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氣溶膠(aerosol),是由固體或液體小質點分散並懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系,又稱氣體分散體系。其分散相為固體或液體小質點,其大小為10-3cm~10-7cm,分散介質為氣體。氣溶膠包括大氣氣溶膠和人造氣溶膠兩大類,其中大氣氣溶膠對地球環境和氣候變化有著極其重要的影響,人工製造的氣溶膠廣泛應用於工業、農業、醫藥及國防領域。

1 氣溶膠 -種類

自然產生的氣溶膠

氣溶膠大氣氣溶膠

1、大氣氣溶膠。

大氣氣溶膠又稱顆粒物,是液態或固態微粒在空氣中的懸浮體系,能作為水滴和冰晶的凝結核(見大氣凝結核、大氣冰核)、太陽輻射的吸收體和散射體,並參與各種化學循環,是大氣的重要組成部分。霧、煙、霾、輕霧、微塵和煙霧等,都是天然的或人為的原因造成的大氣氣溶膠。

2、生物氣溶膠。

微粒中含有微生物或生物大分子等生物物質的稱為生物氣溶膠(bioaerosol),其中含有微生物的稱為微生物氣溶膠。

人造氣溶膠

1、工業化氣溶膠:有殺蟲劑、消毒劑和衛生消毒劑、洗滌劑和清潔劑、蠟、油漆和髮膠。

2、食用氣溶膠:攪拌過的奶油。

2 氣溶膠 -來源及消除

來源

氣溶膠有自然或人類兩種來源。

天然氣溶膠按其來源可分為一次氣溶膠(以微粒形式直接從發生源進入大氣)和二次氣溶膠(在大氣中由一次污染物轉化而生成)兩種。它們可以來自被風揚起的細灰和微塵、海水濺沫蒸發而成的鹽粒、火山爆發的散落物以及森林燃燒的煙塵等天然源,也可以來自化石和非化石燃料的燃燒、交通運輸以及各種工業排放的煙塵等人為源。

一般說來,半徑小於1微米的粒子,大都是由氣體到微粒的成核、凝結、凝聚等過程所生成;而較大的粒子,則是由固體和液體的破裂等機械過程所形成。它們在結構上可以是均相的,也可以是多相的。已生成的氣溶膠在大氣中仍然有可能再參加大氣的化學反應或物理過程。

消除

氣溶膠的消除,主要靠大氣的降水、小粒子間的碰並、凝聚、聚合和沉降過程。

3 氣溶膠 -特性

氣溶膠氣溶膠

1、分散特性

由於氣溶膠的分散介質是氣體,氣體的粘度小,分散相與分散介質的密度差很大,質點相碰時極易粘結以及液體質點的揮發,使氣溶膠有其獨特的規律性。

3、化學反應

氣溶膠質點有相當大的比表面和表面能,可以使一些在普通情況下相當緩慢的化學反應進行得非常迅速,甚至可以引起爆炸,如磨細的糖、澱粉和煤等。

3、散射特性

氣溶膠質點能發生光的散射,這是使天空成為藍色,太陽落山時成為紅色的原因。

3、動力性質

其布朗運動非常劇烈,當質點小時具有擴散性質;當質點大時,由於與介質的密度差大,沉降顯著。因介質是氣體,這些動力性質與氣體分子自由路程有關。

4、電學性質

氣溶膠粒子沒有擴散雙電層存在,但可以帶電,其電荷來源於與大氣中氣體離子的碰撞或與介質的摩擦,所帶電荷量不等,且隨時間變化;質點既可帶正電也可帶負電,說明其電性決定於外界條件。

5、穩定性

氣溶膠粒子沒有溶膠粒子那樣的溶劑化層和擴散雙電層,相碰時即發生聚結,生成大液滴(霧)或聚集體(煙),此過程進展極其迅速,所以氣溶膠是極不穩定的膠體分散體系,但由於布朗運動的存在,也具有一定的相對穩定性。

4 氣溶膠 -形態

液體氣溶膠微粒一般呈球形,固體微粒則形狀不規則,其半徑一般為 10-3~102微米。粒徑在10-1~101微米的氣溶膠在大氣光學、大氣輻射、大氣化學、大氣污染和雲物理學等方面具有重要作用。

