化学过程产生的二次污染物H2SO4、HNO3结合成盐，形成(NH4)2SO4和NH4NO3。是大气颗粒物细粒子的极为重要的组成部分，也是城市大气二次污染的标志产物。同时，NH3还可以和燃煤排放到大气中的气态HCl反应生成NH4Cl，存在于细粒子中。（4）其他的水溶性离子（一）离子成分a.Cl-：海盐粒子是大气颗粒物中Cl-的主要贡献者。沿海地区大气颗粒物中的Cl-主要存在于粗粒子中；化石燃料（煤）的燃烧也可以排放，存在于细粒子中，使得燃煤取暖地区冬季细粒子中Cl-会产生富集。

b.Na+：海水中含量最高的阳离子，沿海地区中几乎 都来于海洋排放，存在于粗模态中。由于其化学性质稳定，常被作为海洋源的参比元素。（4）其他的水溶性离子（一）离子成分c.K+：大气颗粒物中K+主要以细粒子模态存在，主要 为生物质燃烧产生；

d.Ca2+：来自于土壤，是土壤扬尘的标识元素，存在 于粗模态中。另外，道路扬尘和建筑尘也含 有较多的Ca2+；e.Mg2+：既有海洋源，又有土壤源的贡献，主要分 布于粗模态中。沿海站点的Na+浓度明显高于其它内陆城市。

在北京、上海、广州和乌鲁木齐等大城市中NO3-和Ca2+的平均浓度均较高，这与城市大量的汽车尾气排放和城市建设引起的扬尘有关;

城市和沿海地区的SO42-均具有较高浓度;

不同地区TSP中的水溶性离子浓度气溶胶粒子中的有机物粒径一般比较小，尺度多在0.1～5μm的范围内。种类：烃类（烷、烯、芳香烃、多环芳烃），亚硝胺，氮杂环化合物，酮，醌，酚、酸等，有生命的有机物（孢子，细菌，花粉）。（二）有机物1.多环芳烃(PAHs)：PAHs指两个或两个以上苯环连在一起的碳氢化合物。其性质稳定，数量多，种类多，广泛存在于大气环境中。来源：自然源：火山爆发、森林火灾和生物合成。人为源：煤、石油、木材以及有机高分子化合 物的不完全燃烧和裂解产生。多数来 自化学工业、交通运输和日常生活等。（二）有机物排放到大气中的PAHs主要以气相和吸附在颗粒物表面两种形式存在。

2～3个苯环数的PAHs主要存在于气相中；

4个苯环的在气相和颗粒相均有显著分布；

5～6个苯环的主要在颗粒物中。研究表明：有70～90％的PAHs分布在 Dp≤3.5μm的颗粒中。1.多环芳烃：其中，苯并[a]芘（B[a]P）被认为是PAHs中毒性最强的化合物。由于全球大气循环，在南极的雪和冰中也都检测到了B[a]P。Sources：沥青、燃煤的烟气、油脂类食物的熏烤过程、香烟的烟气、汽车尾气等。从季节上分析，各地区冬春季节的PAHs浓度均高于夏季。工业区、交通密集区和商业区的PAHs含量较高，而清洁区明显减少。来源：天然源：风沙和火山爆发人为源：主要来自化石燃料的高温燃烧过 程和其它高温燃烧的工业过程， 如燃煤、燃油、木材燃烧、钢铁 厂、冶炼厂、废物燃烧等。（三）化学元素组成不管是天然源还是人为源，均属于一次气溶胶粒子。元素组成基本可分为：地壳元素：Si,Al,Ca,Fe,Ti,V.

其氧化物熔点高，化学稳定，在地壳中丰度很高。污染元素：S,Br,Pb,Zn,Cu,Cr,Co.

