气溶胶动力学特性及其飞行时间测量研究.docx

气溶胶动力学特性及其飞行时间测量研究.docx

《气溶胶动力学特性及其飞行时间测量研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气溶胶动力学特性及其飞行时间测量研究.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

气溶胶动力学特性及其飞行时间测量研究

分类号密级

UDC编号

中国科学院研究生院

硕士学位论文

气溶胶动力学特性及其飞行时间测量研究

邢建永

指导教师刘建国研究员

中科院安徽光学精密机械研究所

申请学位级别硕士学科专业名称光学

论文提交日期2006年4月论文答辩日期2006年5月31日

培养单位中科院安徽光学精密机械研究所

学位授予单位中国科学院研究生院

答辩委员会主席鲁昌华教授

摘要

大气气溶胶在大气辐射、空气污染、大气物理化学性质、人类健康状况等方面扮演着重要角色，是衡量大气污染状况的重要指标。

大气颗粒物是影响我国城市空气质量的首要污染物，如何持续有效地监测大气颗粒物成为我们越来越关心的问题。

出于我国对气溶胶监测仪器的迫切需求，我们分析了国内外常用气溶胶监测方法的优缺点，研究了颗粒物在真空绝热自由膨胀中的动力学特性。

为进一步研制基于气溶胶动力学特性的粒谱监测仪器做好了准备。

本论文的主要工作是分析了真空绝热自由膨胀的物理过程，研究了颗粒物在真空膨胀过程中与气体分子的相互作用，得出了颗粒物的速度变化规律。

并且搭建了基于飞行时间的速度测量实验系统，配合标准气溶胶粒子发生系统进行了飞行速度变化规律的实验验证。

这些规律的研究以及实验系统的搭建，为进一步研制并标定基于气溶胶动力学特性的实时粒谱监测仪器提供了理论依据及实验基础。

关键词：

气溶胶动力学特性；空气动力学喷嘴；飞行时间。

Abstract

XingJianyong（Optics）

DirectedbyProf.LiuJianguo

Aerosolactsasaveryimportantroleinmanyfields,suchastheatmosphericradiation,theairpollution,thephysicalandchemicalpropertyofatmosphere,andthehuman’shealth.Aerosolisthechiefairpollutionwhicheffectstheairqualityinthecityinourcountry.Ourconcentrationontheaerosolparticles’continualandefficientdetectionbecomesstronglyandstrongly.

Ourcountryneedstheinstrumentforaerosolparticles’detectionimminently.Soweanalyzedthemeritsanddisadvantagesoftheaerosoldetection’smethodsincommonuse,researchedintothedynamiccharacteristicoftheaerosolinthefreejetexpansion,preparedforthedevelopmentofparticles’detectioninstrumentbasedontheaerosol’sdynamiccharacteristic.

Inthispaperweanalyzedthephysicalcharacterofthefreejetexpansion,studiedtheinteractionoftheaerosolparticlesandthegasmoleculesinthefreejetexpansion,anddeducedtheruleoftheaerosolparticles’velocityalongwiththerelationoftheaerosol’saerodynamicdiameterwiththevelocityontheaxesofthejet.Andwesetuptheexperimentsystem,cooperatedwiththeproductsystemofthestandardaerosolparticles,wecarriedouttheexperimentfortherule’sconfirming.

Theresearchoftheruleandthedesignoftheexperimentsystemprovidedtheoreticalandexperimentalbasisforthedevelopmentandcalibrationoftheparticles’detectioninstrumentbasedontheaerosol’sdynamiccharacteristic.

Keywords:

TheDynamicsCharacteristicofAerosol;AerodynamicNozzle;Time-of-Flight.

第1章引言

1.1颗粒物污染及危害

国外大气污染经历了三个时期。

最早是煤烟的污染，主要是粉尘的污染，具有代表性的污染事件是几次的伦敦烟雾事件；二次世界大战后，石油代替煤成为主要燃料，烟尘污染有所减轻，但二氧化硫污染则占了主要地位，如日本四日市，二氧化硫浓度超过容许浓度5倍，在污染严重地区患支气管哮喘人数比对照区高2—3倍；六十年代以后，随着交通事业的发展，城市中大量使用汽车，汽车排出的废气对大气污染上升到主要地位，进入所谓光化学烟雾时期，具代表性的是美国洛杉矶事件。

[1][3]

大气污染对人群健康的危害，可以是局部的，也可以是全身性的；可以是特异性的，也可以是非特异性的。

它可以引起急、慢性中毒，引起暴露部位及呼吸系统急慢性炎症，严重影响人群特别是儿童的免疫功能，尤其是空气污染有致癌作用。

全世界范围内肺癌及其他呼吸系统疾病的发病率呈逐年上升趋势，提醒人们对大气污染所带来的危害给予高度的重视。

目前，国际上已公认对健康危害较大并已颁布了大气环境质量标准的大气污染物有五种：

可吸入颗粒物，SO2，NOx，CO和O3[1]。

大气颗粒物按其重力沉降特性分为降尘和飘尘。

粒径大于10μm靠其自身重量自然降落的固体称为降尘。

粒径小于10μm的固体颗粒物可以长期在空气中飘浮，能进入人上下呼吸道的称为飘尘，也称为可吸入颗粒物（inhalableparticulate，IP）。

降尘在空气中的停留时间短，对人类的危害不大；而飘尘由于颗粒小，能在空气中长期漂浮，可将污染物带到很远的地方，导致污染范围的扩大，飘尘表面还往往为大气中的化学反应提供场所。

