1、緒論氣溶膠定義：氣溶膠是指長時(shí)間懸浮在氣體環(huán)境中、能觀察或測量到的液體或固體粒子的集合。粒徑范圍 0.001500m，這些顆粒物粒徑比氣態(tài)分子大，比降塵粒徑小。（空氣動力學(xué)直徑D，與顆粒的密度和形狀有關(guān)系。）氣溶膠與氣候變化：氣溶膠粒子增加的直接效應(yīng)是影響大氣水循環(huán)和輻射平衡，這兩種過程都會引起氣候變化 。氣溶膠顆粒具有各種粒度，決定了它對光的不同效應(yīng)，如吸收、散射或反射作用，從而對氣候產(chǎn)生直接或間接的效應(yīng)。其直接效應(yīng)是吸收或反射太陽的輻射，使地球的熱平衡受到影響；其間接效應(yīng)是對云的成核作用，使云的凝聚核增多，而增強(qiáng)云的反射 。 常見特殊天氣現(xiàn)象：沙塵暴、灰霾。沙塵暴的影響：使生態(tài)環(huán)境惡化 ，

2、生產(chǎn)生活受影響 ，生命財(cái)產(chǎn)損失 ，交通安全（飛機(jī)、汽車等交通事故）。另外，氣溶膠對中國北方酸雨的中和作用，對硫酸鹽氣溶膠的形成及其分布，對海洋中微量成分循環(huán)過程的影響也是不容忽視的。灰霾是懸浮在大氣中的大量微小塵粒、煙?；螓}粒的集合體，使空氣渾濁，水平能見度減低到10公里以下的一種天氣現(xiàn)象 。我國的部分區(qū)域存在著個(gè)明顯的大氣棕色云區(qū)，即灰霾嚴(yán)重地區(qū)：北部的黃、淮、海地區(qū)；東部的長江三角洲；四川盆地；珠江三角洲 。0204060801000.010.1110100顆粒物空氣動力學(xué)直徑 (微米)沉積百分比（%)鼻腔肺氣管口腔正常呼吸狀態(tài)下不同粒徑的顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)的沉積狀況縱觀氣溶膠研究的發(fā)展

3、，可以看出其趨勢，已從人為源逐漸向天然源、生物地球化學(xué)源發(fā)展；從總體顆粒物的表征向單個(gè)顆粒物；由微米級向亞微米，甚至納米級的粒度發(fā)展；從一般無機(jī)元素組分向元素碳、有機(jī)碳、酸鹼性基團(tuán)、有機(jī)分子發(fā)展；從室外環(huán)境向室內(nèi)環(huán)境、區(qū)域環(huán)境、全球環(huán)境發(fā)展；從平流層向?qū)α鲗影l(fā)展；并將氣溶膠的特性與環(huán)境效應(yīng)（如氣候效應(yīng)）、生態(tài)效應(yīng)（如健康效應(yīng)）以及大氣化學(xué)過程密切結(jié)合起來，向更深的層次和更廣的范圍開拓。氣溶膠測量的基本原理和方法： 運(yùn)用慣性、熱力和靜電引力加速粒子的沉積，或使用有效的過濾系統(tǒng)。 經(jīng)典時(shí)期氣溶膠采樣方法 ：計(jì)塵器（konimeters） 串級沖擊式采樣器（cascade impactors） 采塵

4、器（impingers） 沉降器（Precipitators）。 計(jì)塵器是單級沖擊式采樣器（one-stage impactor）。Kotze（Innes，1919）制造了計(jì)塵器，粉塵粒子通過碰撞被收集在涂有石油或甘油的玻璃板上，石油膜或甘油膜能夠阻攔并留住粉塵 。采塵器和串級沖擊式采樣器的區(qū)別是，在采塵器中，粒子沖擊到一個(gè)固體表面上，隨后就與一種液體（如水或是酒精）發(fā)生碰撞。 “經(jīng)典”方法的局限性 ：采樣過程中都存在粒子反彈、再夾帶和解聚集等問題；不同儀器的采樣時(shí)間從幾s到幾h不等，不同儀器的采樣和收集效率也顯著不同；不同儀器測得的濃度值不具有可比性；非等速采樣可能產(chǎn)生的誤差；熱沉降器顯示出

5、明顯的無規(guī)律性，而且采集到的粉塵沉降物不均質(zhì) 。現(xiàn)代氣溶膠測量方法：過濾采樣；淘析器（elutriators）和氣溶膠離心機(jī)（aerosol centrifuges） ；凝結(jié)核子計(jì)數(shù)器（CNC） ；超顯微鏡光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器 ； 超倍顯微鏡； 丁達(dá)爾儀；光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器；礦物和化學(xué)氣溶膠的分析 。過濾采樣：使氣體通過一種合適的介質(zhì)而將其中的粉塵與氣體分開來。紙質(zhì)抽提套管過濾器中填充松軟的棉花；可溶性粉塵采樣濾膜 -“糖濾膜”，萘濾膜 ，四氯酚酞晶體 ；下一步發(fā)展是紙質(zhì)濾膜薄膜濾膜（MF）成為最重要的標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠分析與采樣元件；聚碳酸酯濾膜（也稱為核孔膜（Nuclepore filter）或NP。淘析器

6、和氣溶膠離心機(jī)：根據(jù)粒子沉降速度與氣流速度的差異，依據(jù)粒度將其分離的過程 。垂直淘析器用來分離粒徑和測量空氣動力學(xué)粒度，氣溶膠離心機(jī)和水平淘析器的操作十分類似，只是后者利用離心力，前者利用重力。凝結(jié)核子計(jì)數(shù)器膨脹計(jì)數(shù)器（expansion counter），用照相機(jī)代替顯微鏡，就可以直接拍攝到已知體積中的懸浮粒子數(shù)量。膨脹計(jì)數(shù)器：通過膨脹，使預(yù)先加壓的飽和樣品空氣冷卻，這樣使空氣達(dá)到超飽和。CNC在氣溶膠測量領(lǐng)域中有很廣泛的應(yīng)用，比如使用浸提器組儀檢測氣溶膠過濾器。 超顯微鏡光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器，丁達(dá)爾儀可以測量30方向上的散射光。19451950年，發(fā)展了基于單粒子散射光理論的光電光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器（

7、OPC），OPC能在線和在原位測量粒子直徑大于0.3m的稀釋氣溶膠的數(shù)量濃度?；纠碚摮Ｒ娦g(shù)語：氣溶膠（aerosol）、生物氣溶膠（bioaerosol）、云（cloud）、粉塵（dust）、霧（fog或mist）、煙塵（fume）、霾（haze） 、納米粒子（nanoparticle）、粒子（particle）、粒子狀物質(zhì)（particulate）、煙霧（smog）、煙（smoke）、飛沫（spray） 、凝聚體（agglomerate）、聚合體（aggregate）、絮凝物（flocculate）、一次粒子（primary particle）、二次粒子（secondary particl

8、e）大多數(shù)氣溶膠粒度分級設(shè)備的有效測量范圍不超過1.5個(gè)數(shù)量級，即某一儀器能測量的最大粒度可能是最小粒度的50倍。粒子粒度常用平均粒徑（所有粒度的平均值）、中值粒徑（大于和小于這個(gè)粒度的粒子數(shù)量相等）或模態(tài)表示（粒子數(shù)量最多的粒徑），粒度分布可以用算術(shù)或幾何（對數(shù)）標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。粒子作用力：粒子吸附力 、分離力及粒子反彈 、外加力蒸汽分壓是氣體體積中蒸汽的濃度。分壓是蒸汽單獨(dú)存在時(shí)的壓力。分壓一般用分壓與大氣壓力的比值表示，即蒸汽的濃度分?jǐn)?shù)。 特定溫度下的蒸汽壓或飽和蒸汽壓是任何流體的特征，它反映了流體中的水蒸汽在氣-液界面不蒸發(fā)而必需達(dá)到的最小分壓。 氣溶膠凝結(jié)和蒸發(fā)過程中的重要參數(shù)是蒸汽分