其化合物熔点低，易发生相变和化学反应。 主要是人为活动直接或间接产生。但有些地壳元素，如Ca，在城市建筑尘的贡献大，也是人为活动造成的。双重元素如（K,Mg,Mn）：有人为，自然产生。（三）化学元素组成沙尘期间气溶胶的化学元素浓度（ng/m3）类型地点ZnBaVMnFeAlMgCaNaTiTSP张家口372157025422509800018300041200669004030012100北京274870130121051000950002150043600147006100Yamaguchi3091503321090001600045001030015001100北京17010050360175003377088502651078701970青岛341－105.4910.133202－－－－4291临安455－－72.5373311075252385－320PM2.5青岛213－131103755－－－－356Seoul18728.411.660.113101514472111738164.4Gwangju975.578.6957.115382300762146749064.2沙尘天气时地壳元素如Al、Ca、Fe、Mg、Na、Ti、Ba和V等元素均达到了很高的浓度，通常表现为TSP>>PM2.5

；沙尘事件期间地壳元素浓度呈现出自西向东减弱的趋势。

沙尘天气时的地壳元素浓度要明显高于非沙尘天气。沙尘天气时SeoulPM10中Al和Ca的浓度约为非沙尘的3.4倍；Gwangju中的浓度为非沙尘的5-6倍。

图5.沙尘与非沙尘期间的元素浓度对比大气气溶胶的危害1.大气化学反应(干湿沉降,光化学烟雾,多相反应界面etc.)2.气候效应(直接气候效应及间接气候效应)3.环境质量（能见度）

4.健康效应

5.气溶胶辐射强迫矿尘黑碳海盐硫酸盐硝酸盐SO2,COS,DMSNOxVOCsH2OO3,H2O2OH,NO3radicalsVirusPAH,PCB

气溶胶能吸附SO2、NOx及气态有机有毒物质（如PAHs、PCB等），并在气溶胶表面发生多相反应。化学大气化学反应气候效应

气溶胶通过直接和间接方式影响大气辐射传输和地-气系统辐射收支平衡，对气候变化、云降水等影响巨大。气溶胶辐射强迫

气候系统总体趋于平衡状态，即地气系统所吸收的太阳辐射应等于向外发射的红外长波辐射。如果某种扰动打破了这个平衡，气候系统会调整地表温度来形成新的平衡。为了评估地球气候系统辐射收支的外加扰动，IPCC引入了辐射强迫这个概念。气溶胶辐射强迫辐射强迫的定义：单位W/m2全球气候的变化由地气系统辐射平衡状况决定。任何对该系统平衡的扰动并因而使气候发生变化的因子成为辐射强迫因子，主要有入射太阳辐射；温室气体、云和气溶胶等。在描述这些因子对气候的潜在影响时，往往采用“辐射强迫”（radiationforcing）。气溶胶辐射强迫人类活动导致大气中气溶胶浓度不断升高，一方面导致大气对太阳光散射作用增强，反照率增加，产生负的辐射强迫；另一方面吸收太阳辐射，产生正的辐射强迫。大气中气溶胶通过直接和间接辐射强迫两种方式影响全球气候，对全球气候变化产生重大影响。

直接辐射强迫：气溶胶通过散射和吸收太阳辐射，产生直接辐射强迫；间接辐射强迫：可作为云凝结核，影响云的微物理特性和宏观云量，影响地－气系统的水循环，产生更加复杂和不确定的间接辐射强迫。气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫与温室气体的辐射强迫比较：1.对流层大气中气溶胶的生命周期很短，导致空间分布高度不均，而且与排放源有关；2.气溶胶直接辐射强迫是散射太阳短波辐射的过程，主要在白天和夏季起主导作用。即具有明显的日变化和季节变化。3.气溶胶的直接和间接辐射强迫都与颗粒物粒径和化学组成有关，不能简单以气溶胶质量源强衡量其辐射强迫的相对大小；气溶胶辐射强迫与温室气体的辐射强迫比较：4.大气气溶胶尤其是人为气溶胶的区域分布不均匀；5.气溶胶的辐射强迫与其浓度的关系是非线性的，自然存在的气溶胶的影响复杂；另外，气溶胶作为凝结核影响云滴形成和降水的过程复杂，间接辐射强迫研究非常困难。能源开发利用与环境污染能源分类能源二次能源：火电、水电，焦炭、煤气、蒸汽、热水、汽油、柴油等一次能源常规能源可再生能源：水力不可再生能源：煤、石油、天然气、核裂变新能源可再生能源：太阳能、生物质能，风力、潮汐、地热不可再生能源：核裂变能源开发利用与环境污染煤炭开采、加工、运输和使用开采

