什么是氣溶膠？

2020-02-22 19:35:00 admin

氣溶膠

本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目審核。

氣溶膠是指懸浮在氣體介質(zhì)中的固態(tài)或液態(tài)顆粒所組成的氣態(tài)分散系統(tǒng)。這些固態(tài)或液態(tài)顆粒的密度與氣體介質(zhì)的密度可以相差微小，也可以懸殊很大。 [1] 氣溶膠顆粒大小通常在0.01~10μm之間 [2-5] ，但由于來源和形成原因范圍很大，例如：花粉等植物氣溶膠的粒徑為5-100µm、木材及煙草燃燒產(chǎn)生的氣溶膠，其粒徑為0.01-1000µm等 [6] 。顆粒的形狀多種多樣，可以是近乎球形，諸如液態(tài)霧珠，也可以是片狀、針狀及其它不規(guī)則形狀。從流體力學(xué)角度，氣溶膠實(shí)質(zhì)上是氣態(tài)為連續(xù)相，固、液態(tài)為分散相的多相流體。 [1]

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，采礦過程、采石場(chǎng)采掘與石料加工過程和糧食加工時(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。 [7]

待論證

內(nèi)容來自

中文名氣溶膠外文名 aerosol 大小通常在0.01～10μm之間消除方法降水、粒子碰并、聚合、沉降等別稱氣體分散體系顆粒形狀近球形、片狀、針狀、不規(guī)則狀等

理化性質(zhì)編輯

氣溶膠是以固體或液體為分散質(zhì)（又稱分散相）和氣體為分散介質(zhì)所形成的溶膠。它具有膠體性質(zhì)，如：對(duì)光線有散射作用、電泳、布朗運(yùn)動(dòng)等特性。大氣中的固體和液體微粒作布朗運(yùn)動(dòng)，不因重力而沉降，可懸浮在大氣中長(zhǎng)達(dá)數(shù)月、數(shù)年之久。 [8]

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。 [9]

物理性質(zhì)

氣溶膠微粒能發(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)微粒小時(shí)具有擴(kuò)散性質(zhì)；當(dāng)微粒大時(shí)，由于與介質(zhì)的密度差大，沉降顯著。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；微粒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。 [9]

化學(xué)組成

氣溶膠由于粒子的來源和成因不同，其化學(xué)組成有很大的區(qū)別，不同來源的顆粒物，其組分相差很大。如來自地表層或由海水濺沫生成的大顆粒往往含有大量的Fe、Al、Si、Mg、Ti和Ca等元素。以常見的城市大氣氣溶膠為例，其顆粒的形成主要有以下幾種方式：低蒸汽壓氣體粒子的成核；低蒸汽壓氣體在已有粒子上的濃縮；粒子的凝聚與碰撞?？傮w上來看，氣溶膠中的化學(xué)成分包含以下幾個(gè)主要方面：1）氣溶膠中的水溶性粒子，如硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等，主要來自氣體的轉(zhuǎn)化；2）氣溶膠中的有機(jī)物，它們一般占?xì)馊苣z總質(zhì)量的10%~50%，其種類繁多，對(duì)人體健康和大氣環(huán)境有很大的影響；3）氣溶膠中的元素。氣溶膠中元素也較為豐富，目前在大氣中已發(fā)現(xiàn)的元素超過70種。此外，氣溶膠的化學(xué)成分有明顯的季節(jié)性和地域性的差異，這更加說明了氣溶膠化學(xué)組成的復(fù)雜性。 [10]

氣溶膠顆粒物的表面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有的較為光滑，但大部分顆粒表面粗糙，因此，顆粒的表面可作為顆粒與大氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或催化氧化反應(yīng)的場(chǎng)所。例如，二氧化硫在氣溶膠顆粒表面可被催化氧化（因表面含有鐵或錳等過渡金屬）而產(chǎn)生硫酸鹽，或發(fā)生氣相氧化生成硫酸鹽氣溶膠（顆粒物，二次污染物）。后者可遠(yuǎn)距離遷移，在幾百公里上空沉降（干沉降）或被雨水沖刷（濕沉降）抵達(dá)地面，從而造成土壤、水體的酸化，影響植物、水生生物的生長(zhǎng)，美國(guó)東北部、五大湖地區(qū)的酸雨危害，就是由硫酸鹽氣溶膠造成的。我國(guó)的燃料結(jié)構(gòu)以煤為主，燃煤產(chǎn)生的二氧化硫和煙塵，已成為大氣污染的普遍問題，二氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和煙塵顆粒物中有毒有害物質(zhì)的傳播、轉(zhuǎn)化，都會(huì)造成環(huán)境與生態(tài)的危害。 [8]

