氣溶膠
| A+醫(yī)學(xué)百科 >> 氣溶膠 |
氣溶膠由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系，又稱氣體分散體系。其分散相為固體或液體小質(zhì)點(diǎn)，其大小為10-3cm～10-7cm，分散介質(zhì)為氣體。天空中的云、霧、塵埃，工業(yè)上和運(yùn)輸業(yè)上用的鍋爐和各種發(fā)動(dòng)機(jī)里未燃盡的燃料所形成的煙，采礦、采石場(chǎng)磨材和糧食加工時(shí)所形成的固體粉塵，人造的掩蔽煙幕和毒煙等都是氣溶膠的具體實(shí)例。
目錄 |
簡(jiǎn)介
氣溶膠是液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系。它們能作為水滴和冰晶的凝結(jié)核（見大氣凝結(jié)核、大氣冰核）、太陽輻射的吸 收體和散射體，并參與各種化學(xué)循環(huán)，是大氣的重要組成部分。霧、煙、霾、輕霧(靄)、微塵和煙霧等,都是天然的或人為的原因造成的大氣氣溶膠。
分類
氣溶膠按其來源可分為一次氣溶膠（以微粒形式直接從發(fā)生源進(jìn)入大氣）和二次氣溶膠（在大氣中由一次污染物轉(zhuǎn)化而生成）兩種。它們可以來自被風(fēng)揚(yáng)起的細(xì)灰和微塵、海水濺沫蒸發(fā)而成的鹽粒、火山爆發(fā)的散落物以及森林燃燒的煙塵等天然源，也可以來自化石和非化石燃料的燃燒、交通運(yùn)輸以及各種工業(yè)排放的煙塵等人為源?！ ?/p>
尺度
一般說來,半徑小于1微米的粒子，大都是由氣體到微粒的成核、凝結(jié)、凝聚等過程所生成；而較大的粒子，則是由固體和液體的破裂等機(jī)械過程所形成。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上可以是均相的，也可以是多相的。已生成的氣溶膠在大氣中仍然有可能再參加大氣的化學(xué)反應(yīng)或物理過程。 液體氣溶膠微粒一般呈球形，固體微粒則形狀不規(guī)則，其半徑一般為 10-3～102微米。粒徑在10-1～101微米的氣溶膠在大氣光學(xué)、大氣輻射、大氣化學(xué)、大氣污染和云物理學(xué)等方面具有重要作用。
小粒徑氣溶膠的濃度受凝聚作用所限制，而大粒子的濃度則受沉降作用所限制。微粒在大氣中沉降的過程中， 受的阻力和重力的作用達(dá)到平衡時(shí)， 各種粒子的沉降速度不同。
消除
氣溶膠的消除，主要靠大氣的降水、小粒子間的碰并、凝聚、聚合和沉降過程。
特性
科學(xué)發(fā)明 萊爾.達(dá)維.古德休 美國(guó) 氣溶膠：凡分散介質(zhì)為氣體的膠體物系成為氣溶膠。它們的粒子大小約在 100~10000納米間，屬于粗分散物系。氣溶膠粒子是懸浮在大氣中的多種固體微粒和液體微小顆粒，有的來源于自然界，如火山噴發(fā)的煙塵、被風(fēng)吹起的土壤微粒、海水飛濺揚(yáng)入大氣后而被蒸發(fā)的鹽粒、細(xì)菌、微生物、植物的抱子花粉、流星燃燒所產(chǎn)生的細(xì)小微粒和宇宙塵埃等：有的是由于人類活動(dòng)，如煤、油及其他礦物燃料的燃燒物質(zhì)，以及車輛產(chǎn)生的廢氣排放至空氣中的大量煙粒等。當(dāng)氣溶膠的濃度達(dá)到足夠高時(shí)，將對(duì)人類健康造成威脅，尤其是對(duì)哮喘病人及其他有呼吸進(jìn)疾病的 人群。空氣中的氣溶膠還能傳播真菌和病毒，這可能會(huì)導(dǎo)致一些地區(qū)疾病的流行和爆發(fā)。
氣溶膠粒子具有分布不均勻、變化尺度小、復(fù)雜性的特點(diǎn)，多集中于大氣的底層，對(duì)云的凝結(jié)核、雨滴、冰晶形成，進(jìn)而對(duì)降水的形成起重要作用。氣溶膠甚至可以改變?cè)频拇嬖跁r(shí)間，能夠在云的表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，決定降雨量的多少，影響大氣成分?！ ?/p>
作用
氣溶膠粒子能夠從兩方面影響天氣和氣候。一方面可以將太陽光反射到太空中，從而冷卻大氣，并會(huì)使大氣的能見度變壞另一方面卻能通過微粒散射、漫射和吸收一部分太陽輻射，減少地面長(zhǎng)波輻射的外逸，使大氣升溫?！ ?/p>
氣溶膠能夠引起丁達(dá)爾效應(yīng).