9、壓與飽和蒸汽壓的比值，稱為飽和度。 五、粒子的物理化學(xué)變化：1、凝結(jié) 當(dāng)純凈水滴處于超飽和環(huán)境下時(shí)，即其飽和度大于開爾文公式的計(jì)算值，蒸汽將凝結(jié)在液滴表面，使液滴增大。增長率取決于飽和度和粒度，并受到蒸汽分子到達(dá)液滴表面的速率的控制。小于平均自由程的液滴的生長速率與其大小沒有關(guān)系，大于平均自由程的液滴的生長速率與其大小成反比。 2、核化現(xiàn)象 同類成核蒸汽中液滴的最初形成過程很復(fù)雜。沒有凝結(jié)核，也可以形成液滴，但這個(gè)過程叫同類成核或叫自動成核，這通常需要飽和度范圍為210，如此高的飽和度在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室或化學(xué)過程中才會出現(xiàn)。異類成核最常見的形成機(jī)制是核凝結(jié)或異類成核。這個(gè)過程取決于亞微米級粒子，它們

10、被稱為凝結(jié)核，即凝結(jié)點(diǎn)。在超飽和狀態(tài)下，不溶解的核子是凝結(jié)的發(fā)生點(diǎn)。 存在可溶性核子的情況要更復(fù)雜更重要！正?？諝庵泻写罅康目扇苄院俗舆@些可溶性核子具有很強(qiáng)的親水性，有助于液滴形成并使液滴在低飽和度下也能生長，而不溶性核子則不能。與純凈液體相比，可溶鹽提高了生長速率，降低了蒸發(fā)速率。當(dāng)液滴中存在可溶鹽時(shí)，隨著液滴蒸發(fā)或生長，有兩種效應(yīng)在起作用：隨著液滴蒸發(fā)，因?yàn)橹挥兴?，所以鹽的濃度增加，這增強(qiáng)了鹽保持液滴中水分的親水性；另一種效應(yīng)是開爾文效應(yīng)，導(dǎo)致平衡蒸汽壓提高 3、蒸發(fā)-干燥時(shí)間4、凝聚 凝聚（coagulation）是氣溶膠粒子相互碰撞而引起的氣溶膠的生長過程。如果是布朗運(yùn)動造成的碰

11、撞，則該過程稱為熱凝聚；如果是外力引起的運(yùn)動碰撞，則稱為動力凝聚。熱凝聚與凝結(jié)生長在一定程度上有些相似，不同的是，熱凝聚是其他粒子擴(kuò)散到一個(gè)粒子表面而不是分子擴(kuò)散到粒子表面。熱凝聚不同于凝結(jié)，它不需要超飽和度，是一個(gè)單一過程，沒有與蒸發(fā)對應(yīng)的等效過程。粒子間大量碰撞的結(jié)果是：粒度增大、氣溶膠數(shù)量濃度降低。因?yàn)闆]有任何損失或轉(zhuǎn)移機(jī)制，因此凝聚不會改變質(zhì)量濃度 簡單單分散凝聚 粒子是單分散性的；如果這些粒子一旦接觸則會相互粘附；這些粒子生長得很慢。在常態(tài)下，粒度的增加范圍受到限制，凝聚系數(shù)可以看作是常數(shù)，凝聚速度僅與數(shù)量濃度的平方成正比，因此，數(shù)量濃度高時(shí)，凝聚是一個(gè)快速過程，數(shù)量濃度低時(shí)是一個(gè)慢

12、速過程。粒度隨數(shù)量濃度的降低而增大，但是，在沒有損失的封閉系統(tǒng)內(nèi)，粒子質(zhì)量將保持恒定。如果數(shù)量濃度降低到原來的1/2，那么質(zhì)量（體積）就集中在一半的粒子上，所以每個(gè)粒子的質(zhì)量（體積）將是原來的2倍。粒子數(shù)量濃度降為原來的8倍時(shí)，粒度將加倍。六、氣溶膠的粒度分布特征1、粒度的基本概念與粒度分布 粒度是描述氣溶膠粒子的最基本參數(shù)。粒子必須懸浮在氣體中才能被稱為氣溶膠。按照慣例，人們認(rèn)為粒度的上限大約為100m，粒度最小可以達(dá)到納米級，相當(dāng)于一群分子的大小。在這么大的粒度范圍內(nèi)，氣溶膠的性質(zhì)和行為有很大差異。單位密度的球形粒子，其粒度可以簡單地用幾何直徑表示。任意形狀和密度的粒子，可以用當(dāng)量直徑表示

13、?？諝鈩恿W(xué)直徑定義為與不規(guī)則粒子有著相同沉降速率的單位密度的球形粒子的直徑。擴(kuò)散直徑是與不規(guī)則粒子有著相同擴(kuò)散速率的單位密度的球形粒子所具有的直徑。斯托克斯直徑是與不規(guī)則粒子有著相同密度和沉降速度的球形粒子所具有的直徑；光學(xué)直徑是與粒子有著相同的儀器檢測響應(yīng)信號的校準(zhǔn)粒子所具有的直徑，這些儀器是通過粒子與光的相互反應(yīng)而檢測粒子的2、粒度分布粒度分散范圍小于10%20%的氣溶膠被認(rèn)為是單分散性的。那些粒度變動范圍較廣的氣溶膠被認(rèn)為是多分散性的 。最簡單的粒度分布是用柱狀圖表示出連續(xù)粒度間隔內(nèi)的粒子數(shù)量 ，如果間隔足夠多，粒度分布將會成為微分粒度分布。由于粒度分布與粒子數(shù)量有關(guān)，或者分布圖的縱坐

14、標(biāo)表示粒子數(shù)量，所以這種分布被稱為數(shù)量分布。數(shù)量分布通常是冪律分布，質(zhì)量分布通常符合對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)。見P67頁公式一堆。對數(shù)正態(tài)分布應(yīng)用最廣。環(huán)境大氣中粒子的直徑范圍包括所定義的氣溶膠的所有直徑。粒子形成過程以及大氣中物理、化學(xué)作用決定了粒度。粒度是環(huán)境氣溶膠遷移的重要參數(shù)。氣溶膠的主要影響都與粒度有關(guān)，其中包括危害呼吸健康、降低能見度以及表面沉降等。 Junge（1963）較早描述了環(huán)境氣溶膠的粒度分布，他用冪律函數(shù)把粒子數(shù)量濃度對數(shù)與粒子半徑對數(shù)的關(guān)系圖表示出來。 Whitby（1978）提出，把大氣氣溶膠數(shù)量分布轉(zhuǎn)換成體積分布，而顯示了3種獨(dú)特的粒度模態(tài)，分別為核模態(tài)、積聚模態(tài)和粗粒子

15、模態(tài) 。最近研究指出，環(huán)境粒子粒度分布其實(shí)比Whitby模型更復(fù)雜。Whitby（1978）描述了一個(gè)三模態(tài)分布，其中包括0.0050.1m的核模態(tài)、0.12m的積聚模態(tài)及大于2m的粗粒子模態(tài)。每一個(gè)模態(tài)都符合對數(shù)正態(tài)函數(shù)。 在積聚模態(tài)與粗粒子模態(tài)之間，環(huán)境粒子粒度分布有一個(gè)最小濃度（在2m處）。Whitby把粒子分成兩個(gè)主要部分，即直徑在2m以下的精細(xì)粒子與直徑大于2m的粗糙粒子。這兩部分的主要區(qū)別在于源的差別及物理和化學(xué)性質(zhì)的差別，精細(xì)粒子主要來源于燃燒，而粗糙粒子則主要由化學(xué)作用產(chǎn)生。 核模態(tài)，粒度0.0050.1m ，幾何平均直徑范圍為0.0150.038m、平均直徑為0.029m、幾