環(huán)境效應(yīng)編輯

影響大氣成分

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。 [11]

破壞臭氧層

通過對(duì)密封裝置的加壓，可從各種各樣的物質(zhì)中產(chǎn)生氣溶膠，其中包括殺蟲劑、油漆、噴發(fā)定型劑等。這些物質(zhì)與另一種易于液化的氣體混合（往往是加入微量氟化物或氯化物的碳?xì)浠衔铮?，一旦釋壓，后者?huì)產(chǎn)生推進(jìn)作用。人們普遍擔(dān)心，由于加入氟化物的碳?xì)浠衔锉瓤諝廨p，因而會(huì)在大氣層中引起一系列反應(yīng)，從而破壞臭氧層。因臭氧層保護(hù)地球上的生物免受紫外線的輻射，因此制定了一些措施，禁止在氣溶膠中使用加入氟化物的碳?xì)浠衔铩?[12]

環(huán)境污染

霾是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10公里的空氣普遍混濁現(xiàn)象，這里的干塵粒指的是干氣溶膠粒子。一般情況下，當(dāng)能見度在1~10公里時(shí)可能既有干氣溶膠的影響（即霾的影響），也可能有水滴的貢獻(xiàn)（即輕霧的貢獻(xiàn)），且不易區(qū)分，所以就被稱為“霧-霾”現(xiàn)象。由于在實(shí)際的大氣中沒有氣溶膠粒子作為云霧的凝結(jié)核（或冰核），無法形成霧，所以霧和霾的背后都與氣溶膠粒子有關(guān)。 [13]

造成大氣污染的空氣氣溶膠有煙霧、硫酸霧及光化學(xué)煙霧等。微粒物主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、加工過程、各種鍋爐或爐灶排出的煙塵以及汽車排出的污染物及由它轉(zhuǎn)化成的二次污染物。因此，應(yīng)該通過改進(jìn)燃燒方式，采用無污染或少污染能源，提高除塵器效率以及植樹造林等措施，加強(qiáng)對(duì)微粒的控制。 [14]

表征方法編輯

顆粒物濃度

顆粒物的濃度通常采用單位體積氣溶膠內(nèi)粒子的數(shù)目（數(shù)濃度N）、粒子的總表面積（表面積濃度S）或粒子的總體積（V）或總質(zhì)量（M）來表示。 [15]

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道疾病的人群?？諝庵械臍馊苣z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)。 [11]

粒徑分布

所謂氣溶膠粒徑分布是指所含氣溶膠粒子的濃度按粒子大小的分布情況，以反映出氣溶膠粒子的大小與其來源或形成過程之間的關(guān)系。氣溶膠粒徑的表示有空氣動(dòng)力學(xué)直徑或斯托克斯（stokes）直徑。后者是指一顆粒與另一球形顆粒具有相同平均密度及沉降速度的直徑。 [15]

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。 [15]

右圖給出了大氣環(huán)境中各種微粒的粒徑范圍，常見的微生物氣溶膠粒徑在0.01－100μm之間，病毒粒子

粒徑為0.02－0.3μm，細(xì)菌以及真菌等粒徑范圍在0.3－100μm之間，其中與疾病有關(guān)的微生物氣溶膠直徑主要集中在0.1－20μm。 [16]

來源及組成編輯

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。 [17]

植物氣溶膠的粒徑為5-100µm，如花粉；燃燒產(chǎn)生的氣溶膠，其粒徑為0.01-1000µm，源于燃燒木材及煙草產(chǎn)物等；家庭或個(gè)人清潔及化妝產(chǎn)生的氣溶膠，粒徑分布在0.1-1000µm之間；放射性氣溶膠，主要是指放射性粒子附著在較大的顆粒上，其中部分顆?？杀晃敕尾?，其放射性物質(zhì)將損壞肺部并增加肺癌的危險(xiǎn)。 [6]

分類編輯

物理狀態(tài)

據(jù)顆粒物的物理狀態(tài)不同，可將氣溶膠分為以下三類： [18]

（1）固態(tài)氣溶膠——煙和塵； [18]

（2）液態(tài)氣溶膠—— 霧； [18]

（3）固液混合態(tài)氣溶膠——煙霧；（煙霧微粒的粒徑一般小于1μm） [18]