自然界的风沙尘土、火山爆发、森林火灾以及海水喷溅等，经常向空气中散发各种固体或液体颗粒，这是大气颗粒物的自然来源。

大气颗粒物的人为来源，主要来自工矿企业排出的各种烟尘，如以煤和油为燃料的锅炉和其他燃烧设备排出的黑烟、细煤屑和飞灰，固体物质的粉碎、研磨、筛分、装卸及运输过程中散发的粉尘，金属冶炼和铸造以及食品加工的喷雾干燥等散发出的烟气和粉尘，建筑工地、采矿以及交通运输等扬起的尘土等等。

全世界人为的烟尘排放量据估计每年约有1亿吨，其中可吸入颗粒物约有2000万吨。

可吸入颗粒物粒径小、比重轻，有的比细菌还小，它们在空中可以飘浮几小时甚至几年，可以飞得很远，甚至可随气流环绕全球运动。

由于在空中飘浮时间长，易被人体吸入，因而与人体健康的关系密切。

颗粒物中对人体健康危害最大的是小于5μm的粒子。

大于5μm的颗粒物，由于惯性力作用，被鼻毛和呼吸道粘液挡住而排除；小于5μm的多滞留于气管、支气管和肺泡内，而且小于2.1μm的颗粒物，可以进入人体血液循环，对人类健康危害很大[7]。

颗粒物自身成分复杂，它含有二氧化硅、石棉等无机物以及多种金属如铅、汞、镉、铍、钒、铁及其氧化物等，进入肺泡后，可引起与污染物特性有关的特异性损害，如二氧化硅可导致矽肺，铍可致铍肺等。

颗粒物对人体健康的另一重要危害在于它的吸附能力。

许多有害气体都能吸附在颗粒物表面而被带入人肺深处，从而促成急性或慢性损害。

如大气污染中危害最大的SO2，就是以5μm以下的颗粒物为“载体”而被带入肺深处，从而造成严重的危害。

1952年发生震惊世界的“伦敦烟雾事件”后，英国当局对烟尘采取控制措施，使烟尘浓度大为下降，所以在1962年再次发生烟雾事件时，虽然SO2浓度比1952年还高，但由于烟尘浓度较低，所以死亡率反比1952年降低了80％。

（见表1.1）。

所以，对大气中烟尘含量的控制，是降低其他有害气体如SO2等危害的一个重要措施。

颗粒物所含的金属氧化物具有催化作用，能促使其吸附的SO2、NOx等气体变成毒性更强的H2SO4、HNO3，后者对肺组织的刺激性更大；颗粒物还能吸附空气中致癌性烃类化合物苯并（a）芘等，使其更易进入机体。

研究表明，粒径越小的颗粒物组分，吸附B（a）p等的浓度越大。

大气颗粒物污染给人们带来的危害是多方面的。

首先，颗粒物浓度增高，会使大气能见度降低，地面日照量减少。

由于阳光中紫外线减弱，儿童生长发育受到影响，佝偻病和骨髓发育不良等疾病增加；视程的缩短，会使城市交通事故增多；日照量的减少也可影响动植物的生长，特别是妨碍植物的光合作用；颗粒物量大还会给日常生活带来不便，如衣物易脏易损等。

大气中颗粒物还有可能参与“温室效应”的形成。

我国大气卫生标准规定可吸入颗粒物的日平均最高容许浓度为0.15mg／m3，一次最高容许浓度为0.3mg／m3。

可以看出，大气颗粒物通过改变大气辐射、改变生化循环中的营养物质及移动有毒物质来影响气候和污染环境，颗粒物污染已经给我们的生活带来了严重危害。

所以，关于气溶胶的研究在全球正成为一个热点。

表1.1英国数次伦敦烟雾事件中烟尘和SO2含量与死亡人数的比较

年份

烟尘含量（mg／m3）

SO2含量（mg／m3）

超额死亡人数

1952

4.46

3.8

4000

1956

3.25

1.6

1000

1957

2.40

1.8

400

1962

2.80

4.1

750

随着我国国民经济的高速发展，城市、流域、区域性环境问题加剧。

作为东亚沙尘气溶胶的主要源区，我国在近几年春季多发生沙尘暴。

其源头主要是沙漠和干旱地区的风损蚀及随风扬起的过程。

人类活动引起土地利用的变化、沙漠化及城市化以及自然或各种人为因子引起的地表特征和气候变化都可能改变沙尘暴天气发生的频率和强度。

沙尘暴天气对我国的经济发展以及人民生活带来的影响越来越恶劣。

所以，对沙尘气溶胶的研究也成为科学界注目的焦点。

另一方面，北方地区冬春季节的供暖多采用矿物燃料，加上工业废气的排放，汽车尾气的排放，以及发生在大、中城市的光化学烟雾等环境污染问题，这些都极大地改变了大气气溶胶的成份及其浓度。

如何持续有效地监测气溶胶颗粒物成为我们越来越关心的问题。

20世纪70年代初，我国就把尘污染控制作为国家环境监测大气环境管理的重要内容。

1982年我国制定了环境空气质量标准，其中规定了总悬浮颗粒物（TSP）的浓度限值。

1996年，在严格控制TSP浓度限值的同时，又规定了可吸入颗粒物（PM10）的浓度控制限值。

目前，我国正在考虑制定PM2.5的颗粒物控制标准。

[7]

1.2颗粒物的常用测量方法概述

对于大气颗粒物的监测，通