小粒徑氣溶膠的濃度受凝聚作用所限制,而大粒子的濃度則受沉降作用所限制。微粒在大氣中沉降的過程中, 受的阻力和重力的作用達到平衡時,各種粒子的沉降速度不同。

氣溶膠的消除,主要靠大氣的降水、小粒子間的碰並、凝聚、聚合和沉降過程。   

5 氣溶膠 -濃度分佈

氣溶膠南極地區的氣溶膠濃度

氣溶膠的濃度,可以用一定體積中微粒的總質量來表示,基本單位是微克/米,也可以用數密度即單位體積內的粒子數目來表示。氣溶膠的分佈特性通常可用其粒子數目(n)、粒子表面積(S)、粒子的體積(V)或質量(m)按粒徑大小(D)的分佈來描述,一般作dn/d lgD、dS/d lgD和dV/d lgD對lgD的分布圖,它們基本上呈正態分佈。

對於半徑(r)在0.1微米和10微米之間的粒子,一般用容格(Junge)分佈來表示,即:

n(r)=Cr

式中v近似等於3,C是正比於粒子濃度的常數。但是20世紀70年代以來,有人提出三模態大氣氣溶膠的分佈(愛根核模、積聚模和粗粒子模)。圖中還示出它們的粒徑範圍、主要質量源以及質量的輸入或去除的主要過程。由此可見,愛根核範圍的粒子是由高溫過程或化學過程產生的蒸汽凝結而成;積聚作用範圍的粒子是由核模中的粒子凝聚或通過蒸汽凝結長大而形成,80%以上的大氣硫酸鹽微粒屬於此模;粗粒子則是由液滴蒸發、機械粉碎等過程形成。細粒子和粗粒子的分界線通常直徑為2微米左右。

從對人體呼吸道的危害看來,10微米以上的粒子,常阻留在鼻腔和鼻咽喉部;2~10微米的粒子大部分留在上呼吸道,而2微米以下的粒子隨著粒徑的減小在肺內滯留的比率增加,0.1微米以下的粒子隨著粒徑的減小在支氣管內附著的比率增加。

半徑小於0.1微米的粒子,其數密度隨離地面高度的增加而減小,這表明它們來源於地表;但半徑0.1~1微米的粒子,其數密度在對流層頂上部隨高度逐漸增加,並且在15~20公里附近出現極大值,形成平流層內的氣溶膠層,這層氣溶膠可能是火山噴出物氣體在平流層中經氧化成固體而形成的。它雖然只佔大氣中氣溶膠總量的百分之幾,但對於大氣的氣溫有重要的影響。

通過大氣遙感可探測氣溶膠粒子的平均譜分佈。

6 氣溶膠 -化學成分

氣溶膠的化學組成十分複雜,它含有各種微量金屬、無機氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽和含氧有機化合物等。由於來源不同,形成過程也不同,故其成分不一,特別是城市大氣受污染源的影響,氣溶膠的成分變動較大。但是非城市大氣氣溶膠的成分比較穩定,大體上與地區的土壤成分有關。

大氣中二氧化硫轉化形成的硫酸鹽,是氣溶膠的主要成分之一。其轉化過程尚未完全明白,已知二氧化硫可在均相條件下(在氣相中),或在水滴、碳顆粒和有機物顆粒表面等多相條件下(在液相或固相表面上)轉化成三氧化硫,再與水反應生成硫酸,並和金屬氧化物的微塵反應而生成硫酸鹽。硫是氣溶膠內最重要的元素,其含量能反映污染物的全球性遷移、傳輸和分佈的狀況(見大氣微量氣體)。

氣溶膠中硝酸鹽和有機物的形成機制,尚待研究。氣溶膠中有銨離子(NH嬃)存在,能與硫酸根離子(SO娺)和硝酸根離子(NO婣)生成銨鹽。至於氣溶膠中的有機物,更是許多種類有機物的複雜混合物,其中包括稀烴、烷烴、芳烴、多環芳烴、醛、酮、酸、醌、酯,以及有機氮化物和有機硫化物等。

氣溶膠來源於土壤的各種元素(如銪、鈉、鉀、鋇、銣、鑭、鈰、硅、釤、鈦、釷、鋁等),其含量在地區之間差別不大;而來源於工業區的各種元素(如氯、鎢、銀、錳、鎘、鋅、銻、鎳、砷、鉻等),就有較大的地區差別。

7 氣溶膠 -影響

氣溶膠氣溶膠

1、對環境和生物的影響

氣溶膠是大氣中極其重要的組成部分,它不僅直接影響人類的健康,還能增加大氣的化學反應,降低能見度,增加降水、成雲和成霧的可能性,影響大氣輻射收支,導致環境溫度和植物生長速率的改變以及沾污材料。