16、何標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.7 。近期的數(shù)據(jù)表明，在核模態(tài)粒度范圍內(nèi)有兩種模態(tài)。 核模態(tài)是由大氣中氣體的光化學(xué)反應(yīng)和燃燒形成的。由于它的短暫性，核模態(tài)僅在源頭附近處顯著，如高速公路上。 目前，人們對“超細(xì)粒子”相當(dāng)關(guān)注，這些粒子可能滲透到肺部組織而使人體健康受損，超細(xì)粒子的不十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x是：與核模態(tài)有著相同粒度的粒子，但強(qiáng)調(diào)的是與最小粒度相接近。積聚模態(tài)，粒度0.12m，大氣中的復(fù)雜反應(yīng)導(dǎo)致硫和氮的氧化，產(chǎn)生含有無機(jī)化合物諸如硫酸銨、硝酸銨等積聚模態(tài)的粒子。在積聚模態(tài)粒度范圍內(nèi)，也含有有機(jī)碳和元素碳粒子。Whitby描述了一個(gè)質(zhì)量中值直徑約為0.3m的單積聚模態(tài)。 John等（1990）發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)粒度

17、范圍內(nèi)無機(jī)離子的粒子粒度分布有兩種模態(tài)，一種被John等稱為凝結(jié)模態(tài)，其平均空氣動力學(xué)直徑為0.2m；另一種被稱為飛沫模態(tài)，其平均空氣動力學(xué)直徑為0.7m。 凝結(jié)模態(tài)一詞，反映了其形成和增長方式是通過直接或間接與核模態(tài)粒子凝聚進(jìn)而凝結(jié)氣體。在凝結(jié)模態(tài)下，粒子增長速率隨粒度的增加而減小。因此，在可以達(dá)到的時(shí)間內(nèi)，環(huán)境大氣凝結(jié)模態(tài)不可能增加到超過0.2m。 飛沫模態(tài)，因?yàn)樵诖肆６确秶鷥?nèi)的粒子沉積物顯示出潮濕的跡象。飛沫模態(tài)的平均直徑為0.7m，但直徑范圍卻是從鄰近0.2m的凝結(jié)模態(tài)到1m。 積聚模態(tài)粒度范圍中也包括元素碳和有機(jī)碳粒子。 Mcmurry（1989）在SCAQS中進(jìn)行的測量表明，在這個(gè)

18、粒度范圍內(nèi)有一個(gè)雙峰分布，一個(gè)是在凝結(jié)模態(tài)，而另一個(gè)是比無機(jī)飛沫模態(tài)稍微小的模態(tài)。 Venkataraman和Friedlander（1994）測量了多環(huán)芳烴（PAHs）和元素碳的粒度分布，結(jié)果表明，它們的峰值大約為0.1m和0.7m。 粗粒子模態(tài)，粒度大于2m 。Whitby和Sverdrup（1980）報(bào)道了利用光學(xué)計(jì)數(shù)器測量的不同地方的粗粒子模態(tài)平均直徑為6.3m2.3m ，而且，他們也觀察到其他模態(tài)，有些比6m大得多 。 粒子由來自土壤的礦物粒子、生物粒子、海鹽粒子等組成。 土壤粒子的直接空氣動力學(xué)夾帶相對不明顯。被稱為跳躍的過程涉及湍流脈沖（turbulent bursts），可以噴

19、起地面上直徑約為100m的粒子，太大的粒子將在重力的作用下迅速地落下，慣性小的粒子不需要從風(fēng)中得到任何向上的凈速度，就可以隨渦旋運(yùn)動。 生物粒子通常由花粉組成，是相當(dāng)單分散的，直徑一般為20m或大于20m。 市區(qū)內(nèi)汽車產(chǎn)生的道路塵是巨大粗粒子模態(tài)。包含礦物的橡膠粒子以及在沿海城市發(fā)現(xiàn)的粗糙海鹽粒子都是粗粒子模態(tài)。 在沿海地區(qū)的粗糙氣溶膠中發(fā)現(xiàn)了硝酸鹽，這是硝酸與海鹽作用的結(jié)果。內(nèi)陸空氣中也能看到粗糙的硝酸鹽粒子，這是由硝酸鹽和堿性土壤粒子反應(yīng)而形成，在晚上可能是N2O2與土壤粒子反應(yīng)（Wolff，1984）而形成。Venkataraman等（1999）測量了印度的PAHs的粒度分布，發(fā)現(xiàn)不揮發(fā)

20、的PAHs在積聚模態(tài)達(dá)到峰值，但是平均32%在粗粒子模態(tài)范圍。半揮發(fā)性的PAHs在粗粒子模態(tài)中占優(yōu)勢，平均達(dá)到60%。Venkataraman等討論了核模態(tài)或積聚模態(tài)下的一次粒子揮發(fā)后，有機(jī)化合物吸附在粗糙模態(tài)的粒子上。 室內(nèi)氣溶膠室內(nèi)氣溶膠通常指居住地和辦公室里的氣溶膠，是與工業(yè)車間相區(qū)別的。人們越來越重視室內(nèi)氣溶膠，因?yàn)槿藗兤骄?0%到90%的時(shí)間都在室內(nèi)活動。哈佛大學(xué)的6城市研究（6-City Study）（Spengler等，1981）、紐約能量研究與發(fā)展機(jī)構(gòu)（ERDA）的研究（Sheldon等，1989）、EPA粒子總暴露評價(jià)方法（PTEAM）研究（Pellizzari等，1992）

21、。在吸煙者的家中，煙草煙霧是室內(nèi)氣溶膠成分中最主要部分。 室內(nèi)氣溶膠的第二個(gè)最顯著的來源是烹調(diào)煙霧。 煤油加熱器也是室內(nèi)氣溶膠的來源。室內(nèi)氣溶膠中的精細(xì)部分（PM2.5）含有油粒、木頭燃燒的煙霧粒、鋼鐵粒子及與機(jī)動車有關(guān)的源和含硫源釋放出來的粒子（Spengler等，1981）。室內(nèi)空氣中的生物粒子包括頭皮屑、真菌、細(xì)菌、花粉、孢子和病毒。墻、地板和天花板可以釋放出玻璃纖維、石棉纖維、礦渣絨和金屬微粒。使用噴霧器噴霧可以產(chǎn)生氣溶膠。紙產(chǎn)品是纖維素纖維的來源，衣服是天然的和合成的有機(jī)纖維的來源。 在有氡氣存在的房間里，氡附著在懸浮粒子上會形成了放射性氣溶膠。放射性粒子粒徑分布的活性中值直徑（AM

22、D）可以小到納米級。工業(yè)氣溶膠 工業(yè)產(chǎn)生的氣溶膠的特性由工廠類型、產(chǎn)品性質(zhì)、工廠運(yùn)作情況決定。 基礎(chǔ)工業(yè)包括石油精煉廠、非金屬礦物生產(chǎn)廠、黑色金屬冶金工業(yè)、有色金屬冶金工業(yè)、無機(jī)化學(xué)工業(yè)、紙漿與造紙工業(yè)、糧食與飼料工業(yè)。 礦井中的氣溶膠 。七、氣溶膠測量方法通常情況下，測量氣溶膠所用的儀器僅僅可以間接測量所需信息 ，大部分儀器也只能在一個(gè)有限的粒徑范圍內(nèi)進(jìn)行操作，最簡單或最復(fù)雜的儀器都可能在測量中引入誤差。因此，從事氣溶膠研究的人員必須分析和評價(jià)不同測量方法得到的數(shù)據(jù)的意義和有用性，以實(shí)現(xiàn)一種或多種特定目標(biāo)。 在選擇測量儀器時(shí)的難點(diǎn)就是，要把質(zhì)量保證原則應(yīng)用到氣溶膠測量方法中，以確保獲得準(zhǔn)確、