氣溶膠中的粒子具有很多特有的動(dòng)力性質(zhì),光學(xué)性質(zhì),電學(xué)性質(zhì).比如布朗運(yùn)動(dòng),光的折射,象彩虹,月暈之類都是因?yàn)楣饩€穿過大氣層而引起的折射現(xiàn)象.而大氣中含有很多的粒子,這些粒子就行成了氣溶膠.
氣溶膠在醫(yī)學(xué),環(huán)境科學(xué),軍事學(xué)方面都有很大的應(yīng)用.在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用于治療呼吸道疾病的粉塵型藥的制備,因?yàn)榉蹓m型藥粉更能夠被呼吸道吸附而有利于疾病的治療.環(huán)境科學(xué)方面比如用衛(wèi)星檢測(cè)火災(zāi).在軍事方面比如煙霧彈之類,還有可以制造氣溶膠煙霧來防御激光武器.
氣溶膠的容器內(nèi)含有兩種物質(zhì)--有待噴射的液態(tài)物和保持壓力的壓縮氣體。當(dāng)撳下按鈕時(shí)，閥門張開，壓縮氣體將噴嘴里的一些液態(tài)物壓出。
歷史沿革
1926年，挪威科學(xué)家埃里克.羅西姆首先想出了這個(gè)點(diǎn)子。但其他一些科學(xué)家也同樣有此想法。美國(guó)人朱利葉斯.S.可汗想出了一次性使用的金屬霧筒。同樣來自美國(guó)的萊爾.達(dá)維.古德休則進(jìn)一步研制了這一發(fā)明，使它成為可以上市的商品。1941年，第一批氣溶膠開始銷售。
氣溶膠廣泛應(yīng)用于一系列消費(fèi)品。涂漆、清潔劑、擦光劑、除臭劑、香水、剃須乳劑，甚至摜奶油，都廣泛地以氣溶膠方式銷售。另外，人們還證明它們?cè)谛l(wèi)生保健上也是行之有效的，可用來治療某些呼吸器官的疾病。
但也發(fā)現(xiàn)了氣溶膠存在的一個(gè)問題。用于壓縮氣體的化學(xué)藥品通常是含氯氟烴(即CFCs)，已證明它是對(duì)地球大氣層上的臭氧層造成損害的一類物質(zhì)。
最流行的現(xiàn)代氣溶膠壓縮氣體是二氧化碳氣體，它能在氣溶膠噴筒內(nèi)生成。像丙烷、異丁烷這類氣體也可使用。
空氣中懸浮的固態(tài)或液態(tài)顆粒的總稱，典型大小為0.01~10微米，能在空氣中滯留至少幾個(gè)小時(shí)。氣溶膠有自然或人類兩種來源。氣溶膠可以從兩方面影響氣候：通過散射輻射和吸收輻射產(chǎn)生直接影響，以及作為云凝結(jié)核或改變?cè)频墓鈱W(xué)性質(zhì)和生存時(shí)間而產(chǎn)生間接影響?！ ?/p>
濃度分布
氣溶膠的濃度，可以用一定體積中微粒的總質(zhì)量來表示，基本單位是微克/米，也可以用數(shù)密度即單位體積內(nèi)的粒子數(shù)目來表示。氣溶膠的分布特性通?？捎闷淞Ｗ訑?shù)目(n)、粒子表面積(S)、粒子的體積(V)或質(zhì)量(m)按粒徑大小 (D)的分布來描述，一般作dn/d lgD、dS/d lgD和dV/d lgD對(duì)lgD的分布圖,它們基本上呈正態(tài)分布。對(duì)于半徑(r)在0.1微米和10微米間的粒子，一般用容格(Junge)分布來表示，即：
n(r)＝Cr
式中v近似等于3,C 是正比于粒子濃度的常數(shù)。但是20世紀(jì)70年代以來,有人提出三模態(tài)大氣氣溶膠的分布(愛根核模、積聚模和粗粒子模)。 圖中還示出它們的粒徑范圍、主要質(zhì)量源以及質(zhì)量的輸入或去除的主要過程。由此可見，愛根核范圍的粒子是由高溫過程或化學(xué)過程產(chǎn)生的蒸汽凝結(jié)而成；積聚作用范圍的粒子是由核模中的粒子凝聚或通過蒸汽凝結(jié)長(zhǎng)大而形成，80％以上的大氣硫酸鹽微粒屬于此模；粗粒子則是由液滴蒸發(fā)、機(jī)械粉碎等過程形成。細(xì)粒子和粗粒子的分界線通常直徑為2微米左右。從對(duì)人體呼吸道的危害看來,10微米以上的粒子,常阻留在鼻腔和鼻咽喉部；2～10微米的粒子大部分留在上呼吸道,而2微米以下的粒子隨著粒徑的減小在肺內(nèi)滯留的比率增加,0.1微米以下的粒子隨著粒徑的減小在支氣管內(nèi)附著的比率增加。 