气溶胶测量原理、技术及应用

原著前言

谨将此书献给我们的同事和合编者，已故的Paul Baron。经过与癌症病魔的长期斗争，Paul于2009年5月20日离开了我们，直到他生命的后几天，他还积极地参与到本书的编辑筹备工作中。在气溶胶科学领域，他是一名充满热情的斗士，他为气溶胶测量做出了突出的贡献，他的谦逊、活力和睿智激励着缅怀他的同事和朋友们继续前进。

近几十年，气溶胶测量科学发展迅速。从20世纪早期简单的大气尘重量测量到的接近实时的粒径和组分测量，这些进步令人振奋，而且测量技术广泛应用于公众健康、环境保护、气候研究、医学和工业技术领域。20世纪80年代末，由于需要评估颗粒物污染控制设备，并且需要找到更好的方法来监测“不良”室内和室外气溶胶，促使新的测量方法发展起来。随后几年，很多监测方法和设备开发出来，以应对新发布的环境和职业健康法规。近，气溶胶测量仪器的发展推动了我们对大气气溶胶过程的了解，尤其是在大气和气候研究方面。在工业领域，监测“良性”气溶胶的测量技术也充分发展起来。随着纳米科技的到来，气溶胶测量技术不仅应用在功能性纳米材料生产领域中，而且在小化环境和职业暴露风险中，也要用到气溶胶测量技术。在很多领域中，气溶胶测量都至关重要，包括工业卫生、空气污染、流行病学、大气科学、材料科学、粉末技术、纳米技术、过滤、颗粒毒理学和给药。因而，近年来选修气溶胶科学和测量课程的大学生和研究生明显增加。美国、欧洲和亚洲气溶胶研究学者的快速增多，也体现出这个领域的日益重要性。

本书全面展示了基本理论、技术以及气溶胶测量的仪器设备和方法。从发展历史来看，从公众健康和空气污染、气候研究，到工业技术的实际应用都促进了气溶胶测量技术的发展。反过来说，大多数测量技术源自物理科学中的各种原理，比如斯托克斯定律、米利肯实验或者布朗运动。因此，本书分为三部分：原理、技术和应用。本书的部分介绍了与气溶胶测量有关的基本物理概念，并让读者对各种类型的设备有大概认识。第二部分按照测量技术的原理分类，分章介绍一种或者一组设备。第三部分讨论第二部分介绍的仪器设备在不同领域的应用，从环境空气监测、工作场所大气监测、生物质气溶胶、飞行器测量、材料合成到药物气溶胶，每个领域都需要测量特定的气溶胶特征，因此要应用一种或一组测量技术。希望本书能成为气溶胶测量科学和应用之间的桥梁。

本书第三版在第二版的基础上做了很多改变，删除或合并了一些章节，增加了新的章节。删掉了“气溶胶测量的历史回顾”，因为大家都能找到此类资料。其余冗长的内容，包括无组织尘排放、矿井气溶胶测量和放射性氡，只将一些关键性的内容整合到相应的章节中。介绍光学设备的两个章节合并成了一个章节。有些章节介绍的设备已经不再使用或者已不再商业化，也进行了浓缩。所有章节都进行了升级，可以反映出第二版出版以来气溶胶测量的发展。增加了一些新的在其他地方没出现过的章节，包括电喷技术、气溶胶卫星测量技术、新粒子形成、5nm以下气溶胶粒子测量、大粒子（>10μm）测量、电传感气溶胶测量设备，后还介绍了可吸入粒子的健康效应。健康效应这一章，虽然和气溶胶测量没有直接关系，但是，可以为那些应用气溶胶测量来研究健康效应的科学家和工程师们提供更广阔的前景，对他们应该有所帮助。

对这类书来说，在有限的内容空间里，兼顾气溶胶测量理论和应用两方面内容的平衡不太容易。著者们在确保高质量章节的同时，为达到这一高难度的平衡而做出的尝试值得称赞。我们感谢他们在本次工作量极大、单调乏味的修订中表现出的耐心。在编辑过程中，我们力求本书的内容和表现形式能被更广泛的读者群接受，包括研究生、大学生、从事气溶胶测量工作的新成员，以及有经验的气溶胶科学家和工程师。我们还力求确保每个章节的术语和定义尽可能地保持一致。在每个章节的后，列出了本章中出现的符号清单。很多章节中还列举了大量例子来解释主要的概念。