23、有意義的數(shù)據(jù)。選擇氣溶膠測量儀器時(shí)，考慮的首要因素之一是氣溶膠的粒度范圍。在粒度譜圖中的微小粒子端，氣溶膠粒子可能在（光）化學(xué)反應(yīng)、凝結(jié)核和凝結(jié)生長以及凝結(jié)或凝聚中形成。在譜圖上端的粒子很可能由于機(jī)械作用而形成，如磨損和擠壓，而飛沫可以通過噴霧和起泡形成。 氣溶膠小粒子與大粒子間的典型分隔線大約是1m，前者很少能生長到顯著超過幾m，而后者很少有低于0.5m。 兩種普遍使用的氣溶膠測量方法分別是收集和分析法、直讀感應(yīng)器法。前者的資金投入較少，但耗費(fèi)時(shí)間較長，能進(jìn)行完整的濃度測量，可以定性、定量測量氣溶膠；后一種方法要昂貴得多，通常能夠給出粒徑分布信息以及近于實(shí)時(shí)的測量結(jié)果，同時(shí)允許一段時(shí)間之后再

24、進(jìn)行一些測量。(見書82頁的圖)7.5氣溶膠測量方法-采樣與分析方法 最普遍的收集技術(shù)是用濾膜收集空氣中的粒子。粒子可以通過多種方法分析 整個(gè)濾膜上的樣品：重量分析、化學(xué)分析、生物分析或放射性分析 濾膜中的單個(gè)粒子 ：顯微分析、光譜分析或者形態(tài)分析 分級采樣裝置，通常用的是慣性分級裝置，幾臺分級器串聯(lián)起來作為“串級式”設(shè)備以分級氣溶膠或測量粒徑分布。包括串級沖擊式采樣器、串級向心采樣器、串級旋風(fēng)采樣器或浸提器組。 7.6氣溶膠測量方法-直讀方法 1、測量粒子質(zhì)量的直讀法測量質(zhì)量的最直接方法是讓粒子沉積到振動表面，并測量共振頻率的變化。第一類使用壓電晶體作為收集表面， 另一類振動感應(yīng)器是錐形元件

25、震蕩微天平 。另一種測量質(zhì)量的方法利用的是所收集的物質(zhì)中散射的射線使用電荷來測量串級沖擊式采樣器的每個(gè)單級中的粒子濃度（電低壓沖擊式采樣器 ）。最新發(fā)展的方法：濁度計(jì)或光度計(jì)，利用來自較大區(qū)域（大于光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器中的區(qū)域）的光散射測量粒子類型和粒徑分布信號的累計(jì)散射函數(shù)。在氣溶膠不隨時(shí)間顯著變化的情況下進(jìn)行自動校準(zhǔn)而測定粒子質(zhì)量 2、測量表面積的直讀法 一種方法是將氣溶膠暴露在離子場中，測量離子上累積的靜電荷。（ELPI） 第二種方法是以一種相似的得方式充電，但是沒有粒徑分離，從而得出總表面積。（Epiphaniometer） 第三種測量表面積的方法是使用短波光使氣溶膠粒子表面發(fā)出電子。檢測到

26、的電量是表面積的函數(shù) 3、測量單個(gè)氣溶膠粒子的直讀法光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器（OPC）、OPC可以獲得單個(gè)粒子的信息，或者測定總的粒子濃度 激光粒子計(jì)數(shù)器（LPC） 在一定的角度范圍內(nèi)，它可以檢測到每個(gè)粒子的散射光，并將其轉(zhuǎn)變成電脈沖。電脈沖是一個(gè)復(fù)雜函數(shù)，但一般是粒徑的遞增函數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：光散射為粒子檢測提供了一種相對較便宜的、非破壞性的、高速的技術(shù)。缺點(diǎn)：每個(gè)粒子的散射光與光源、檢測角度的范圍、粒徑、形狀以及粒子的折射率都有復(fù)雜的關(guān)系。在實(shí)際情況下，預(yù)測或抵消后兩個(gè)因素通常是比較困難的，因此OPC測量的粒徑通常只是近似值。對小粒子的檢測靈敏度低，在最佳的條件下最低檢出限為0.1m。 OPC的輔助措施-C

27、NC能夠檢測出幾nm的微粒，在一定條件下，甚至能檢測出13nm范圍內(nèi)的微粒 4、測量粒徑分布的直讀儀器針對小粒徑范圍幾種形式的電分級器可以分離亞微米級的粒子 ，通CPC檢測。 能得到幾nm到0.5m粒徑范圍內(nèi)的高分辨率信息，但不能準(zhǔn)確測量較大的粒子，因?yàn)榇罅Ｗ雍芸赡芰粲卸嘀仉姾?。 浸提器組（diffusion batteries）也可以作為直讀儀器，它檢測經(jīng)過CPC擴(kuò)散收集部件的粒子。浸提器組比其他電分級器的分辨率要低得多 ，主要是作為累計(jì)采樣儀器 針對大粒徑范圍粒徑測量最常用的儀器是OPC和LPC，這兩種儀器可以在一個(gè)相對較寬的濃度和粒徑范圍內(nèi)工作。 飛行時(shí)間粒度分級器 根據(jù)測量粒子通過感

28、應(yīng)區(qū)的飛行時(shí)間可以得到粒子速度，粒子的速度是其空氣動力學(xué)直徑的函數(shù)。 飛行時(shí)間質(zhì)量分析儀 飛行時(shí)間分級原理與激光消融系統(tǒng)和質(zhì)譜結(jié)合，從而得出與氣溶膠粒徑有關(guān)的化學(xué)信息 。7.7氣溶膠的測量誤差 此部分見書上圖1、采樣和傳輸 隨著氣溶膠進(jìn)入氣溶膠測量裝置的采樣口，環(huán)境空氣速度與采樣速度的比率、空氣湍流以及粒徑、形狀和采樣口方向都會影響到采樣效率。采樣口與收集裝置（如濾膜）或感應(yīng)器（如光度計(jì)的檢測區(qū)）的連接部分，在這些管道中會發(fā)生粒子損失，主要是由靜電引力、沖擊或重力沉淀以及氣溶膠進(jìn)一步凝結(jié)縮小等原因造成的，這通常發(fā)生在一些粒徑值較大的粒徑范圍內(nèi)，對于用以采集亞微米級粒子的裝置來說，擴(kuò)散也可能極大

29、地影響粒子損失。隨著采樣器布置位置的不同，粒子濃度的測量值要小于相應(yīng)的真實(shí)濃度 。 2、感應(yīng)器的靈敏度與重合效應(yīng) 直讀氣溶膠監(jiān)控器的感應(yīng)器有一個(gè)檢測下限，粒徑小于檢測下限的粒子將不能被檢測到 ，因此原始?xì)馊苣z粒度分布中的小粒子就不被計(jì)入。（0.3微米） 光學(xué)粒度分級儀器中可以產(chǎn)生進(jìn)一步的偏差，這種儀器的基礎(chǔ)是每次在檢測器觀察區(qū)內(nèi)只能有一個(gè)粒子。如果觀察區(qū)內(nèi)有幾個(gè)相互重疊的粒子，那么感應(yīng)器只能記錄一個(gè)粒子，而且很可能測定出粒徑較大的粒子 ；重疊效應(yīng)使粒度分布向較大粒徑區(qū)發(fā)生微小偏移，同時(shí)也減少了在該粒徑范圍內(nèi)的粒子觀察數(shù)。重疊效應(yīng)隨粒子數(shù)量濃度的增大而增大。 3、粒子統(tǒng)計(jì) 如果采集的粒子太少，出