露天开采和地下开采露天开采对土地的影响大，为了保护环境与生态，露天煤矿要采用土地复原措施．其投资大。地下开采埋深较浅的煤层可能引起大面积的地面塌陷，对地表水系有广泛的破坏作用。地下开采因为工作条件恶劣，对矿工的身体健康危害远大于露天开采，并随之产生一系列社会经济问题。均对水源有影响加工

提高产品的质量，特别是去除其中含硫分和灰分。洗煤可除去原煤中含硫量的40％~50％和灰分的65％～75%洗过的煤经过蒸汽供干。产生大量的洗煤水和少量的空气污染（灰尘、SO2、NOx

和CO2

现代洗煤厂的洗煤水经贮存等处理后循环复用，大大减少了水污染和水资源的浪费，同时还可提高煤粉的回收率。能源开发利用与环境污染煤炭开采、加工、运输和使用运输煤炭运输一般采用公路、内河、铁路和海运方式。运输过程中主要的环境影响除运输工具本身耗能产生的各种污染因煤粉的洒漏和飞扬污染环境、以及降水迳流带走大量煤粉引起运输沿途水源的污染。利用直接燃烧、制焦或煤气化、液化等方式。煤炭直接燃烧造成的污染是多方面的，其中最主要的大气排放物为CO2、CO、SO2、烟尘、有机物、微量元素和放射性核素。煤炭的直接媲烧排出的污染物远大于煤气或煤液化气。煤炭还常常应用于炼钢工业，它使用的是煤炭通过于馏后的产品―焦炭和焦炉煤气。在炼焦过程中产生的废气和废水中含有酚等有害物，可引起大气和水的严重污染。能源开发利用与环境污染石油与天然气的生产和利用石油和天然气往往是共生的，它们的燃烧也有许多共同点。石油和天然气资源的勘探和开发，既可在陆上进行也可在海上进行。它们对生态与环境的影响也因此不完全相同。陆上开采的环境影响：①占用大量土地；②开采设施破坏当地的自然景观；③发生事故时可能引起石油泄漏、造成油田或运输途中的环境污染；④与石油、天然气共生的卤水可能会导致地表水的污染和影啊水生生态系统；⑤含硫物质的徘放影响环境质量。海上采油或天然气最大的影响是发生事故时大量漏油污染海域造成近海或沿岸地区的严重污染石油的炼制对环境与生态的影响

①占用土地；②用水；③气体与液体废物的排放；④存在火灾或爆炸的危险等。炼油厂除了厂房设施占用土地之外，还应设置防护区以防止因工业事故造成居民的伤亡。能源开发利用与环境污染

核能开发和利用核能开发和利用包括了整个核燃料循环：铀矿开采、加工浓缩元件制造反应堆发电后处理废物处理与处置。铀矿开采空气中放射性浓度较高。矿工吸入氡气及其放射性衰变子体后引起的内照射可能使矿土得肺癌的几率明显增加。铀的提取、冶炼、浓缩和元件制造这些生产过程中的放射性危害，因为铀的各种同位素是弱α放射性和有较长的半衰期，在工艺过程中随三废排人环境很少，影响也不大。核电站

