第二章 颗粒污染物捕集技术基础

第一节 气溶胶与粉尘

一、胶体及其分类

胶体（colloid）又称胶状分散体（colloidal dispersion），是一种悬浮于流体媒介中的粒子团。它是一种均匀混合物，也是一种高度分散的多相不均匀体系。在胶体中含有两种不同状态的物质，一种是分散相（分散质，disperse phase），另一种是连续相（分散剂，dispersant）。分散质是由微小的粒子或液滴所组成，粒子直径介于粗分散体系和溶液之间，其大小一般在1～100nm之间。

按照分散剂状态不同，胶体可分为3类：

（1）气溶胶（aerosol）。它是以气体作为分散剂的分散体系，其分散质可以是液态或固态。如：云、烟、雾等。

（2）液溶胶（lyosol）。它是以液体作为分散剂的分散体系，其分散质可以是气态、液态或固态。如：Fe（OH）₃胶体、Al（OH）₃胶体、AgI胶体、蛋白质溶液、淀粉溶液。

（3）固溶胶（solid sol）。以固体作为分散剂的分散体系，其分散质可以是气态、液态或固态。如：有色玻璃、烟水晶、水晶。

按分散质（胶粒）不同，胶体可分为两类：

（1）分子胶体（molecular colloid）。胶粒为单个大分子的分散体系，如：蛋白质溶液、淀粉溶液等。

（2）粒子胶体（particle colloid）。胶粒由许多小分子聚积而成的分散体系，如：Fe（OH）₃胶体、土壤溶液等。

胶体的外观较为均一、透明，能透过滤纸，但不能透过半透膜，具有较好稳定性和吸附性，能发生丁达尔（John Tyndall，1820—1893）现象（丁达尔效应），也能产生布朗运动、电泳、渗析、聚沉等现象。

二、气溶胶及其分类

气溶胶（aerosol）由固体或液体小质点（粒子）分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。气溶胶的分散质为固体或液体小质点（粒子），其粒径大小为0.001～100μm，分散剂（分散介质）为气体。气溶胶属于粗分散体系，在气体介质中不因重力作用而沉降，可长时间悬浮于气体中。环境科学中一般所说的气溶胶是指大气气溶胶（atmospheric aerosol），即为悬浮在大气中尺度为几十埃（Å）到几百微米（μm）的固体或液体粒子体系。目前，大气气溶胶主要包括沙尘气溶胶、碳气溶胶（黑碳和有机碳气溶胶）、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶等6大类7种气溶胶。

气溶胶粒子（aerosol particle）是悬浮在大气中的多种固体微粒和液体微小颗粒。气溶胶粒子具有分布不均匀、变化尺度小、复杂性的特点，多集中于大气的底层，对云的凝结核、雨滴、冰晶形成，进而对降水的形成起重要作用。气溶胶甚至可以改变云的存在时间，能够在云的表面产生化学反应，决定降雨量的多少，影响大气成分。当气溶胶的浓度达到足够高时，将对人类健康造成威胁，尤其是对哮喘病人及其他有呼吸道疾病的人群。空气中的气溶胶还能传播真菌和病毒，这可能会导致一些地区疾病的流行和爆发。

气溶胶按其形成途径可分为一次气溶胶（primary aerosol，以微粒形式直接从发生源进入大气）和二次气溶胶（secondary aerosol，在大气中由一次污染物转化而生成）两种。气溶胶按其来源可分为自然源（natural source）和人为源（anthropogenic source）两大类。自然源是来源于自然界，如火山喷发的烟尘、被风吹起的土壤微粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、植物的孢子花粉、流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等。人为源是由于人类活动引起的，如煤、油及其他矿物燃料的燃烧物质，以及车辆产生的废气排放至空气中的大量烟粒等。

根据气溶胶粒子粒径的大小，大气气溶胶可分为以下5大类：

（1）总悬浮颗粒物（total suspended particulate,TSP）：是指悬浮在大气中粒子空气动力学直径（d_a）≤100μm的颗粒物，是分散在大气中的各种粒子的总称，也指用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量。一般而言，TSP中大多数颗粒粒径在10μm以下。

（2）降尘（fall dust）：是指在TSP中粒子空气动力学直径大于10μm的颗粒物，是能用采样罐采集到的大气颗粒物。由于粒子自身的重力作用，大气中的这部分颗粒物会很快沉降下来。

（3）飘尘（floating dust）：是指粒子空气动力学直径小于10μm且能在大气中长期飘浮的悬浮物质，如：煤烟、烟气和雾等。

（4）可吸入颗粒物（inhalable particulate matter）：是指悬浮在大气中粒子空气动力学直径不大于10μm的颗粒物，又称为PM₁₀。该部分粒子易于通过呼吸过程被人体吸入，沉积在呼吸道、肺泡等部位，从而引发疾病。颗粒物的直径越小，进入呼吸道的部位越深。10μm直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，5μm直径的可进入呼吸道的深部，2μm以下的颗粒物可100%深入到细支气管和肺泡。