30、于統(tǒng)計(jì)學(xué)的考慮，顯示的粒徑分布可能不能反映出真實(shí)的粒徑分布。因?yàn)榱Ｗ芋w積與粒徑的立方有關(guān)，少數(shù)大粒子的質(zhì)量比一些小粒子的總質(zhì)量還要大。因此在描述一些氣溶膠小粒子粒徑時(shí)，通常采用數(shù)量粒徑分布，而不用體積和質(zhì)量分布。 當(dāng)研究某一粒徑范圍內(nèi)的粒子時(shí)，必須在該粒徑范圍內(nèi)采集足夠多的粒子。 每個(gè)粒徑的表面積和體積乘以在各自的粒徑范圍內(nèi)的粒子數(shù)量 ，若知道粒子密度，就可以將粒子的粒徑分布轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分布。這些附加參數(shù)（數(shù)量、表面積或體積）表示出的氣溶膠粒徑分布也可以生成一條平滑曲線。 當(dāng)總計(jì)數(shù)減少時(shí)，數(shù)量分布曲線仍可近似認(rèn)為是呈對數(shù)正態(tài)分布的。 表面積分布主要是針對粒徑較大的粒子，而它們的數(shù)量通常較少。在大

31、粒子計(jì)數(shù)中，這些變量是很大的。生成的體積分布曲線或質(zhì)量分布曲線不理想，這是因?yàn)轶w積或質(zhì)量分布（陰影部分）更注重大粒子。因此，如果粒子總數(shù)較少，將粒子的數(shù)量分布轉(zhuǎn)化為體積或質(zhì)量分布時(shí)可能會產(chǎn)生很大偏差。 4、校正密度和其他物理性質(zhì) 粒子的空氣動力學(xué)直徑可以轉(zhuǎn)化為物理直徑，方法是將粒子的空氣動力學(xué)直徑除以粒子密度的平方根 。已知物理直徑的粒子與物理直徑比它大而密度比它小的粒子沉降在呼吸道中相同區(qū)域內(nèi)。 光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器利用單個(gè)粒子的光學(xué)特性判別粒徑，因此需要校準(zhǔn)儀器 ，通常，這些計(jì)數(shù)器及光度計(jì)是利用球形不吸光的氣溶膠校準(zhǔn)的，一般是鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）或聚苯乙烯橡膠（PSL）的球形粒子。5、粒徑

32、分布數(shù)據(jù)的表示方法 微分圖（柱狀圖法）可以更好地表示分布形狀：模態(tài)直接呈現(xiàn)，偏差產(chǎn)生的任何影響只限制在一個(gè)狹窄的粒徑范圍內(nèi) 。累積圖可以更好地估計(jì)出氣溶膠的中值直徑，不使用計(jì)算機(jī)就可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行較簡單的繪圖描述。 6、粒徑選擇 應(yīng)當(dāng)根據(jù)采樣目的選擇氣溶膠監(jiān)測器。 用一種氣溶膠進(jìn)行過校準(zhǔn)的光度計(jì)，如果測量另一種化學(xué)成分和粒徑分布完全不同的氣溶膠時(shí)，將出現(xiàn)偏差。這種偏差可以針對特定的氣溶膠而調(diào)整，方法是：使氣溶膠通過位于感應(yīng)器下方或與感應(yīng)器平行的濾膜，并調(diào)整感應(yīng)器的讀數(shù)使之等于濾膜上的濃度測量值。只要?dú)馊苣z的種類和粒徑分布保持不變，這種調(diào)整過程就是有效的。 八、氣溶膠的采樣與輸送 8.1緒論一個(gè)氣

33、溶膠采樣系統(tǒng)包括：1.從周圍環(huán)境中將氣溶膠抽入采樣口中（其外形和幾何形狀各不相同；2.樣品輸送系統(tǒng)即把氣溶膠樣品送入測量設(shè)備或儲存室管道裝置（這些元件或流量裝置，包括軟管、彎頭和壓縮機(jī)等組件）；3.樣品儲存區(qū)（根據(jù)需要選擇）。（見書上圖） 使用樣品采集系統(tǒng)，最重要的是能采集到人們所希望的粒徑范圍內(nèi)的樣品。采樣過程中影響氣溶膠樣品代表性的潛在因素可能有：1.樣品提取過程中的吸入效率以及樣品的沉積性；2.樣品儲存或輸送過程中的粒子沉積；3.外界氣溶膠濃度的極端性（極高或極低）或多樣性（非均質(zhì)性）因素；4.粒子在樣品輸送過程中的凝聚；5.樣品輸送過程中粒子的蒸發(fā)和（或）凝聚；6.已沉積的氣溶膠粒子又

34、進(jìn)入樣品氣流；7.局部高度沉積限制或阻塞氣流；8.在采樣口及輸送管路中粒子濃度的非均勻性。損失和沉積機(jī)制影響了采集和輸送的樣品的代表性。原理上，這些機(jī)制源于重力、慣性和擴(kuò)散作用。 當(dāng)重力或者慣性作用造成沉積時(shí)，空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑起主要作用 。當(dāng)擴(kuò)散造成沉積時(shí)，遷移率當(dāng)量或擴(kuò)散直徑當(dāng)量其主要作用。采集和輸送較大粒子的代表性樣品更加困難，因?yàn)樗鼈兊膽T性較大，這些粒子更不易受采樣氣流的影響。樣品輸送 術(shù)語定義 吸入效率（aspiration efficiency）asp定義為：進(jìn)入入口的這一粒度的粒子濃度與采集外界環(huán)境中這種粒子濃度之比。具有某粒度的粒子的傳輸效率（transmission effi

35、ciency）trans定義為：吸入的該粒度的粒子傳輸?shù)讲蓸酉到y(tǒng)其他部分的比例。入口效率inlet是提取效率與傳輸效率之積，也是通過采樣系統(tǒng)入口進(jìn)入采樣系統(tǒng)傳輸部分的氣溶膠濃度與外界濃度的比值 某粒度的粒子的總輸送效率transport是這種粒度的粒子在各種氣流部件、各種不同機(jī)制下的輸送效率之積 采樣效率sample為入口效率與總輸送效率之積 8.2采樣氣溶膠樣品的提取有一系列要求（應(yīng)用）：1.監(jiān)測外界大氣的污染情況；2.監(jiān)測工作環(huán)境大氣中的有害物質(zhì)；3.監(jiān)測廢氣排放煙囪或管路以檢測污染控制設(shè)備；4.監(jiān)測無塵室內(nèi)的特殊污染；5.監(jiān)測生產(chǎn)或工業(yè)制造過程；6.監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究過程。氣溶膠采樣中有兩個(gè)基

36、本情況：1.從靜止環(huán)境中采集粒子；2.從載攜粒子的氣流中采集樣品。8.2.1效率 與入口速率相關(guān)的asp、trans，取決于外界大氣速度U0、入口的幾何形狀和位置、采樣氣流速度U及粒子的空氣動力學(xué)直徑d0。 當(dāng)入口處的平均采樣流速等于氣流速度并是同軸采樣時(shí)，此時(shí)的采樣稱為等速采樣。 當(dāng)采樣速度不等于氣體速度時(shí)就是非等速采樣，當(dāng)采樣速度高于氣體速度時(shí)，采樣是超等速采樣，當(dāng)采樣速度低于氣流速度時(shí)，采樣是次等速采樣。 見書上圖，及其解釋8.2.2用薄壁采樣嘴在流動氣體中采樣薄壁采樣嘴的入口效率是吸入效率和傳輸效率之積。同軸等速采樣是一種理想的采樣狀態(tài)，而且能以近100的效率吸入所有粒徑的粒子，與此情

