浅析气溶胶

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2020-05-19 环球过滤分离技术网  guolvfenlitech1
气溶胶是固体微粒或液滴在空气或另一种气体中的悬浮物。[1]气溶胶可以是天然的或人为的。天然气溶胶的例子是雾，灰尘，森林渗出物和间歇泉蒸汽。人为气溶胶的例子包括雾霾，空气中的颗粒污染物和烟雾。[可疑–讨论] [1]液体或固体颗粒的直径通常小于1微米。具有较大沉降速度的较大颗粒使混合物成为悬浮液，但区别并不明显。一般而言，气溶胶通常是指从罐子或类似容器中输送消费品的气溶胶喷雾剂。气溶胶的其他技术应用包括农药分散，呼吸系统疾病的医学治疗和燃烧技术。[2]疾病也可以通过呼吸中的小飞沫传播，也称为气溶胶（有时称为生物气溶胶）。[3]

气溶胶科学涵盖了气溶胶的产生和去除，气溶胶的技术应用，气溶胶对环境和人类的影响以及其他主题。[1]

内容
1 定义
2 尺寸分布
3 物理学
3.1 流体中颗粒的终极速度
3.2 空气动力学直径
3.3 动态
3.3.1 凝结
3.3.2 动力学机制
3.3.3 分区
3.3.4 激活
3.3.5 一般动力学方程的解
4 生成与应用
5 生成的气溶胶颗粒的稳定性
6 检测
6.1 原位观测
6.2 遥感方法
6.3 大小选择性抽样
7 大气压
7.1 效果
8 参考

定义




用扫描电子显微镜（SEM）制成的显微照片：粉煤灰颗粒放大2,000倍。该气溶胶中的大多数颗粒接近球形。
气溶胶被定义为固体或液体颗粒在气体中的悬浮系统。气溶胶既包含微粒，也包含悬浮气体，通常为空气。[1]弗雷德里克·唐南（Frederick G. Donnan）大概是在第一次世界大战期间首次使用气溶胶来描述一种空气溶液，即空气中的微小颗粒云。该术语类似于术语水溶胶，即以水为分散介质的胶体体系。[4]初级气溶胶中含有直接引入气体中的颗粒。二次气溶胶通过气体到颗粒的转化而形成。[5]

根据物理形式及其生成方式分类的各种气溶胶，包括粉尘，烟，雾，烟和雾。[6]

有几种测量气溶胶浓度的方法。环境科学与健康经常使用质量浓度（M），定义为每单位体积的颗粒物质量，单位为μg/ m3。数浓度（N）也很常用，单位体积中的颗粒数以单位为个/ m3或个/ cm3为单位。[7]

颗粒的大小对其性能有重大影响，气溶胶颗粒的桡或直径（dp）是用来表征气溶胶的关键特性。

气溶胶的分散度不同。在实验室中生产的单分散气溶胶包含均匀大小的颗粒。然而，大多数气溶胶作为多分散胶体系统具有一定的粒径范围。[8]液滴几乎总是接近球形，但科学家使用等效直径来表征各种形状的固体颗粒的特性，有些形状非常不规则。当量直径是具有与不规则颗粒相同的某些物理性质的值的球形颗粒的直径。[9]当量体积直径（de）定义为与不规则颗粒的体积相同的球体的直径。[10]空气动力学直径也是常用的。

尺寸分布




相同的假设对数正态气溶胶分布从上到下绘制为数字与直径分布，表面积与直径分布以及体积与直径分布的关系。典型的模式名称显示在顶部。每个分布都经过标准化，因此总面积为1000。
对于单分散气溶胶，单个数字（粒径）足以描述颗粒的大小。但是，更复杂的粒度分布描述了多分散气溶胶中颗粒的大小。这种分布定义了粒子的相对数量，根据大小进行分类。[11]定义粒度分布的一种方法是使用样品中每个颗粒大小的列表。但是，这种方法在确定具有数百万个粒子的气溶胶中使用起来很繁琐。另一种方法是将整个尺寸范围划分为多个区间，并找到每个区间中粒子的数量（或比例）。然后，人们可以在直方图中可视化这些数据，每个条形的面积代表该尺寸容器中颗粒的比例，通常通过将一个容器中的颗粒数量除以间隔的宽度进行归一化，以便每个条形的面积为与它代表的尺寸范围内的颗粒数量成比例。[12]如果垃圾箱的宽度趋于零，则将获得频率函数：[13]

有时用于表征粒度的其他分布包括：用于松散分散的粉尘和喷雾的Rosin-Rammler分布；Nukiyama-Tanasawa分布，适用于非常广泛的尺寸范围的喷雾；幂函数分布，偶尔应用于大气气溶胶；适用于粉状物料的指数分布；对于云滴，则为Khrgian-Mazin分布。[18]