通过核燃料的链式裂变反应释放能量发电的。在正常运行过程中，除极少部分放射性通过三废排入环境外，绝大多数都被持留在燃料元件的密封包壳之中或密闭的主回路内。只有在发生严重事故时，才有可能将堆内包容的大量放射性泄漏出来进入环境乏核燃料元件的后处理料直接贮存埋藏和贮存冷却后由燃料后处理工厂进行化学处理；回收核燃料中可裂变物质以及去除裂变产物。在后处理过程中产生的大量放射性工艺废水、废气和废物将有一部分进入环境。废物处置关键就是要安全可靠地处置这些长寿命放射性，防止它们通过各种途径进入环境。能源开发利用与环境污染水力资源的开发和利用水力资源是常规能源中的可再生能源。水力资源用于发电或抽水蓄能都需要建设水坝以及在水库中存大量的水。由此对整个库区和河流流域的生态环境有很大影响其它能源的开发和利用包括地热能、太阳能、风能、海洋能以及生物质能。它们大多不排放大气与水的污染物，均称之为清洁能源。这类能源在开发利用过程中对环境的影响相对于化石燃料是比较小的能源的开发利用提供了人类创造文明和财富的动力，扩大了就业机会、增加了收入、发展了社会经济、改善了生活条件和提高了生活质量，同时也为治理环境污染创造了物质条件；另一方面能源的开发利用造成的环境质量下降和生态平衡的破坏又阻碍和限制了能源的发展。因此能源和环境不能孤立起来追求其自身的目标，必须纠正能源发展规划中不考虑环境因素的偏向，协调能源开发利用的正面和负面作用。中国的能源现状中国能源特点：

中国是一个严重依赖化石能源的国家，可再生能源消费比例低于世界平均水平能源资源开发难度较大。与世界相比，中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少量可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。非常规能源资源勘探程度低，经济性较差，缺乏竞争力。一次能源以煤为主火电厂的分类火电厂的分类火电厂的电能生产过程国际二氧化碳形式各国CO2减排行动碳减排技术碳减排技术工程减排技术市场减排方法管理减排方法结构减排方法超（超）临界技术、循环流化床技术（CFB）、整体煤气化联合循环技术（IGCC）、热电联产技术（CHP），CCS技术提高可再生能源及核能等技术的比重，优化电力结构减低碳排放量通过电力调度顺序、发电权交易和减少厂用电等措施减排采用清洁发展机制CDM进行国际合作，转让资金和技术获得核证减排量火电厂CO2减排的技术路线工程减排技术间接减排IGCC、CFB、CHPCCS燃烧前燃烧中燃烧后IGCC发电技术IGCC发电系统的构成IGCC发电技术IGCC技术特点发电效率显著提高，目前可达43~45%污染物脱除效率高、耗水少，污染物排放量仅为常规燃煤电厂的10%，脱硫率可达99%，Nox和耗水量分别为常规电厂10%~20%和1/2~1/3；有利于CO2减排，目前成熟工艺可分离85%以上的CO2；可实现多联产和副产品的综合利用，如气化炉出来的煤气可用于合成胺、甲醇、二甲醚等化工产品，硫的回收率接近99%等。IGCC技术的碳减排效果IGCC的CO2减排效果据有关资料显示：目前，IGCC电厂的发电标准煤耗在240g/kWh以下，而2008年我国火力发电标准煤耗为322g/kWh以一台300MW机组为例，若年发电量为16.25亿kWh注：*2008年火力发电量为2.8万亿kWh；**IGCC电站CO2捕获率为85%；***1g标准煤≈2.496gCO2电厂煤耗华能上海石洞口第二电厂煤耗

脱硫投运IGCC技术存在问题成本较高操作灵活性低和变负荷性能差建设周期较长和运行经验较少可用率低，目前的示范IGCC电厂可用率在70~85%富氧燃烧技术常规燃煤电站锅炉排烟中CO2

的浓度一般为14%～16%,直接从此烟气中分离回收低浓度的CO2

将使电站效率降低7%～29%,发电成本增加1.2～1.5倍富氧燃烧技术是利用空分系统获得富氧或纯氧,然后燃料与氧气共同进入专门的纯氧燃烧炉进行燃烧,一般需要对燃烧后的烟气进行重新