2、對天氣及氣候的影響

大氣氣溶膠粒子多集中於大氣的底層,對雲的凝結核、雨滴、冰晶形成,進而對降水的形成起重要作用。氣溶膠甚至可以改變雲的存在時間,能夠在雲的表面產生化學反應,決定降雨量的多少,影響大氣成分。 

氣溶膠粒子能夠從兩方面影響天氣和氣候。一方面可以將太陽光反射到太空中,從而冷卻大氣,並會使大氣的能見度變壞另一方面卻能通過微粒散射、漫射和吸收一部分太陽輻射,減少地面長波輻射的外逸,使大氣升溫。

3、對全球變暖的影響

沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠重要的組成部分。全球氣溫上升的幅度一直遠低於科學家根據二氧化碳濃度上升所預測的溫度值,因此有科學家認為,地球系統可能存在著極其複雜的反饋機制,沙塵暴可能是地球全球變暖「製冷劑」 。沙塵氣溶膠通過三種途徑對地球環境產生重要影響:

(1)、阻擋太陽輻射進入地球表面,也就是所謂的「陽傘效應」。 

(2)、沙塵粒子還可以作為雲凝結核,影響雲的形成、輻射特性和降水,產生間接的氣候效應,被稱為「冰核效應」。 

(3)、「鐵肥料效應」,即「鐵假說」,在海洋中增加鐵可使浮游生物增加,並消耗大量的二氧化碳,使大氣中的二氧化碳濃度降低,進而降低全球的溫度,而鐵則來源於大陸的沙塵。

4、不良影響及危害

工業城市上空的煙霧和工廠、礦井中的煙塵對人體健康危害極大(如硅肺),還有破壞大自然的酸雨以及易引起爆炸的粉塵,都和氣溶膠有關。 

用於壓縮氣體的化學藥品通常是含氯氟烴(即CFCs),已證明它是對地球大氣層上的臭氧層造成損害的一類物質。

8 氣溶膠 -製備

氣溶膠氣溶膠滅火器

可分為分散法和凝聚法兩大類。

1、分散法

是藉助外力將固體或液體分裂成較小的部分,又分為固體的機械磨碎法和液體噴霧法,所得氣溶膠的分散程度往往不高。

2、凝聚法

是將分散相物質先分裂成單個分子的物質(即成氣體或蒸氣狀的物質),然後再凝結成膠體大小的質點,因此包含過飽和蒸氣的形成和過飽和蒸氣的凝聚兩個階段。其關鍵是得到過飽和蒸氣,這可以由蒸氣冷卻凝聚和化學反應來達到。

對每一種物質來說,在一定的溫度下,飽和蒸氣的最大濃度及其相應的飽和蒸氣壓,都是一定的,且隨溫度的降低而減小,因此當蒸氣冷卻時,過飽和蒸氣在凝結中心(或稱核心)產生凝聚,形成氣溶膠質點。凝結中心可以是塵粒,其他的大氣核心、離子和極性分子等,但過飽和度相當高時,蒸氣分子本身可凝結而無需核心,利用化學反應可產生蒸氣壓小的物質,達到過飽和就凝聚。通常所製得的氣溶膠質點一般都是多分散的,用氣溶膠發生器並控制反應條件可得到單分散的氣溶膠。  

9 氣溶膠 -應用

 1926年,挪威科學家埃里克·羅西姆首先提出製造氣溶膠的設想。美國人朱利葉斯·S·可汗想出了一次性使用的金屬霧筒。同樣來自美國的萊爾·達維·古德休則進一步研製了這一發明,使它成為可以上市的商品。1941年,第一批人造氣溶膠開始銷售。現代最流行的氣溶膠壓縮氣體是二氧化碳氣體,它能在氣溶膠噴筒內生成。像丙烷、異丁烷這類氣體也可使用。

氣溶膠在工業、農業、國防和其他方面都已得到廣泛的應用,如加快燃燒速率和充分利用燃料。

噴霧乾燥可提高產品質量,已廣泛用於醫藥工業與洗衣粉的生產。

農業上,農藥的噴洒可提高藥效、降低藥品的消耗。

利用氣溶膠進行人工降雨,可大大改善旱情。

國防上,用來製造信號彈和遮蔽煙幕。 

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