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大气污染物颗粒物气溶胶主要有哪些危害?

  新冠疫情期间,专家提出病毒可以通过气溶胶传播时,很多民众对这种大气污染物产生兴趣。大气污染物气溶胶究竟包括哪些成分?主要包含哪些有毒成分?本文对大气污染物气溶胶进行成分颗粒及结构特点,通过一些实验数据来进行重点分析。

  

  根据我国《环境空气质量标准》的规定,废气中的主要污染物为:颗粒物、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、铅(Pb)、氟化物、苯并【α】芘及臭氧。

  

  颗粒物(大气气溶胶)的主要特性

  

  大气气溶胶是一个极为复杂的体系,它们对环境和人类影响很大,其影响不仅取决于颗粒物的大小,也和颗粒物的浓度和化学组成密切相关。

  

  1.大气气溶胶的粒径

  

  大气气溶胶的粒径一般在0.1~100μm之间,粒径的分布一般符合对数正态分布。粒径的不同,主要和来源有关:粒径<0.05μm的,主要是来源于燃烧过程产生的一次气溶胶和气体分子通过化学反应转化形成的二次气溶胶;粒径0.05~2μm之间的,主要是来源于燃烧过程产生的蒸气冷凝凝聚,以及各种气体通过化学转化形成的二次气溶胶,例如烟雾和大部分硫酸盐;粒径>2μm的,主要是来源于机械过程产生的一次粒子、海水溅沫、风沙和火山灰等。

  

  空气中飘浮的污染物质粒径可参见图1。


大气气溶胶成分

  

  图1空气中飘浮污染物质的粒径(Hatch等,1964)

  

  2.大气气溶胶的结构

  

  大气气溶胶表面常有一层液膜,中心有一个不溶于水的核,许多过渡金属的化合物可能存在于核的表面。核的四周被水溶液包围,其中溶解物有可溶性无机物和有机物。在水溶液表面上又常有一层有机物的膜,有机物的极性一端向着中心核方向。气溶胶可以通过吸附、吸收、溶解等过程包容大量杂质,并在其中进行复杂的化学反应。气体污染物和颗粒物之间相互作用是形成气溶胶的重要环节,大气中的各种污染物都是在此界面上进行反应形成各种形态的气溶胶。

  

  3.大气气溶胶的种类

  

  气溶胶的组成十分复杂,有的含有四五十种元素,主要是硫酸盐、硝酸盐等(约占50%、80%),还有有机化合物及多种微量元素的氧化物和盐类,按其主要成分可作如下分类。

  

  (1)硫酸盐气溶胶

  

  主要来自S02的化学转化。S02在大气中通过均相和非均相反应形成S03,S03与水蒸气反应生成H2S04。硫酸的蒸气比非常低,特别在有水的条件下更是如此。在气相中H2S04的饱和浓度为4μg/m3,因此在所有大气条件下都会凝结生成硫酸或硫酸盐气溶胶。大气中的无机污染物最终大部分都将转化为硫酸盐气溶胶,在平流层中最大的气溶胶就是硫酸盐气溶胶。硫酸盐气溶胶形成的途径主要有光化学氧化、自由基氧化、液相氧化或吸附氧化等。

  

  (2)硝酸盐气溶胶

  

  硝酸在气相中的饱和浓度可达1.2×108μg/m3,因此凝结态硝酸在大气中几乎不存在,其气溶胶常以NaN03、NH4N03或NOx吸附在颗粒物上的形式存在。硝酸盐气溶胶形成途径主要有:NOx氧化为N02、N203、N205等;高价氮氧化物与水蒸气作用形成HN03和HN02一类挥发性酸而存在于气相中;在气相中反应形成硝酸盐气溶胶,烃类化合物的存在对硝酸盐气溶胶的形成有较大的作用

  

  (3)有机物气溶胶

  

  其形成途径尚不太清楚,一般认为有03-烯烃、03-环烯烃和HO-自由基各类反应体系。由燃烧进人大气的烃类化合物在大气中常参与光化学反应和自由基反应,被光化学氧化剂直接氧化,或颗粒物吸附后而再氧化,最后形成凝聚态过氧化物或聚合物,其中含氧的有醛、醇、有机酸等,含硫的有硫醚、硫醇类化合物,含氮的如PAN、PPN(过氧丙酰硝酸酯)、PBN(过氧苯甲酰基硝酸酯)等气溶胶。

  

  (4)微量元素

  

  已发现的大气气溶胶中存在的微量元素有几十种,其中金属元素的含量相当可观。颗粒物中金属元素的含量与其来源有关。存在于飞灰中的金属元素浓度比气溶胶颗粒中的浓度大得多,而城市气溶胶中微量元素的浓度一般又比非城市的约大一个数量级。

  

  4.大气气溶胶的化学组成

  

  大气气溶胶的化学组成十分复杂,不仅与其来源有关,也与粒径大小密切相关。其中含有几十种金属元素,如存在于粗粒子中的有Si、Fe、AI、sc、Na、ca、Mg、CI、v、Ti等,存在于细粒子中的有Br、zn、se、Ni、Cd、cu、Pb等。此外还含有多种无机及有机化合物。

  

  按它们的含量次序排列,大致为硫酸盐、溶于苯的有机物、硝酸盐、铁、铵及少量的其他元素。硫酸盐中主要是硫酸铵,也包括少量硫酸。有机物中脂肪烃多于芳香烃。

  

  按粒子的粒径分,化学组分有很大的差别。

  

  (1)粒径<2.5μm的细粒子

  

  它们是由高温或化学过程产生的蒸气凝结而成,或是气体通过化学反应而产生,或是人类活动直接产生的粒子,主要有SO42-、C(炭黑)、有机物、NH4+、H+和Br、Zn、As、Se、Ni、Cd、Mn、Cu、Sn、Cd、V、Sb、Pb以及NO3-、CI-等;

  

  (2)粒径>2.5μm的粗粒子

  

  主要来自机械作用产生的粉尘以及风沙、海盐和火山喷发等,通常含有Fe、Ca、Ti、Mg、K、Na、Si、V、AI、Sc、PO43-、C(花粉和孢子)以及NO3-、CI-等。

  

  值得注意的是由各种燃烧产生的烟气中的典型致癌物质苯并【α】芘,其在不同烟气中的含量参见表1。

  

  香烟烟雾是微细的颗粒物的聚集体,吸烟者吸人1mL香烟烟雾就要吸人50亿个颗粒物。


大气气溶胶成分

  

  表1不同烟气中苯并【α】芘的浓度

  

  大气污染物气溶胶成分主要包括一些金属元素,比如觉的粗粒子、细粒子外,还有一些无机和有机化合物。这些粒子结构不同,产生的污染效果也有差异。安峰环保对此类物质的治理主要通过吸附、设备处理等完成。大气污染物种类繁多,了解这些物质的成分,对整个大气治理也是非常必要的。

  

大气气溶胶成分

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