37、況不同的非同軸非等速采樣采集的樣品不具代表性，而且大粒子的吸入效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離100。粒子直徑越大，差別也越大。 同軸采樣吸入效率 ：P105公式8-88-10 ，非同軸采樣吸入效率：P108公式8-208-22采樣中的傳輸損失 ：同軸等速采樣中的傳輸損失，原則上只來源于水平氣流的重力沉降作用和自由氣流的湍流作用。若氣流既不是同軸的，也不是等速的，就會產(chǎn)生由慣性作用引起的損失，進(jìn)入采樣嘴時(shí)氣流方向會發(fā)生變化，沒有沿氣流方向運(yùn)動的較大的粒子將會沉積在管壁上。薄壁采樣總結(jié) ：薄壁采樣嘴采樣的入口效率取決于斯托克斯數(shù)、外界大氣速度和采樣氣體速度的比值以及采樣角度。斯托克斯數(shù)取決于外界大氣速度和采樣嘴直徑

38、。為了能夠得到具有代表性的樣品，應(yīng)該進(jìn)行等速（等-平均-速率）同軸采樣，并且斯托克斯數(shù)應(yīng)該保持較小值。 與粒子沉降速度相比，外界自由氣流和采樣氣流速度應(yīng)該是比較大的。 入口直徑較大（1cm級別的）的采樣嘴，則不易受到自由氣流湍流作用的影響 8.2.3用Blunt采樣器在流動氣體中采樣Blunt采樣器和厚壁采樣嘴的缺點(diǎn)是：粒子沉積在采樣器表面或入口，已經(jīng)沉積的物質(zhì)再次進(jìn)入入口，難以表征粒子的反彈，難以獲得較大粒子的代表性樣品 。同軸采樣 非同軸采樣 8.2.4靜止空氣中的采樣小管任意方向代表性采樣的Davies標(biāo)準(zhǔn) ： 第一是慣性條件，保證粒子被采入采樣嘴，表示為Stki95%的垂直采樣建立一個(gè)

39、標(biāo)準(zhǔn)，與入口尺寸和氣流有關(guān)，即 Q樣品體積流速；d入口直徑； g 重力加速度。8.2.5低速氣流中的采樣在流動空氣中，氣體流速比粒子沉降速度大；在靜止空氣中，粒子沉降速度和重力沉降作用顯著。在低速空氣中，粒子的沉降速度會影響尖銳采樣嘴的吸入效率。提出了一個(gè)修正系數(shù)用于修正粒子沉降對吸收效率的影響，這個(gè)修正系數(shù)可以放在吸入效率關(guān)系式中 8.3樣品輸送時(shí)粒子損失原因：1.重力沉降；2.擴(kuò)散沉積；3.湍流慣性沉積；4.彎管處的慣性沉積；5.氣流阻塞器處的慣性沉積；6.靜電沉積；7.熱傳導(dǎo)沉積；8.擴(kuò)散傳導(dǎo)沉積。九、過濾收集緒論：過濾技術(shù)由于其靈活、簡易和經(jīng)濟(jì)，而成為應(yīng)用最廣泛的氣溶膠測量技術(shù)。 氣溶

40、膠過濾的核心內(nèi)容是收集，即將具有代表性的樣品從氣相中收集到多孔介質(zhì)或?yàn)V膜上。使氣溶膠便于貯藏、運(yùn)輸并為樣品的重量分析、微觀分析、微量化學(xué)分析及其他分析提供了前提條件。選擇合適的氣溶膠過濾技術(shù)時(shí)，最基本的目標(biāo)是確保樣品的代表性。 9.2過濾樣品的基本原則 見圖P1341.采樣探頭 ：氣溶膠動力學(xué)行為影響入口的吸入效率；采樣探頭入口表面與空氣流之間的溫度梯度引起粒子損失；采樣探頭，尤其是塑料采樣探頭，其入口表面帶電引起靜電沉積。從空氣流中采樣時(shí)，采樣探頭的方向應(yīng)與氣流方向相反。體積采集速率和采樣探頭噴嘴的橫截面積決定了進(jìn)入入口的空氣流速。要保證等速采樣，空氣進(jìn)入入口的速率就應(yīng)等于入口附近的空氣流速

41、，采樣探頭的方向也應(yīng)與空氣流平行。等速采樣的重要性在于能確保人們采集到代表性氣溶膠樣品。 2.連接采樣探頭和濾膜托之間的管路 輸送效率受一系列因素的影響，如管壁的重力沉降、擴(kuò)散沉積、慣性沉降以及溫度梯度和靜電作用而造成的粒子損失。 在不知道氣溶膠粒徑分布的情況下，要校正采樣偏差非常困難。一般通過以下方法減少損失：濾膜托盡可能接近采樣探頭；盡可能不使用采樣探頭或把管直接連到濾膜上。 3.濾膜托 使用濾膜托可能會產(chǎn)生濾膜托管壁靜電沉積和擴(kuò)散沉積，并使氣溶膠發(fā)生聚合或蒸汽，這種變化是由空氣流與濾膜托之間的溫度梯度引起。當(dāng)設(shè)計(jì)氣溶膠測量的過濾系統(tǒng)時(shí)必須考慮這些因素?？朔@些潛在問題的技術(shù)包括：使用密閉

42、控溫裝置套住濾膜托，從而使溫度梯度減至最低。濾膜托最重要的功能即確保濾膜與周圍環(huán)境隔離 ，必須進(jìn)行密封性測試以確保樣品氣體全部通過濾膜托中的濾膜。 4.濾膜 選擇濾膜的重要參數(shù)是：氣溶膠（希望采集的粒徑范圍內(nèi)的氣溶膠）的收集效率；氣流通過濾膜時(shí)的壓力降（決定能通過的氣體體積）；濾膜對采樣環(huán)境及采樣中各個(gè)過程的適應(yīng)性?；瘜W(xué)反應(yīng)在濾膜表面形成的矯作（artifact）；一些干擾，如氣溶膠重量分析中使用吸濕濾膜可能產(chǎn)生的干擾；受費(fèi)用限制的采樣規(guī)模和所需要的濾膜數(shù)量。 5.測量和控制通過濾膜的空氣流量 設(shè)計(jì)良好的氣溶膠測量過濾收集系統(tǒng)應(yīng)該是：能在合適的濾膜上收集到代表性氣溶膠樣品，并能準(zhǔn)確地知道通過濾

43、膜的空氣流度或累計(jì)空氣體積。 9.3測量濾膜用于氣溶膠采樣的濾膜可以分為纖維濾膜、多孔濾膜、直通孔、濾膜和粒子床濾膜。（各濾膜優(yōu)缺點(diǎn)比較圖）9.4過濾理論9.4.1過濾機(jī)制引起粒子沉降的重要機(jī)制是擴(kuò)散力、慣性碰撞、阻擊力和重力沉降。此外，纖維表面上收集的粒子形成的枝狀結(jié)晶形狀能夠收集其它粒子。 在過濾理論中，通常假設(shè)上面討論的單個(gè)過濾機(jī)制相互獨(dú)立并可以相加，單個(gè)纖維過濾效率能夠?qū)懗刹煌瑱C(jī)制作用下的單個(gè)過濾效率之和。不同粒度范圍內(nèi)的過濾機(jī)制不同 ：見圖P142負(fù)載作用： 如果過濾時(shí)間較長，可以得到高濃度的粒子，而且粒子的收集率和壓力降也會增加。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是：粒子在過濾介質(zhì)上堆積，沉積下來

