气溶胶粒子的化学组成

发布时间:2017/5/11 14:12:00

  气溶胶粒子的化学组成十分复杂,已发现含70多种元素或化合物。气溶胶的组成与其来源、粒径大小有关;此外,还和地点和季节等有关。例如,来自地表土及由污染源直接排入大气中的粉尘往往含有大量的Fe、Al、Si、Na、Mg、Cl等元素;来自二次污染物的气溶胶粒子则含有硫酸盐、铵盐和有机物等。又如,硫酸盐气溶胶粒子多居于积聚模,而地壳组成元素 (如 Si、Ca、Al、Fe等)主要存在于粗模中。

  气溶胶的化学组成按重要性顺序排列有硫酸盐、苯溶有机物、硝酸盐、铁、锰等少量其他 金属元素等。对大陆性气溶胶,与人类活动密切相关的化学成分可归纳为三类:离子成分(硫酸及硫酸 盐、硝酸及硝酸盐)、痕量元素成分和有机物成分。

  ● 气溶胶粒子中的离子成分

  (1)硫酸及硫酸盐气溶胶粒子

  由于在煤、石油等矿物燃料的燃烧过程中排放大量的SO2,其中一部分可通过多种途径氧化成硫酸或硫酸盐,以致造成气溶胶粒子中也含有硫酸或硫酸盐。陆地气溶胶粒子中SO42-的平均含量为15%~25%,而海洋气溶胶粒子中SO42-量可达30%~60%。大多数陆地性气溶胶粒子具有的共同特点是,95%的SO42-和96.5%的NH4+都集中在积聚模中,而且SO42-和NH4+的粒径分布也没有明显的差别。硫酸盐气溶胶粒子大部分集中在积聚模中,它的粒径小,在大气中飘浮,对太阳光能产生散射和吸收作用,使大气能见度降低。研究结果表明,只有粒径在0.1~1.0 μm范围内才能对光线产生的散射。当硫酸盐占颗粒物质量的17%时,它引起的光散射占整个气溶胶造成光散射作用的32%。此外硫酸盐也是损害人体健康、造成酸雨的关键成分。

  (2)硝酸及硝酸盐气溶胶粒子

  大气中的NO和NO2被氧化形成NO2和N2O5等,进而和水蒸气形成HNO2和HNO3,由于它们比硫酸容易挥发,因而很难形成凝聚状的硝酸(迅速挥发成分子态)。因而一般经过下面反应形成低挥发性的硝酸盐:

  NH3+HNO3→ NH4NO3

  然后再发生成核和凝结生长作用而形成颗粒物。

  氮氧化物在空气中也可被水滴吸收,并被水中的O2或O3氧化成NO3-,如果有NH4+存在,则可促进氮氧化物的溶解,增加硝酸盐颗粒物的形成速度。

  几乎所有地区SO42-都在细粒子中占优势。另外,硫酸盐气溶胶和硝酸盐气溶胶的形成对气溶胶的粒子分布有影响。

  ● 气溶胶粒子中的有机物

  气溶胶粒子中的有机物(particulates organic martter, POM),其粒径一般在0~10μm之间,其中大部分是2 μm以下的细粒子。气溶胶粒子中有机物的种类很多,其中烃类--烷烃、烯烃、芳香烃和多环芳烃等是主要成分,此外还含有亚硝胺、氮杂环化合物、环酮、醌类、酚类和酸类等。其浓度也相差很大,从ng/m3到mg/m3的量级,且因地而异。

  有机物的颗粒物主要来自煤和石油的燃烧过程。煤和石油在不完全燃烧时,部分碳氢化合物发生高温分解,产物包括C2H2和1,3-C4H6;在400~500℃ 时进行高温合成,形成多环芳烃化合物,如芘、蒽、菲、苯并(a)芘、苯并蒽等;同时还排出一些低级烃、醛等有机物。大气中气体有机物通过化学转化形成二次颗粒物的速度较慢 ,一般小于2%/h,二次产物都是含氧有机物。

  ● 气溶胶粒子中的微量元素

  存在于气溶胶粒子中的元素达70余种,其中Cl、Br 和 I 主要以气体形式存在于大气中,它们在气溶胶粒子中分别占总量的2%、3.5%和17.0%。Cl-主要分布在粗模范围,地壳元素如Si、Fe、Al、Sc、Na、Ca、Mg和Ti一般以氧化物的形式存在于粗模中;Zn、Cd、Ni 、Cu、Pb和S等元素则大部分存在于细粒子中。

  气溶胶中微量元素虽有天然和人为之别,但主要来自人为活动,它们都属于气溶胶粒子。不同类型的污染源所排放的主要元素也不同,如土壤中主要有Si、Al和Fe,汽车排放的尾气中含Pb、Br和Ba等,钢铁工业主要 含Fe、Mn、Cu等,燃烧油料会排放Ni、V、Pb和Na等,垃圾焚烧炉排放Zn、Sb和Cd等。气溶胶粒子中的微量元素随污染源的不同,其种类和浓度也不一样,不同城市和地区以及同一地区的不同时期,各种元素的排放量也不同,且各种微量元素在粗、细粒子中的分布也不一样。