粒徑大小

氣溶膠按粒徑大小又可分為：

（1）總懸浮顆粒物（total suspended particulates，TSP），用標(biāo)準(zhǔn)大容量顆粒采樣器（流量在1.1-1.7m3/min）在濾膜上所收集到的顆粒物的總質(zhì)量，通常稱為總懸浮顆粒物，它是分散在大氣中各種粒子的總稱。 [18]

（2）飄塵，可在大氣中長(zhǎng)期飄浮的懸浮物稱為飄塵，其粒徑小于10μm的微粒，飄塵是最引人注目的研究對(duì)象之一。 [18]

（3）降塵，降塵是指粒徑大于10μm，由于自身的重力作用會(huì)很快沉降下來的微粒。單位面積的降塵量可作為評(píng)價(jià)大氣污染程度的指標(biāo)之一。 [18]

（4）可吸入粒子（inhalable particles，IP），可吸入粒子是指易于通過呼吸過程而進(jìn)入呼吸道的粒子。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）建議將IP定為粒徑Dp≦10μm的粒子，這里的Dp是空氣動(dòng)力學(xué)直徑，其定義為與所研究粒子有相同終端降落速率的，相對(duì)密度為1的球體直徑。它反映出粒子的大小與沉降速率的關(guān)系。所以可以直接表達(dá)出粒子的性質(zhì)和行為，如粒子在空中的停留時(shí)間，不同大小粒子在呼吸道中沉積的不同部位等。 [18]

應(yīng)用領(lǐng)域編輯

工業(yè)

氣溶膠可以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)；氣溶膠滅火技術(shù)就是近幾十年發(fā)展起來的滅火技術(shù)，并成為哈龍滅火產(chǎn)品（鹵代烷類）的代替物之一，也是應(yīng)用在工業(yè)、民用建筑物消防領(lǐng)域的利器。 [19]

農(nóng)業(yè)

應(yīng)用于農(nóng)藥的噴灑時(shí)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。 [9]

國(guó)防

當(dāng)激光在大氣中傳輸時(shí)，大氣中的各類氣體分子和氣溶膠粒子都會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生吸收和散射，進(jìn)而影響激光在大氣中的能量分布。在各類引起激光衰減的因素中，對(duì)激光傳輸能量損耗最大、傳輸特性影響最為強(qiáng)烈的是大氣氣溶膠粒子的散射、吸收和衰減效應(yīng)。如在激光通信技術(shù)領(lǐng)域，眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大氣信道的影響己經(jīng)成為制約無線激光通信技術(shù)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重時(shí)大氣的衰減甚至可達(dá)100dB，這極大的降低了探測(cè)端接收光信號(hào)的信噪比，進(jìn)而導(dǎo)致通信距離下降及通信質(zhì)量變差。在軍事國(guó)防領(lǐng)域，大氣散射的影響和作用則更加致命，在激光武器、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)等應(yīng)用中，大氣氣溶膠所導(dǎo)致的大氣散射會(huì)使光束向四面八方發(fā)散，嚴(yán)重破壞激光的定向性和能量集中的特性，從而導(dǎo)致定向激光傳輸?shù)淖饔镁嚯x縮短激光能量降低，嚴(yán)重時(shí)甚至造成打擊失效。因此研究氣溶膠的吸收和散射特征，可以得到激光衰減效應(yīng)及其物理規(guī)律，在國(guó)防上，可以用來制造信號(hào)彈和遮蔽煙幕。 [20]

微生物氣溶膠編輯

通常指含有病毒或細(xì)菌等病原體的氣溶膠。 [21] 微生物氣溶膠按其形成組分可分為病毒氣溶膠、細(xì)菌氣溶膠和真菌氣溶膠。

特點(diǎn)

生物性氣溶膠具有以下特點(diǎn)：①氣溶膠中病毒、細(xì)菌的濃度較霧化前母液的濃度高。②氣溶膠中病毒、細(xì)菌的死亡速度通常有2個(gè)階段，氣溶膠形成最初幾秒鐘內(nèi)死亡較快，約有半個(gè)數(shù)量級(jí)的微生物遭到滅活。此后的死亡速度較慢并受微生物種類、性質(zhì)和氣象條件（相對(duì)濕度、日照、溫度等）影響。③生物性氣溶膠可因風(fēng)向、風(fēng)速而飄離其原發(fā)地區(qū)。細(xì)菌性氣溶膠可擴(kuò)散至下風(fēng)向1km處仍保持其生物活性；腸道病毒在下風(fēng)50m處也可檢出。 [21]