物理
流体中颗粒的终极速度
对于大多数气溶胶运动都适用的低雷诺数（<1）值，斯托克斯定律描述了流体中固体球形颗粒的抵抗力。但是，斯托克斯定律仅在粒子表面的气体速度为零时才有效。但是，对于表征气溶胶的小颗粒（<1μm），此假设将失败。为了解决这种故障，可以引入始终大于1的Cunningham校正因子。包括该因子在内，人们可以发现粒子上的阻力与其速度之间的关系：[19]

分区


冷凝和蒸发


气溶胶分配理论分别控制气溶胶表面上的冷凝和蒸发。质量的凝结导致气溶胶的粒径分布增加。相反，蒸发导致模式降低。成核是由气态前体，特别是蒸气的冷凝形成气溶胶团块的过程。蒸气的净冷凝需要过饱和，即分压大于蒸气压。发生这种情况的原因有三个：**
降低系统温度会降低蒸气压。
化学反应可能会增加气体的分压或降低其蒸气压。
根据Raoult定律，向系统中添加额外的蒸气可能会降低平衡蒸气压。
成核过程有两种类型。气体优先凝结到预先存在的气溶胶颗粒的表面上，这称为异相成核。这个过程使粒径分布模式下的直径随着数均浓度的增加而增大。[30]具有足够高的过饱和度且没有合适的表面，粒子可能会在不存在预先存在的表面（称为均相成核）的情况下凝结。这种结果是在粒度分布中添加了非常小的快速增长的颗粒。[30]

激活


水在气溶胶中包裹颗粒，通常在形成云滴的情况下使其活化。**根据开尔文方程式（基于液滴的曲率），较小的颗粒需要较高的环境相对湿度以保持平衡比更大的粒子要大。以下公式给出了平衡时的相对湿度：

一般动力学方程的解
通用动力学方程（GDE）尚无通用解；[31]用于求解通用动力学方程的通用方法包括：[32]

矩法[33]
模态/截面方法，[34]和
矩的正交方法[35] [36] /矩的泰勒级数展开方法[37] [38]和
蒙特卡罗方法。[39]
产生与应用
人们出于各种目的产生气溶胶，包括：

作为用于校准仪器，进行研究和测试采样设备和空气过滤器的测试气溶胶；[40]
以喷雾形式提供除臭剂，油漆和其他消费品；[41]
用于分散和农业应用
用于治疗呼吸系统疾病；[42]和
在燃油喷射系统和其他燃烧技术中的应用。[43]
一些产生气溶胶的设备是：[2]

气溶胶喷雾
雾化器喷嘴或雾化器
电喷雾
电子烟
振动孔气溶胶发生器（VOAG）
生成的气溶胶颗粒的稳定性
纳米颗粒附聚物的稳定性对于估算来自纳米粉末或其他来源的气化颗粒的尺寸分布至关重要。在纳米技术工作场所，工人在处理和加工纳米材料时可能会通过吸入接触潜在的有毒物质。空气中的纳米颗粒通常会由于有吸引力的颗粒间作用力而形成附聚物，例如，如果带电，则是范德华力或静电力。结果，通常观察到气溶胶颗粒是附聚物而不是单个颗粒。对于空气中纳米颗粒的暴露和风险评估，重要的是要了解气溶胶的尺寸分布。当被人吸入时，具有不同直径的颗粒会沉积在中央和周边呼吸系统的不同位置。已经显示出纳米级的颗粒可以穿透肺部的气血屏障，并转移到人体的次要器官中，例如大脑，心脏和肝脏。因此，有关纳米颗粒附聚物稳定性的知识对于预测气溶胶颗粒的尺寸非常重要，这有助于评估它们对人体的潜在风险。

已经建立了不同的实验系统来测试气载颗粒的稳定性及其在各种条件下解聚的潜力。最近报道的一个综合系统能够维持稳健的气化过程，并从纳米粉中产生具有稳定数量浓度和平均粒径的气溶胶。[44]也可以使用临界孔研究各种空气传播的纳米材料的解聚潜力。[45]此外，还开发了一种撞击破碎装置来研究颗粒之间的键能。[46]

随着现有系统的不同类型的发展，可以预见标准的团聚测试程序。如果可以使用参考方法，则可以针对不同的纳米材料对在职业环境中气溶胶颗粒解聚的可能性进行排名。为此，可以开展实验室间对不同设置的测试结果进行比较，以探索系统特性对生成的纳米材料气溶胶性能的影响。

侦测
气溶胶既可以原位测量，也可以使用遥感技术测量。

原位观察
一些可用的原位测量技术包括：

气溶胶质谱仪（AMS）
差分迁移率分析仪（DMA）
电气气溶胶光谱仪（EAS）
空气动力学粒度仪（APS）
空气动力学气体分类器（AAC）
宽范围粒子光谱仪（WPS）
微量均匀沉积物撞击器（MOUDI）
冷凝粒子计数器（CPC）
主显仪
电动低压冲击器（ELPI）
气溶胶粒子质量分析仪（APM）
离心颗粒质量分析仪（CPMA）
遥感方法
遥感方法包括：

