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气溶胶特性及其危害和净化的研究

编辑:杭州消防公司      发布日期:2018-05-22        浏览次数:

  大气介质和混合与其中的固体或液体颗粒物组成的体系称为气溶胶。常见的烟雾就是气溶胶。对于气溶胶这种分散系,气溶胶的粒径大小一般在10-3-102μm量级[1]。大气气溶胶是由不同来源的粒子混合物组成的,是影响我国城市大气质量的主要污染物,特别是在我国干旱地区,由于生态破坏严重,地表扬尘、沙漠和黄土高原春季尘暴成为向大气中输送粒子的重要自然源,加之我国目前及今后相当长时期内,燃料体制主要是烧煤,大量烟尘直接排入大气,因此,大气气溶胶所造成的环境污染尤为严重。 
  2. 气溶胶特性研究 
  在国内外一些沿海地区和海岛已进行了大气气溶胶特征与来源的研究[3-6]。 
  2.1 气溶胶粒径分布 
  气溶胶的粒径分布是重要的物理参量,对于深入了解粒子的类型和来源极为有用。描述气溶胶粒径分布的方式有多种,这里介绍两种。 
  1. 按粒子大小划分的粒子谱 
  Junge提出将粒子(或核)按大小划分成三组:粒子半径小于或等于0.1微米者为第一组,称爱根粒子(为第一个研究者的姓),半径从0.1到1.0微米的称大粒子,为第二组,半径大于1.0微米的称巨粒子,为第三组。 
  2. 粒子的三模态分布系统 
  Whioty用三个对数分布组成的三峰横式来表征气溶胶的粒径分布,按三个尺度范围分别命名为核模、积聚模和粗模: 
  核模(nucleimode)0.005-0.05微米 
  积聚模(a。。um。lati。。m。de)0.05-2微米 
  粗模(Coarsemode)>2微米 
  2.2 气溶胶的光学特性 
  气溶胶粒子能吸收并散射太阳辐射,削弱太阳的辐射强度,降低能见度,影响大气辐射平衡,从而影响气候。气溶胶粒子对光的散射与其粒径有关,最有效散射为粒径在0.1-1微米的粒子,属于细粒子范围。能见度与大气中气体分子和微粒物质的光吸收和光散射有关,如果空气中没有微粒物质,仅气体分子散射,视程一般可达320到390公里,且天空呈兰色。但是,在气溶胶污染严重的地区,视程仅有10公里左右。 
  2.3 气溶胶的电学性质 
  气溶胶粒子表面一般是带电的,所带电荷数目取决于粒径大小、表面状态和介电常数值,原则上,大于3微米的粒子带负电荷,而小于0.01微米的粒子带正电,0.1微米左右的粒子可带正或负电荷。气溶胶粒子表面所带电荷的数目,可以影响其凝聚速率、沉降速率及大气的导电性。 
  3. 气溶胶的危害 
  气溶胶是影响我国城市大气质量的主要污染物,特别是在我国北方干旱地区,由于生态破坏严重,地表扬尘、沙漠和黄土高原春季尘暴成为向大气中输送粒子的重要自然源,加之我国目前及今后相当长时期内,然料体制主要是烧煤,大量烟尘直接排入大气,因此,大气气溶胶所造成的环境污染尤为严重。 
  3.1 对人体的危害 
  飘浮在空气中的气溶胶粒子很容易被吸入呼吸道系统,它们在呼吸道中沉积的位置完全由粒径大小所决定。粒径大于4微米的粒子可被上呼吸道俘获,而小于4微米的粒子可到达肺部。气溶胶对人体的危害主要表现在致呼吸道疾病,如支气管炎、肺炎、咽炎、支气管哮喘、肺气肿和肺癌等。 
  3.2 气溶胶对能见度的影响 