危害

微生物氣溶膠是一種特殊的氣溶膠，是由懸浮于空氣中的微生物所形成的膠體體系，包括病毒、細(xì)菌、真菌以及它們的副產(chǎn)物。病毒是最小的微生物，直徑在0.02-0.3μm，雖然只能在寄主細(xì)胞內(nèi)繁殖，但在沒有寄主細(xì)胞的條件下仍可附著在如呼吸道分泌物等液滴上形成病毒氣溶膠而通過空氣傳播，能導(dǎo)致傳染病的發(fā)生，如流感、腮腺炎、麻疹等；細(xì)菌氣溶膠通常是單獨(dú)存在或由其他粒子所攜帶，病原性細(xì)菌易對(duì)人體健康造成危害；真菌氣溶膠常在潮濕的環(huán)境中發(fā)生，室內(nèi)環(huán)境中的霉菌等易導(dǎo)致哮喘、過敏性鼻炎等。微生物氣溶膠可如細(xì)顆粒物一樣，進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)，在呼吸道甚至肺部中阻留或沉降，其生物活性又使得微生物氣溶膠較普通氣溶膠對(duì)人類威脅更大。 [16]

預(yù)防措施

2020年2月8日，上海市政府舉行疫情防控新聞發(fā)布會(huì)。在發(fā)布會(huì)上，衛(wèi)生防疫專家表示，新型冠狀病毒感染的肺炎傳播途徑主要為直接傳播、氣溶膠傳播和接觸傳播。氣溶膠傳播是指飛沫混合在空氣中，形成氣溶膠，吸入后導(dǎo)致感染。 [22]

不過，在國(guó)家衛(wèi)健委公布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》中，對(duì)病毒傳播途徑有這樣的表述——“氣溶膠和消化道等傳播途徑尚待明確”。 [22]

另據(jù)國(guó)家衛(wèi)健委網(wǎng)站2020年2月8日發(fā)布疫情問答，中國(guó)疾控中心傳染病處研究員馮錄召表示，目前尚沒有證據(jù)顯示新型冠狀病毒通過氣溶膠傳播。新冠肺炎目前還是主要通過飛沫傳播和接觸傳播的疾病，在某些特殊的條件下才可能發(fā)生氣溶膠傳播，例如進(jìn)行臨床氣管插管等專業(yè)醫(yī)療操作時(shí)。如果是在常規(guī)臨床護(hù)理、一般的工作生活條件下，采取正確佩戴口罩的飛沫傳播防護(hù)措施，是足以滿足保護(hù)普通公眾，而不被感染的。 [23]

馮錄召建議：

大家咳嗽打噴嚏的時(shí)候用紙巾、手絹或者用手肘遮住口鼻，盡量扭身躲開別人，這樣能夠防止飛沫噴濺到更遠(yuǎn)的距離； [24]

跟其他人保持一米的安全距離； [24]

在通風(fēng)環(huán)境中，空氣中一般不會(huì)有新冠病毒，但仍應(yīng)每天至少兩次開窗通風(fēng)，這是降低感染風(fēng)險(xiǎn)的有效措施； [24]

在防護(hù)措施一般的工作和生活條件下，正確佩戴口罩防護(hù)飛沫，足以保護(hù)普通公眾不被傳染，大家不必恐慌。 [24]

2020年2月18日，國(guó)家衛(wèi)健委發(fā)布《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第六版）》，傳播途徑將“經(jīng)呼吸道飛沫和接觸傳播是主要的傳播途徑”改為“經(jīng)呼吸道飛沫和密切接觸傳播是主要的傳播途徑。”，并增加“在相對(duì)封閉的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間暴露于高濃度氣溶膠情況下存在經(jīng)氣溶膠傳播的可能。” [25]

在四川省新型冠狀病毒肺炎疫情防控工作新聞發(fā)布會(huì)（第三場(chǎng)）上，四川大學(xué)華西公共衛(wèi)生學(xué)院教授、成都預(yù)防醫(yī)學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)張建新稱，即便是氣溶膠傳播，它和飛沫傳播、接觸傳播的預(yù)防措施基本相同，隔離，還要戴口罩、洗手、通風(fēng)，手段是一樣的。所以大家還是要按照國(guó)家和各級(jí)政府及衛(wèi)生部門提出的措施，很好地落實(shí)下去，做到每個(gè)人都為自己的健康負(fù)責(zé)，做好所有的防護(hù)措施，也能夠有效的預(yù)防。 [26]