太阳光度计
激光雷达
成像光谱
大小选择性抽样
颗粒物可以沉积在鼻，口，咽和喉（头部气道区域）内，呼吸道内（从气管到末梢细支气管）的深处或肺泡区域。[47]呼吸系统内气溶胶颗粒的沉积位置强烈决定了暴露于此类气溶胶对健康的影响。[48]这种现象导致人们发明了气溶胶采样器，该采样器选择了到达呼吸系统某些部分的气溶胶颗粒的子集。[49]在职业健康中很重要的气溶胶粒度分布的这些子集的示例包括可吸入，胸部和可呼吸部分。可以进入呼吸系统各部分的部分取决于微粒在气道上部的沉积。[50]颗粒物的可吸入部分定义为空气中最初可进入鼻子或嘴中的颗粒物的比例，取决于外部风速和风向以及取决于空气动力学直径的颗粒大小分布。[51]胸腔分数是周围气溶胶中可以到达胸部或胸部区域的颗粒的比例。[52]可呼吸部分是空气中可以到达肺泡区域的颗粒比例。[53]为了测量空气中颗粒物的可吸入部分，预收集器与采样过滤器配合使用。由于呼吸道会从吸入的空气中清除颗粒，因此预收集器会排除颗粒。采样过滤器收集颗粒以进行测量。对于预收集器，通常使用旋风分离，但其他技术包括撞击器，水平淘析器和大孔膜过滤器。[54]

常用于大气监测的两种尺寸选择标准是PM10和PM2.5。PM10被ISO定义为通过尺寸选择入口的空气动力学直径为10μm的颗粒物的截留效率为50％，PM2.5被定义为穿过尺寸选择入口的效率截流的颗粒物的截面积为50％空气动力学直径为2.5μm。PM10对应于ISO 7708：1995第6条中定义的“胸部惯例”；PM2.5对应于ISO 7708：1995，7.1。[55]中定义的“高风险可吸入式公约”。美国环境保护局在1987年用另一种基于PM10的标准取代了基于总悬浮颗粒的旧颗粒物标准[56]，然后在1997年引入了PM2.5（也称为细颗粒物）标准。[57] ]

大气层
印度北部和孟加拉国的气溶胶污染
主条目：大气颗粒物
几种类型的大气气溶胶对地球的气候有重大影响：火山，沙漠尘土，海盐，这些是源自生物源和人为造成的。火山喷发后，平流层中形成的火山气溶胶为硫酸小滴，最多可持续两年，并反射日光，降低了温度。沙漠尘埃，吹到高空的矿物颗粒吸收热量并可能抑制风暴云的形成。人造硫酸盐气溶胶主要来自燃烧石油和煤炭，会影响云的行为。[58]

尽管所有固体和液体的水凝物都可以描述为气溶胶，但通常区分包含活化液滴和晶体的这种分散体（即云）和气溶胶颗粒。地球大气包含各种类型和浓度的气溶胶，包括：

天然无机材料：细粉尘，海盐或水滴
天然有机材料：烟，花粉，孢子或细菌
人为燃烧产物，例如：烟雾，灰烬或灰尘
在城市生态系统中可以发现各种形式的气溶胶，例如：

灰尘
香烟烟雾
气溶胶喷雾罐的雾
汽车尾气中的烟尘或烟雾
地球大气中气溶胶的存在会影响其气候以及人类健康。

特效


火山喷发将大量硫酸，硫化氢和盐酸释放到大气中。这些气体代表气溶胶，最终以酸雨的形式返回地球，对环境和人类生活造成许多不利影响。[59]
气溶胶以直接和间接两种方式与地球的能源预算相互作用。
例如，直接影响是气溶胶散射并吸收入射的太阳辐射。[60]这将主要导致表面冷却（太阳辐射被散射回太空），但也可能导致表面变暖（由吸收入射的太阳能引起）。[61]这将是温室效应的另外一个因素，从而促进全球气候变化。[62]
间接效应是指气溶胶干扰与辐射直接相互作用的地层。例如，它们能够修改低层大气中云颗粒的大小，从而改变云反射和吸收光的方式，从而改变地球的能源收支。[59]
气溶胶吸收污染物时，会促进污染物向地球表面以及水体的沉积。[62]这有可能损害环境和人类健康。
有效直径小于10μm的气溶胶颗粒可以进入支气管，而有效直径小于2.5μm的气溶胶颗粒可以进入肺中的气体交换区域，[63] 。

来源于：丁香叶   

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