44、的粒子為進(jìn)入的粒子提供了沉積面，粒子可以沉積在這些粒子表面上。這種機(jī)制本身與時(shí)間相關(guān)，因?yàn)榱Ｗ又罱Y(jié)晶的尺度、形狀和形態(tài)不斷變化。 9.4.2最大穿透粒度及最小效率 粒度增長時(shí)，攔截阻力和慣性碰撞機(jī)制引起的過濾增強(qiáng)，而粒度減小時(shí)，布朗擴(kuò)散機(jī)制引起的收集增強(qiáng)。結(jié)果，存在一個(gè)中間粒度區(qū)，在此區(qū)中，兩種或多種機(jī)制同時(shí)作用但均不占據(jù)主導(dǎo)地位，粒子穿過濾膜的量最大而過濾效率最小。當(dāng)過濾效率最小時(shí)，此時(shí)的粒度被命名為“最多穿透粒度（most penetrating partical size）”，人們一度認(rèn)為這個(gè)粒度大約為0.3m 。9.4.3薄膜濾膜已證明多孔濾膜的過濾機(jī)制與纖維膜相同 ，唯一需要修正的

45、是使用一個(gè)有效纖維直徑來表示膜結(jié)構(gòu)。 9.4.4濾膜的壓力降 理想濾膜應(yīng)該是壓力降低、過濾效率高的濾膜。 9.4.5過濾測試方法以前，濾膜測試是使用傳統(tǒng)的DOP測試法。改進(jìn)了的測試方法，該系統(tǒng)包括一個(gè)氣溶膠源（該源能夠提供一系列已知粒度的單分散性氣溶膠）、一個(gè)濾膜測試區(qū)和一個(gè)氣溶膠檢測器。 9.5選擇濾膜粒子收集效率、特定氣流下通過濾膜的壓力降、與所用分析方法的兼容性和花費(fèi)限制。 過濾介質(zhì)的機(jī)械張力的限制及過濾介質(zhì)與環(huán)境采樣條件如溫度、壓力、濕度和腐蝕度等的兼容性也影響選擇。 9.5.1重量分析該技術(shù)要求：濾膜高效（接近100%）收集氣溶膠、濾膜的重量隨采樣增加，且增加的重量全部是收集到的氣溶

46、膠，即濾膜重量不受其使用時(shí)間、溫度和濕度條件的影響。 重量過濾分析最易受到濕度（相對濕度）效應(yīng)及濾膜材料的靜電效應(yīng)得影響。在重量分析中，最小化相對濕度的標(biāo)準(zhǔn)方法是：在采樣前、后使濾膜在常溫常濕度條件（如20，相對濕度50%）下保持24h使之平衡。克服吸濕性氣溶膠所引起的復(fù)雜濕度影比較困難，其方法是：在不同的濕度下用“控制樣品”來校準(zhǔn)重量增量，或是最小化采樣與重量測量之間的時(shí)間，除此之外別無他法。 最小化靜電影響的常用方法是：在采樣前或重力分析前把這些濾膜暴露在一個(gè)產(chǎn)生雙極離子的源處，如Po-210或Am-241。使用導(dǎo)體濾膜托可以解決這一問題。 9.5.2微觀分析微觀分析要求粒子收集在平整的或

47、盡量接近平整的濾膜表面，如微孔和直通孔濾膜。其它表面分析技術(shù)也對氣溶膠收集介質(zhì)有同樣要求，其中包括：X射線熒光性（XRF）、X射線衍射（XRD）以及質(zhì)子引導(dǎo)的X射線放射（PIXE）分析，它們可以測量元素濃度和化學(xué)成分濃度及氣溶膠放射性。 將氣溶膠收集到表面或表面附近，有利于這些技術(shù)進(jìn)行分析。但在分析中，還應(yīng)最小化氣溶膠的收集表面區(qū)，最小化濾膜背景濃度或?yàn)V膜空白材料的影響。 9.5.3微量化學(xué)分析選擇過濾介質(zhì)時(shí)，重點(diǎn)考慮的因素包括分析所需要的粒子數(shù)量，并需要把以下因素減至最小：（1）空白濾膜的背景效應(yīng)所引起的干擾；（2）采樣過程中及采樣后，濾膜上化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的矯作影響。十、慣性、重力、離心和熱收

48、集技術(shù)10.1緒論粒子采樣中常用的慣性分離器包括沖擊式采樣器（impactor）、虛擬沖擊式采樣器（virtual impactors）和旋風(fēng)器（cyclone）。 沉降室包括離心分離器和重力沉降裝置，但不常用。熱沉降器幾乎不用。 10.2慣性分級器粒子慣性分級器的原理相當(dāng)簡單，即利用粒子的慣性將其分離。在這些設(shè)備中調(diào)整風(fēng)速，如果粒子的慣性大到足以使其穿過氣流并逃離氣流，那么粒子將被俘獲，慣性較小的粒子將留在氣流中。 一般使用4種慣性分級器，即機(jī)體沖擊式采樣器、常規(guī)沖擊式采樣器、虛擬沖擊式采樣器和旋風(fēng)器。書上有圖常規(guī)沖擊式采樣器 即載有粒子的氣體噴射沖擊在一個(gè)平板上。這種沖擊式采樣器還包括：圓

49、形或矩形噴嘴沖擊式采樣器，單噴嘴或多噴嘴沖擊式采樣器以及平面或圓柱形沖擊板。 見書上圖沖擊式采樣器由一個(gè)噴嘴和一個(gè)沖擊板組成，它可以根據(jù)粒度把粒子有效地分為兩部分 。通常情況下，人們希望確定氣溶膠的整個(gè)粒徑分布，而不僅僅是小于特定粒徑的粒子數(shù)量。在這種情況下，應(yīng)使用一系列層疊的沖擊級，即是使氣流從一級到達(dá)另一級，這樣就可以在不連續(xù)的粒徑范圍內(nèi)去除粒子 。評估常規(guī)沖擊式采樣器沖擊板上的沉積粒子的方法： （1）將粒子收集在玻璃板、濾膜或金屬薄片上，然后用顯微鏡觀察或計(jì)數(shù)；（2）將粒子收集在金屬薄片上，稱重金屬薄片以確定每級收集到的粒子質(zhì)量；（3）將粒子收集在石英晶體上，根據(jù)晶體自然頻率的變化而確定

50、粒子質(zhì)量；（4）在粒子通過沖擊式采樣器之前，對粒子充電，并測量每個(gè)沖擊板的電流強(qiáng)度以確定收集到的粒子數(shù)量 。沖擊式采樣器存在3個(gè)主要問題粒子反彈、過量采集和級間損失 ： 粒子反彈，因?yàn)閺囊粋€(gè)沖擊板上反彈出的粒子將會由切割粒徑更小的后級階段收集或被后備濾膜收集，從而改變粒徑分布，而且滯留下來的粒子會阻塞后級階段的較小噴嘴。解決粒子反彈問題的最合理方法就是在沖擊板上使用粘性表面 沖擊板上粒子超負(fù)載沉積的問題更容易解決，因?yàn)槭占降牧Ｗ訑?shù)量是采樣時(shí)間的函數(shù)。 級間損失，與粒徑有關(guān)因此再次歪曲了粒徑分布的測量值,用實(shí)驗(yàn)確定粒徑與級間損失之間的函數(shù)關(guān)系，那么就可以修正沖擊式采樣器的粒徑分布數(shù)據(jù)。 虛擬沖