半徑小于0.1微米的粒子,其數(shù)密度隨離地面高度的增加而減小，這表明它們來源于地表；但半徑0.1～1微米的粒子,其數(shù)密度在對(duì)流層頂上部隨高度逐漸增加,并且在15～20公里附近出現(xiàn)極大值，形成平流層內(nèi)的氣溶膠層，這層氣溶膠可能是火山噴出物氣體在平流層中經(jīng)氧化成固體而形成的。它雖然只占大氣中氣溶膠總量的百分幾，但對(duì)于大氣的氣溫有重要的影響。
通過大氣遙感可探測(cè)氣溶膠粒子的平均譜分布?！ ?/p>
化學(xué)組成
氣溶膠的化學(xué)組成十分復(fù)雜，它含有各種微量金屬、無機(jī)氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽和含氧有機(jī)化合物等。由于來源不同，形成過程也不同，故其成分不一，特別是城市大氣受污染源的影響，氣溶膠的成分變動(dòng)較大。但是非城市大氣氣溶膠的成分比較穩(wěn)定，大體上與地區(qū)的土壤成分有關(guān)。
大氣中二氧化硫轉(zhuǎn)化形成的硫酸鹽，是氣溶膠的主要成分之一。其轉(zhuǎn)化過程尚未完全明白，已知二氧化硫可在均相條件下（在氣相中），或在水滴、碳顆粒和有機(jī)物顆粒表面等多相條件下（在液相或固相表面上）轉(zhuǎn)化成三氧化硫，再與水反應(yīng)生成硫酸，并和金屬氧化物的微塵反應(yīng)而生成硫酸鹽。硫是氣溶膠內(nèi)最重要的元素，其含量能反映污染物的全球性遷移、傳輸和分布的狀況（見大氣微量氣體）。
氣溶膠中硝酸鹽和有機(jī)物的形成機(jī)制，尚待研究。氣溶膠中有銨離子(NH嬃)存在,能與硫酸根離子(SO娺)和硝酸根離子(NO婣)生成銨鹽。至于氣溶膠中的有機(jī)物,更是許多種類有機(jī)物的復(fù)雜混合物，其中包括稀烴、烷烴、芳烴、多環(huán)芳烴、醛、酮、酸、醌、酯，以及有機(jī)氮化物和有機(jī)硫化物等。
氣溶膠來源于土壤的各種元素（如銪、鈉、鉀、鋇、銣、鑭、鈰、硅、釤、鈦、釷、鋁等），其含量在地區(qū)之間差別不大；而來源于工業(yè)區(qū)的各種元素（如氯、鎢、銀、錳、鎘、鋅、銻、鎳、砷、鉻等），就有較大的地區(qū)差別。
氣溶膠是大氣中極其重要的組成部分，它不僅直接影響人類的健康，還能增加大氣的化學(xué)反應(yīng)，降低能見度，增加降水、成云和成霧的可能性，影響大氣輻射收支，導(dǎo)致環(huán)境溫度和植物生長(zhǎng)速率的改變以及沾污材料。對(duì)氣溶膠的研究，無論對(duì)于大氣化學(xué)、云和降水物理學(xué)、大氣光學(xué)、大氣電學(xué)、大氣輻射學(xué)、氣候?qū)W、環(huán)境醫(yī)學(xué)或者生態(tài)學(xué)等學(xué)科來說，都有重要意義。但氣溶膠化學(xué)組成的研究?jī)H是開始，還有待于今后發(fā)展?！ ?/p>
分類
比較合理的原則是照顧到分散相的特點(diǎn)和制備條件，常將氣溶膠分成三大類：①霧，指液體粒子的凝聚性氣溶膠和分散性氣溶膠；②塵，指固態(tài)粒子的分散性氣溶膠；③煙，指固態(tài)粒子的凝聚性氣溶膠?！ ?/p>
制備方法
可分為分散法和凝聚法兩大類。分散法是借助外力將固體或液體分裂成較小的部分，又分為固體的機(jī)械磨碎法和液體噴霧法，所得氣溶膠的分散程度往往不高。凝聚法是將分散相物質(zhì)先分裂成單個(gè)分子的物質(zhì)(即成氣體或蒸氣狀的物質(zhì))，然后再凝結(jié)成膠體大小的質(zhì)點(diǎn)，因此包含過飽和蒸氣的形成和過飽和蒸氣的凝聚兩個(gè)階段。其關(guān)鍵是得到過飽和蒸氣，這可以由蒸氣冷卻凝聚和化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到。