我们在章节间大量运用了前后对照，以便读者能在不同的章节中快速找到相关主题。书后的各个附录可以提供快速有用的参考。

我们要真心感谢许多来自气溶胶领域的同仁们，他们给予了本书大力支持。100余名校对者帮助我们校对了每个章节，感谢他们为本书付出的时间和专业技能。感谢Prasoon Diwakar、Chaolong Qi和Greg Deye在后的手稿准备阶段给予的帮助。还要感谢John Wiley出版社的Bob Esposito、Michael Leventhal和Christine Punzo在本书准备阶段给予的帮助。感谢Mary Safford Curioli优秀的编辑技术和Nick Barber的高效协调。P.K.要感谢他的夫人Debjani在这个漫长的过程中给他的支持和鼓励。K.W.自2003年从辛辛那提大学退休后，就居住在加利福尼亚州的奥林达，在此，他感谢夫人Audrone给予的支持。

Pramod Kulkarni

俄亥俄州  辛辛那提

Klaus Willeke

加利福尼亚州  奥林达

《气溶胶测量原理、技术及应用》全面展示了气溶胶测量的基本理论、技术以及仪器设备和方法。该书分为三部分：原理、技术和应用。*部分介绍了与气溶胶测量有关的基本概念，并让读者对各种类型的设备有大概认识。第二部分按照测量技术的原理分类，分章介绍一种或者一组设备。第三部分讨论第二部分介绍的仪器设备在不同领域的应用，涵盖从环境空气监测、工作场所大气监测、生物质气溶胶、飞行器测量、材料合成到药物气溶胶的各个领域。

本书既适合初学者阅读，又适合作为环境科研、环境监测、污染治理、大气科学、工业卫生等相关专业学者或工程师的参考资料，也可作为环境科学、环境监测、环境工程、大气科学等专业师生的教材。

作者简介：

白 志 鹏

中国环境科学研究院/环境基准与风险评估国家重点实验室环境空气颗粒物健康基准方向PI（学科带头人）, 博导，研究员。1995年博士毕业，历任南开大学环境科学系讲师，副教授，教授，中国环境科学研究院研究员。研究领域为：颗粒物测量、来源解析、基准与标准；空气污染化学，空气重污染成因、危害与防控研究；暴露测量与环境风险评价；室内空气污染防治。国务院政府特殊津贴专家，“新世纪百千万人才工程”国家人选，*跨世纪优秀人才。发表英文学术期刊论文120余篇，中文学术期刊论文190余篇。主持编制中国气象行业标准QX/T 508-2019 大气气溶胶碳组分膜采样分析规范，参加3项有关室内环境国家标准的编制。国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室首任主任。2012年调入到中国环境科学研究院担任大气化学和气溶胶科技创新基地任首席专家。