  能见度与气溶胶质量浓度呈明显负相关关系。当PM1大于60μ��/m3时,随PM1质量浓度降低,能见度变化不明显;当PM1大于60μ��/m3时,随PM1质量浓度降低,能见度迅速升高。气溶胶质量浓度对能见度的影响,大气中气溶胶颗粒物的吸收和散射作用是导致能见度下降的主要原因。从20世纪70年代开始,一些科学家就开始研究气溶胶的化学组分、粒径分布及光学特性以及气溶胶对能见度影响的物理化学机制Cover等[7-8]认为在干状态下,对于气溶胶的光学性质而言,颗粒物质量浓度是最重要的,接下来依次是气溶胶的粒子谱分布、相对折射率,最后是气溶胶的形态。气溶胶微粒能对阳光产生强的散射作用,使大气能见度降低。 
  3.3 气溶胶对雾的影响 
  随着城市和社会经济的发展,一些城市雾有减少趋势。20世纪50年代西双版纳首府景洪平均年雾日166天,到20世纪90年代(1990-1995年)平均年雾日仅58天。20世纪50年代重庆市平均年雾日103天,到20世纪80年代平均年雾日仅48天。有雾日雾内含水量明显减少,雾滴尺度明显减小,而雾滴数密度却明显增大。雾减少的一个主要原因是城市扩大,工业和交通运输业的发展导致城市热岛效应的增强和空气污染日益加剧。观测表明,近年来,城市气溶胶粒子明显增多。气溶胶粒子可成为雾的凝结核,气溶胶粒子的增多必然使雾滴数密度增大.气溶胶的净化和研究现状 
  对于气溶胶这种分散系,气溶胶的粒径大小一般在10-3-102μm量级[1],分布范围很广。目前寻求的解决思路是:通过凝并技术或者高效过滤材料、吸附材料来收集放射性气溶胶。 
  凝并技术对提高对微细粒子的控制水平有利,其实质就是使分散的微细粒子通过物理或化学作用互相接触而结合成较大的颗粒。根据凝并机理的不同,主要分为热凝并、声凝并及电凝并等。其中电凝并技术中异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并是提高电凝并速率的有效方法,这种电除尘方式具有较高的除尘效率,但对于放射性纳米级气溶胶粒子的收集效率难以保证。   净化技术:气溶胶粒子的过滤是拦截、惯性碰撞和扩散等机制共同作用的结果,粒子粒径不同,其过滤机制也不一样。对于粒径d<0.1μm的气溶胶粒子,以布朗扩散机制为主,粒径越小,扩散系数愈大,气溶胶粒子通过布朗扩散附着 
  于滤材微孔的作用也越强,这就是为什么粒径越小,过滤效率越高的原因;对于粒径d>0.5μm的粒子,以拦截和惯性碰撞机制为主,一方面当粒径大于滤材孔径时被完全拦截,另一方面由于惯性作用,流体中的粒子不会随任意弯曲的气流通过滤材,而是和滤材纤维发生碰撞并沉积在纤维上,因此粒子粒径愈大,过滤效率愈高。 
  羽毛角蛋白海绵膜去除在气溶胶上也有所效果。该角蛋白膜的天然和柔韧性使其在制备口罩材料上具有很大潜力,因此对气溶胶吸附实验采用的空气流速为接近人体呼吸速率的1m/s。PM10,PM2.5和PM1.0是评价大气污染的重要因子,在空气流速1m/s 18℃下,角蛋白膜对PM10去除率为98%、PM2.5为39.28%、PM1.0为32.97%,由此可见该膜对去除效率最高,这主要得益于角蛋白膜的丰富孔隙结构,能够对气溶胶粒子有很好的截留作用,由于PM10是目前污染最为广泛和严重,也是危害最大的一类颗粒污染物[20-21],因此该角蛋白膜在大气污染控制方面有很大应用潜力。 
  4. 结论 
  (1)气溶胶可通过呼吸道进入人体内部,危害人的健康。 
  (2)能见度与气溶胶质量浓度呈明显负相关关系。 
  (3)气溶胶粒子的存在,由于其温度效应,会使地面雾形成时间推迟,低层雾含水量普遍减小。当气溶胶粒子成倍增加后,对雾的形成和发展均有阻碍作用,即有可能不出现雾,或仅形成于低空而不及地。 
  (4)角蛋白膜对PM10去除率达到98%,对PM2.5和PM1.0也具有30%以上的去除率,对在大气污染日益严重雾霾天气多发的现状下,角蛋白膜作为舒适无毒的天然蛋白有望在口罩材料中得到应用。