（5）细颗粒物（fine particulate matter）：是指粒子空气动力学直径不大于2.5μm的颗粒物，也称为可吸入肺颗粒物，又称为PM_2.5。细颗粒物是造成气象学中“灰霾天”的罪魁祸首。世界卫生组织（WHO）2005年出版的《空气质量准则》尤其是对大气中可吸入颗粒物的浓度限值制定了严格的标准。WHO规定PM_2.5年平均浓度为10μg/m³，24h平均浓度为25μg/m³。2012年2月29日新修订的我国《环境空气质量标准》中增加了PM_2.5浓度限值指标，其年平均和24h平均的一级浓度限值分别为15μg/m³和35μg/m³，二级浓度限值分别为35μg/m³和75μg/m³。根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）规定，空气污染指数划分为0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300六档，对应的空气质量状况分别属于优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染6个级别。指数越大，级别越高，说明污染越严重，对人体健康的影响也越明显。当PM_2.5日均值浓度达到35μg/m³、75μg/m³、115μg/m³、150μg/m³、250μg/m³、300μg/m³和500μg/m³时，AQI即分别达到50、100、150、200、300、400和500。

三、粉尘及其分类

粉尘（dust）是指悬浮在气体中的固体微粒。实际上，粉尘是分布在以气体为分散剂的气溶胶中的固体微小尘粒。习惯上对粉尘有许多名称，如灰尘、尘埃、烟尘、矿尘、砂尘、粉末等，这些名词没有明显的界线。国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）规定，粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘。在大气中粉尘的存在是保持地球温度的主要原因之一，大气中过多或过少的粉尘将对环境产生灾难性的影响。

粉尘几乎到处可见，也可根据许多特征进行分类。

（1）按粒子的来源，粉尘可分成自然源粉尘和生产性粉尘。自然源粉尘是指来自于自然界，如火山爆发的火山灰、土壤和岩石风化后分裂成的许多细小颗粒，它们伴随着花粉，孢子以及其他有机颗粒在空中随风飘荡。生产性粉尘是指人类生产活动（如工业和交通运输等）过程中产生的细小颗粒物，生产性粉尘是人类健康的天敌，是诱发多种疾病的主要原因。生产性粉尘主要来源如下：

1）固体物质的机械加工或粉碎，如金属研磨、切削、钻孔、爆破、破碎、磨粉、农林产品加工等。

2）物质加热时产生的蒸气在空气中凝结或被氧化所形成的尘粒，如金属熔炼，焊接、浇铸等。

3）有机物质不完全燃烧所形成的微粒，如木材、油、煤类等燃烧时所产生的烟尘等。

4）颗粒操作与转运过程产生的尘粒，如粉状物质的混合、过筛、包装、搬运等。

5）二次扬尘所引起的尘粒，如机械振动、气流反吹等。

（2）根据粉尘的性质，一般可分为以下3大类。

1）无机粉尘：包括矿物粉尘（如石英、石棉、滑石、煤等）、金属性粉尘（如铁、锡、铝、锰、铅、锌及其化合物等）和人工无机粉尘（如金刚砂、水泥、玻璃纤维等）。

2）有机粉尘：包括动物性粉尘（如兽皮、毛发、蚕丝、角质等）、植物性粉尘（如木材、烟草、棉麻、甘蔗、谷物、面粉、茶叶等）和人工有机粉尘（如炸药、有机染料、合成树脂、合成橡胶、合成纤维等）。

3）混合性粉尘：是指以上述各类粉尘中2种以上物质混合形成的粉尘，在生产中这种粉尘最为多见。

（3）按粒子的大小，粉尘一般可分为灰尘（降尘）、雾尘和烟尘。

1）灰尘：也称为降尘，是指粒子直径大于10μm的颗粒物。在静止的空气中，呈加速沉降，几乎不产生扩散。

2）尘雾：是指粒子直径介于0.1～10μm的颗粒物，包括微小的尘粒和雾滴，其中雾滴是由工业生产中的过饱和蒸汽凝结和凝聚、化学反应和液体喷雾所形成的。在静止的空气中，符合斯托克斯（George G Stokes，1819—1903）定律，呈等速降落，不易扩散。

3）烟尘：是指粒子直径为0.001～0.1μm的颗粒物，主要为炱（soot，烟气凝聚而成的黑灰）等固体颗粒。因其粒子大小接近于空气分子，受空气分子的冲撞呈布朗运动（不规则运动），几乎完全不沉降或非常缓慢而曲折地降落。

（4）按粉尘粒子的大小及光学特性，可将其分为可见粉尘（粒径大于10μm，肉眼可见）、显微镜粉尘（粒径为0.25～10μm，用光学显微镜可见）和超显微镜粉尘（粒径小于0.25μm，在电镜下可见）。

需要说明的是，工业生产过程中产生粉尘的粒径一般在1～75μm之间，这也是除尘研究的重点内容，但随着工业生产规模和生产量的增长以及环保要求的提升，亚微粉尘（粒径小于1μm）的控制越来越受到人们的普遍关注。鉴于粉尘颗粒大小的不同，其在大气中滞留时间的长短和呈现的状态也不同，因此，在大气污染控制中所采取的治理方法也不相同。