部分基本理论

1气溶胶概论2

1.1引言2

1.2单位和公式3

1.3术语4

1.4影响气溶胶行为的参数5

1.4.1粒径和粒子形状5

1.4.2粒子浓度6

1.4.3粒径分布7

1.4.4粒子吸附和分离7

1.4.5外加力9

1.5选用气溶胶测量设备的注意事项9

1.6参考文献10

2单粒子传输基本原理14

2.1引言14

2.2连续流14

2.2.1雷诺数15

2.2.2流线15

2.2.3马赫数15

2.2.4层流和湍流16

2.2.5边界层16

2.2.6滞流16

2.2.7泊肃叶流17

2.2.8经过弯管、紧缩、扩张处的流体17

2.2.9气体密度17

2.2.10黏度18

2.3滑移流区18

2.3.1空气平均自由程19

2.3.2克努森数19

2.4曳力和迁移率19

2.4.1连续流19

2.4.2滑移流20

2.4.3曳力系数20

2.4.4机械迁移率21

2.5布朗扩散22

2.5.1气体扩散22

2.5.2粒子扩散22

2.5.3贝克来数23

2.5.4施密特数24

2.6粒子在外力场中的运动24

2.6.1粒子在重力场中的运动24

2.6.2粒子在电场中的运动27

2.6.3粒子在其他外力场中的运动29

2.7符号列表31

2.8参考文献33

3气溶胶系统中的物理化学过程34

3.1引言34

3.1.1定义34

3.1.2开尔文效应35

3.2凝结36

3.2.1生长率36

3.2.2生长所需时间38

3.3成核现象38

3.3.1均相成核38

3.3.2异相成核38

3.3.3平衡状态39

3.4蒸发39

3.4.1蒸发速率39

3.4.2干燥时间39

3.5凝聚41

3.5.1简单单分散凝聚41

3.5.2多分散凝聚42

3.5.3动力凝聚43

3.6反应44

3.6.1反应45

3.6.2吸收45

3.6.3吸附45

3.7参考文献46

4气溶胶的粒径分布特征47

4.1粒径和粒径分布的基本概念47

4.1.1粒径定义47

4.1.2粒径分布47

4.1.3粒径分布函数的应用49

4.2大气气溶胶49

4.2.1引言49

4.2.2Whitby模型51

4.2.3核模态，粒径范围0.005～0.1μm52

4.2.4积聚模态，粒径范围0.1～2μm53

4.2.5粗粒子模态，粒径范围大于2μm56

4.3室内气溶胶57

4.4工业气溶胶59

4.5粒径分布中的模态广义模型59

4.6符号列表60

4.7参考文献60

5气溶胶测量方法63

5.1引言63

5.2质量保证：测量计划63

5.3测量准确度64

5.4粒径范围64

5.5离线测量65

5.6实时测量66

5.6.1滤膜采集粒子的测量66

5.6.2单粒子实时测量66

5.7气溶胶测量误差68

5.7.1采样和传输69

5.7.2检测器响应与灵敏度70

5.7.3检测器的重合误差71

5.7.4密度和其他物理性质的校正71

5.7.5气溶胶采样统计73

5.8粒径分布的表示方法74

5.9参考文献76

第二部分技术

6气溶胶在采样入口和管路中的输送78

6.1引言78

6.1.1校准80

6.1.2样品提取80

6.1.3样品输送81

6.1.4其他采样问题81

6.1.5小结82

6.2样品提取82

6.2.1效率84

6.2.2用薄壁采样嘴在流动气体中采样86

6.2.3同轴采样87

6.2.4用钝形采样器在流动气体中采样95

6.2.5静止空气中的采样97

6.2.6低速气流中的采样100

6.3样品输送101

6.3.1采样管路中的重力沉降102

6.3.2采样管路中的扩散103

6.3.3采样管路中的湍流惯性沉积或涡流105

6.3.4弯管内的惯性沉积108

6.3.5采样管路中气流压缩元件的惯性沉积109

6.3.6采样管路中的静电沉积110

6.3.7采样管路中热迁移沉积111

6.3.8采样管路中的扩散迁移沉积112

6.3.9储存舱与储存袋内的沉积113

6.4其他采样问题114

6.4.1稀释状况下的采样114

6.4.2采样管路与入口处的阻塞115

6.4.3沉积物的再悬浮现象116

6.4.4入口和传送管道中粒子浓度的不均一性116

6.5结论117

6.6符号列表118

6.7参考文献120

7滤膜采样和分析123

7.1引言123

7.1.1过滤技术的应用123

7.1.2气溶胶测量124

7.2过滤采集的原理124

7.3气溶胶测量所用滤膜126

7.3.1纤维滤膜127

7.3.2薄膜滤膜128

7.3.3毛细孔滤膜130