對(duì)每一種物質(zhì)來說，在一定的溫度下，飽和蒸氣的最大濃度及其相應(yīng)的飽和蒸氣壓，都是一定的，且隨溫度的降低而減小，因此當(dāng)蒸氣冷卻時(shí)，過飽和蒸氣在凝結(jié)中心(或稱核心)產(chǎn)生凝聚，形成氣溶膠質(zhì)點(diǎn)。凝結(jié)中心可以是塵粒，其他的大氣核心、離子和極性分子等，但過飽和度相當(dāng)高時(shí)，蒸氣分子本身可凝結(jié)而無需核心，利用化學(xué)反應(yīng)可產(chǎn)生蒸氣壓小的物質(zhì)，達(dá)到過飽和就凝聚。通常所制得的氣溶膠質(zhì)點(diǎn)一般都是多分散的，用氣溶膠發(fā)生器并控制反應(yīng)條件可得到單分散的氣溶膠。
特性
由于氣溶膠的分散介質(zhì)是氣體，氣體的粘度小，分散相與分散介質(zhì)的密度差很大，質(zhì)點(diǎn)相碰時(shí)極易粘結(jié)以及液體質(zhì)點(diǎn)的揮發(fā)，使氣溶膠有其獨(dú)特的規(guī)律性。氣溶膠質(zhì)點(diǎn)有相當(dāng)大的比表面和表面能，可以使一些在普通情況下相當(dāng)緩慢的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得非常迅速，甚至可以引起爆炸，如磨細(xì)的糖、淀粉和煤等。
氣溶膠質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生光的散射，這是使天空成為藍(lán)色，太陽落山時(shí)成為紅色的原因。在動(dòng)力性質(zhì)方面，其布朗運(yùn)動(dòng)非常劇烈，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)小時(shí)具有擴(kuò)散性質(zhì)；當(dāng)質(zhì)點(diǎn)大時(shí)，由于與介質(zhì)的密度差大，沉降顯著。因介質(zhì)是氣體，這些動(dòng)力性質(zhì)與氣體分子自由路程有關(guān)。在電學(xué)性質(zhì)方面，氣溶膠粒子沒有擴(kuò)散雙電層存在，但可以帶電，其電荷來源于與大氣中氣體離子的碰撞或與介質(zhì)的摩擦，所帶電荷量不等，且隨時(shí)間變化；質(zhì)點(diǎn)既可帶正電也可帶負(fù)電，說明其電性決定于外界條件。在穩(wěn)定性方面，氣溶膠粒子沒有溶膠粒子那樣的溶劑化層和擴(kuò)散雙電層，相碰時(shí)即發(fā)生聚結(jié)，生成大液滴(霧)或聚集體(煙)，此過程進(jìn)展極其迅速，所以氣溶膠是極不穩(wěn)定的膠體分散體系，但由于布朗運(yùn)動(dòng)的存在，也具有一定的相對(duì)穩(wěn)定性?！ ?/p>
應(yīng)用
氣溶膠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和其他方面都已得到廣泛的應(yīng)用，如加快燃燒速率和充分利用燃料。噴霧干燥可提高產(chǎn)品質(zhì)量，已廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)與洗衣粉的生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)上，農(nóng)藥的噴灑可提高藥效、降低藥品的消耗；利用氣溶膠進(jìn)行人工降雨，可大大改善旱情。國(guó)防上，用來制造信號(hào)彈和遮蔽煙幕。
工業(yè)城市上空的煙霧和工廠、礦井中的煙塵對(duì)人體健康危害極大(如硅肺)，還有破壞大自然的酸雨以及易引起爆炸的粉塵，都和氣溶膠有關(guān)。
氣溶膠與全球變暖
研究稱氣溶膠對(duì)全球變暖的“冷卻效應(yīng)”很微弱。一位挪威科學(xué)家表示，他已經(jīng)估測(cè)出了氣溶膠到底能對(duì)氣候產(chǎn)生多大影響。