51、擊式采樣器 見書上圖 主要區(qū)別在于常規(guī)沖擊式采樣器中的沖擊板被虛擬沖擊式采樣器的探頭代替,帶有粒子的噴射氣流通過噴嘴進(jìn)入探頭并發(fā)生分離 虛擬沖擊式采樣器中，需要考慮的主要問題就是級間粒子損失。這些損失通常發(fā)生在收集探頭的上邊緣或噴嘴板的背面。粒徑等于沖擊式采樣器切割點(diǎn)的粒子的損失量最大，而且，如果虛擬沖擊式采樣器設(shè)計(jì)不精確或使用不正確，這些損失可高達(dá)60% 。影響這些損失的主要因素包括：探頭直徑與噴嘴直徑的比值、探頭形狀、噴嘴軸與探頭軸的對準(zhǔn)、伸出過噴嘴板的噴嘴形狀、噴射流的雷諾數(shù)及次氣流的比例。通常情況下，噴嘴和探頭的軸必須對準(zhǔn)，探頭直徑應(yīng)比噴嘴直徑大30%40%，噴嘴的進(jìn)口應(yīng)該平滑，而噴嘴

52、應(yīng)當(dāng)伸出入噴嘴板約23個(gè)噴嘴直徑，次氣流應(yīng)占總氣流的5%15%。 機(jī)體沖擊式采樣器 機(jī)體采樣器僅使沖擊表面（機(jī)體）通過空氣或相反地使空氣通過機(jī)體而工作。研究成功的兩類機(jī)體采樣器是旋轉(zhuǎn)棒采樣器和Noll沖擊式采樣器 。旋風(fēng)采樣器 在旋風(fēng)采樣器中，噴射的空氣毫無約束地沖擊在圓柱體內(nèi)表面，然后在圓柱體中以旋風(fēng)的形式向下運(yùn)動并進(jìn)入一個(gè)圓錐區(qū)。在圓錐區(qū)中，空氣改變方向并圍繞旋風(fēng)器的軸呈螺旋狀向上并在圓柱體的上邊緣到達(dá)逃離管道。大于切割直徑的粒子可以沉降在圓柱體和錐形的內(nèi)表面。粒子降落到圓錐的頂點(diǎn)并進(jìn)入集塵罐。 旋風(fēng)器的切割直徑由流速、入口和出口大小及圓柱體的大小決定.旋風(fēng)器的嚴(yán)格理論分析要比沖擊式采樣器

53、困難得多，因?yàn)闅饬魇?維的 測量對策 ： 在選擇慣性分級器之前，首先必須明確收集粒子的目的。 此外，還要確定采樣是否受時(shí)間限制。 另一個(gè)重要因素是待采集粒子的粒徑范圍。 最后，選擇采樣器時(shí)還應(yīng)考慮粒子的分析技術(shù)。 十一、大氣氣溶膠組分的化學(xué)分析方法 11.1緒論大氣氣溶膠是一種懸浮在大氣中的液體和固體的復(fù)雜混合物。 其形成方式有兩種：直接排入大氣（如一次粒子），或在其生命周期內(nèi)通過化學(xué)反應(yīng)形成（如二次粒子）。一次粒子的主要成分是與土壤有關(guān)的物質(zhì)（如Fe、Si、Ca、Mg）及有機(jī)物（如一些花粉或孢子）。人為二次粒子的前體物包括氮氧化物、硫氧化物和有機(jī)物，有機(jī)物主要是由燃燒產(chǎn)生的。二次粒子大部分是

54、由硝酸鹽、硫酸鹽、有機(jī)碳和元素碳（煤煙）組成。大氣粒子由多種化合物組成，因此就需要多種采集和化學(xué)分析技術(shù)。 EPA已經(jīng)建立了3個(gè)交織的監(jiān)測網(wǎng)，用以提供空間、時(shí)間和氣溶膠組成的不同程度的信息 .基礎(chǔ)監(jiān)測網(wǎng)、 EPA國家PM2.5化學(xué)組分監(jiān)測網(wǎng)（Chemical Speciation Network）、超級站點(diǎn)（Supersites）項(xiàng)目 化學(xué)組分監(jiān)測網(wǎng)檢測化學(xué)物質(zhì)的方法是：用幾種不同類型的濾膜收集PM2.5，然后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行化學(xué)分析。 用于質(zhì)量測量的重力測量；用于陰陽離子測量的離子色譜；用于有機(jī)碳和元素碳分析的熱光轉(zhuǎn)化方法；用于微量和痕量元素分析的能量色散X射線熒光法（ED-XRF）。（見書上

55、圖） 11.3質(zhì)量測量濾膜上的氣溶膠的重量分析是一種差額測量，即在一定條件下，分別稱量采樣前后的濾膜重量。 應(yīng)用最廣泛的采樣介質(zhì)是泰氟瓏（即聚四氟乙烯）（Teflon）、石英纖維、泰氟瓏包裹的石英纖維或玻璃纖維。 對于PM2.5，規(guī)定要求濾膜在很窄的溫度范圍（293到296K20到23，并且24h內(nèi)的變化不超過2K2）和相對濕度下（30%40，并且24h內(nèi)的變化不超過5）達(dá)到平衡。 PM10收集在標(biāo)準(zhǔn)的0.20m0.25m810in2濾膜上，用刻度100g的分析天平稱量采樣前后的濾膜重量；細(xì)粒子收集在直徑為37mm或者47mm的Teflon濾膜上，用刻度是1g的分析天平稱量。為了獲得較高的準(zhǔn)確

56、度和精密度，稱量區(qū)一定不能震動并且不能有氣流經(jīng)過天平。在稱量前必須消除濾膜上的靜電以最小化靜電對天平表面的吸引 。影響氣溶膠質(zhì)量測量的精密度和準(zhǔn)確度的其它因素包括： sampling artifacts ，采樣、運(yùn)輸和存儲過程中的影響。 質(zhì)量測量的精密度通常通過重復(fù)稱量濾膜得出其再現(xiàn)性，或者通過平行測量而實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)的精密度在5范圍內(nèi) 11.4可萃取的陰陽離子的分析方法離子色譜。在離子色譜中，將已萃取過的樣品分成等份，并注射進(jìn)離子色譜的進(jìn)樣口。在大多數(shù)情況下，強(qiáng)酸陰離子的洗提液是碳酸重碳酸稀溶液，弱酸陰離子的洗提液是硼酸稀溶液，而陽離子的洗提液則是鹽酸稀溶液。 液相萃取 親水性濾膜，如紙、玻璃纖

57、維或者石英濾膜，對水溶性物質(zhì)的萃取效率接近100。而疏水性的泰氟瓏濾膜的萃取效率要低得多，用液體溶劑萃取水溶性組分之前有必要進(jìn)行一些特殊處理。取樣要求：萃取水溶性離子的濾膜材料必須是親水性的，以使溶液穿過濾膜。如上所述，在萃取前，必須潤濕泰氟瓏濾膜。萃取尼龍濾膜上的硝酸鹽時(shí)要用弱堿溶液。 離子色譜 離子選擇電極（Ion Selective Electrodes，ISE）測定收集在濾膜上的大氣粒子的液相萃取物中的硫酸鹽、硝酸鹽和銨根離子的濃度 。ISE易于使用且價(jià)格便宜。然而，ISE易于受到溶液中的其它離子的影響。 比色法是指通過吸收光譜來測量溶液顏色的變化。它們通常測量的離子是硫酸根、硝酸根、氯離子和銨根離子 能夠直接測量濾膜上氣溶膠的某些組分的方法有如下兩種。XRF可以直接檢測濾膜介質(zhì)上收集的氣溶膠樣品中的硫酸根或硫酸氫根等離子， XRF是測量泰氟瓏濾膜上采集的大氣粒子硫元素濃度的常規(guī)方法，經(jīng)驗(yàn)表明，在大多數(shù)環(huán)境空氣氣溶膠樣品中，水溶性硫酸鹽的濃度是硫元素濃度的3倍（硫元素與硫酸根的分子量之比為3） 。 傅立葉變換紅外光譜（FTIR） 氣溶膠中的大多數(shù)多原子離子可以吸收紅外輻射。