7.3.4其他滤膜130

7.4过滤原理131

7.4.1纤维滤膜原理132

7.4.2薄膜滤膜和毛细孔滤膜过滤效率137

7.4.3压降138

7.4.4负载作用138

7.5滤膜误差139

7.5.1湿度效应139

7.5.2非水蒸气吸收产生的误差141

7.5.3滤膜采集样品的挥发141

7.5.4粒子反弹142

7.6滤膜选择142

7.6.1称重分析143

7.6.2显微分析144

7.6.3微量化学分析144

7.6.4微生物分析145

7.7符号列表145

7.8参考文献146

8惯性、重力、离心和热收集技术149

8.1引言149

8.2惯性分离器150

8.2.1惯性分离器的原理153

8.2.2概述154

8.2.3测量对策165

8.2.4设计仪器时的注意事项165

8.2.5冲击式采样器应用实例167

8.2.6粒径分布数据分析169

8.3沉降装置和离心机170

8.4热力沉降172

8.5符号列表173

8.6参考文献173

9大气气溶胶的化学分析方法177

9.1引言177

9.2范围和目的178

9.3连续方法181

9.3.1阴阳离子分析方法181

9.3.2粒子中的碳183

9.3.3微量元素187

9.3.4粒子结合水187

9.4实验室方法188

9.4.1有机物质188

9.4.2微量元素分析192

9.5总结195

9.6符号和缩写列表195

9.7参考文献197

10单粒子的显微技术微量分析204

10.1引言204

10.2光学显微镜207

10.2.1基本原理207

10.2.2仪器介绍207

10.2.3性能和应用208

10.3用电子束分析粒子213

10.3.1电子束发射原理213

10.3.2性能214

10.3.3分析时需要考虑的事项218

10.3.4采用分析电子显微镜分析超细粒子218

10.3.5用于大粒子分析的电子探针和扫描电镜224

10.3.6蒙特卡洛分析230

10.3.7低电压分析法232

10.3.8应用扫描电镜对粒子进行自动化分析236

10.3.9用电子显微镜分析纤维240

10.4激光微探针质谱分析241

10.4.1基本原理241

10.4.2相关仪器242

10.4.3分析能力243

10.5次级离子质谱分析247

10.5.1基本原理247

10.5.2相关仪器248

10.5.3分析能力248

10.5.4在粒子分析中的应用248

10.6拉曼微探针250

10.6.1振动光谱的基本原理250

10.6.2相关仪器251

10.6.3分析能力251

10.6.4在粒子分析中的应用252

10.7红外显微镜法253

10.7.1基本原理253

10.7.2相关仪器253

10.7.3分析能力253

10.7.4在粒子分析中的应用254

10.8扫描探针显微镜法254

10.8.1操作原理254

10.8.2分析能力255

10.8.3应用256

10.9基于大型设备的仪器与技术258

10.9.1扫描透射X射线显微光谱/近边X射线吸收精细结构光谱258

10.9.2质子诱导X射线发射258

10.10对微量分析仪器性能的补充说明259

10.11致谢260

10.12符号列表260

10.13参考文献260

11质谱仪实时颗粒物分析268

11.1引言268

11.2入口设计269

11.2.1粒束形成269

11.2.2设计进口时要考虑粒子束传输270

11.2.3粒子检测274

11.3粒子分级274

11.4粒子蒸发和电离276

11.4.1连续电离方法276

11.4.2单步激光消融和电离276

11.4.3两步激光消融和电离277

11.5质量分析278

11.5.1四极杆质量分析仪278

11.5.2飞行时间质量分析仪278

11.5.3离子阱质量分析仪280

11.6质谱图分类方法280

11.6.1单颗粒质谱图的聚类算法280

11.6.2颗粒物团的质谱图分类281

11.6.3质谱仪数据和其他数据的结合281

11.7综合考虑-选择仪器282

11.7.1单颗粒物分析：所有颗粒物分级284

11.7.2单颗粒物分析：扫描颗粒物粒径测试285

11.7.3颗粒物团分析：AMS系列仪器286

11.7.4颗粒物团分析：有机分子分析287

11.8符号列表288

11.9参考文献289

12半连续质量测量292

12.1引言292

12.2β衰减监测仪293

12.2.1测量原理293

12.2.2仪器设计294

12.2.3理论因素294

12.2.4潜在偏差295

12.