散布在大氣中的氣溶膠微粒對(duì)太陽光具有反射效應(yīng)，進(jìn)而可以“遮蔽”全球變暖的影響。而這位挪威科學(xué)家的研究項(xiàng)目的目的是要綜合運(yùn)用反應(yīng)這種“直接氣溶膠效應(yīng)”的各類模型和觀測(cè)結(jié)果，以準(zhǔn)確評(píng)估這一冷卻效應(yīng)的作用。
據(jù)英國(guó)廣播公司消息，挪威國(guó)際氣候和環(huán)境研究中心的氣候科學(xué)家岡納.邁爾（Gunnar Myhre）在《科學(xué)》雜志上報(bào)告說，他的研究發(fā)現(xiàn)冷卻效應(yīng)并不像此前研究預(yù)測(cè)的那么強(qiáng)烈。邁爾說，這能清楚地表明到目前為止人類到底給氣候帶來了多大的改變。他研究的污染微粒包括硫酸鹽等工業(yè)氣溶膠、燃燒農(nóng)業(yè)廢棄物所排放的硝酸鹽以及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和其它燃燒形式所產(chǎn)生的黑碳（煤煙）?！皻馊苣z排放的全球模型顯示，溫室氣體造成的全球變暖有大約10%被它們（氣溶膠）的冷卻效應(yīng)消除了。” 參與該項(xiàng)研究的英國(guó)氣象局氣溶膠研究員吉姆.海伍德（Jim Haywood）解釋說，“但利用衛(wèi)星手段探測(cè)到的大氣氣溶膠的含量卻表明，冷卻效應(yīng)消除了大約20%（的全球變暖）。”
邁爾協(xié)調(diào)了兩種方法，最終得到了一個(gè)更為精確的評(píng)估數(shù)據(jù)——冷卻效應(yīng)接近10%。這一結(jié)果比聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專家委員會(huì)(IPCC)此前所預(yù)測(cè)的要弱。“硫酸鹽和有機(jī)碳反射太陽輻射，而黑碳在很大程度上卻會(huì)吸收太陽輻射?！彼忉屨f?！澳Ｐ涂紤]到了黑碳（排放）增幅多于其它兩種氣溶膠的情況。但基于觀測(cè)的方法卻難以將其考慮在內(nèi)，因?yàn)槲覀冎挥嗅槍?duì)當(dāng)前狀況的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而且不是在人類活動(dòng)開始之前的。這將對(duì)以后的氣候預(yù)測(cè)產(chǎn)生影響?！?海伍德說。
不過，氣溶膠對(duì)氣候的影響遠(yuǎn)不止于此。氣溶膠微粒會(huì)改變?cè)茖?，增加大氣中液滴濃度，從而增加云量。邁爾說，這種“間接氣溶膠效應(yīng)”引起的遮蔽或者冷卻作用仍然存在“很多不確定”。海伍德對(duì)此表示同意。“氣溶膠對(duì)云量的影響讓我們很傷腦筋，”他說，“這給我們的數(shù)據(jù)采集留下了一個(gè)大空白。”他和英國(guó)氣象局的同事已經(jīng)開始研究是否可以利用氣溶膠來有意地遏制全球變暖。
在最近的一項(xiàng)研究中，他通過氣候模型來預(yù)測(cè)，利用海鹽顆粒增加云層的反照率這種故意使云層變亮的手段將對(duì)全球氣溫產(chǎn)生什么樣的影響。研究小組發(fā)現(xiàn)，全球變暖將被延緩多達(dá)25年，但他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種方法也會(huì)帶來很多不利影響。研究人員說，其中最嚴(yán)重的后果就是，南美地區(qū)的降雨量將大幅減少，這很可能會(huì)加速亞馬遜雨林的枯萎，給這一世界主要碳匯造成損失。“采用這種方法，你必須非常謹(jǐn)慎地選擇云層?！焙Ｎ榈抡f。邁爾指出，同溫室氣體相比，氣溶膠對(duì)氣候的影響最終將變得無足輕重。
“氣溶膠的壽命很短，而溫室氣體的壽命卻很長(zhǎng)——二氧化碳可以存在100多年。”他說，“在將來，溫室氣體才是全球變暖真正的大問題。它們的影響將越來越重要?！?/p>
| 關(guān)于“氣溶膠”的留言： |  訂閱討論RSS
|
|
目前暫無留言 | |
| 添加留言 | |