正版 气溶胶测量:原理、技术及应用:principles, techniques, and

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

12.2.5结果与应用296

12.3锥形元件微量振荡天平测量法297

12.3.1测量原理297

12.3.2锥形元件微量振荡天平的类型298

12.3.3潜在偏倚299

12.3.4结果和应用300

12.4气溶胶颗粒物质量分析仪301

12.4.1测量原理301

12.4.2应用303

12.5石英晶体微量天平303

12.6Dekati 质量监测仪304

12.7连续环境空气质量监测仪305

12.8符号列表306

12.9参考文献306

13光学测量技术：基本理论及应用309

13.1引言309

13.2光散射和消光理论309

13.2.1截面310

13.2.2小颗粒：瑞利散射313

13.2.3“软”颗粒：Rayleigh-Debye-Gans散射315

13.2.4任意尺寸球体与折射率：米散射理论317

13.2.5Rayleigh-Debye-Gans分形聚集散射320

13.2.6多重散射322

13.2.7粒子的整体散射322

13.2.8非球形颗粒323

13.3动态光散射323

13.3.1DLS实验323

13.3.2流动系统325

13.4实验室试验方法325

13.5光学测量技术：非原位遥感326

13.5.1引言326

13.5.2单粒子光学计数器327

13.5.3多重粒子光学技术337

13.6光学测量技术：原位传感340

13.6.1引言340

13.6.2概述341

13.6.3基于光强的单粒子计数器344

13.6.4单粒子计数器：成像351

13.7结论352

13.8符号列表352

13.9参考文献354

14空气动力学粒径测量实时技术359

14.1引言359

14.2电学-单粒子空气动力学弛豫时间分析器360

14.2.1操作原理360

14.2.2同时采用声场和电场驱动的E-SPART分析器366

14.2.3电学-单粒子空气动力学弛豫时间分析器369

14.2.4在不同的气象状况下测量：应用于火星和纳米粒子的测量372

14.3空气动力学粒径谱仪372

14.3.1测量原则372

14.3.2典型的空气动力学粒径谱仪类型373

14.3.3颗粒物大小378

14.3.4应用381

14.3.5空气动力学粒径谱仪性能简介381

14.4气溶胶粒径分级器382

14.4.1测定原理382

14.4.2用球形粒子校准383

14.4.3非球形粒子和液滴的仪器响应384

14.4.4气溶胶粒径分级器与APS 的对比385

14.5符号列表386

14.6参考文献387

15电迁移率方法表征亚微米颗粒390

15.1引言390

15.2带电粒子的运动规律391

15.2.1迁移和扩散的关系392

15.3粒子采样392

15.3.1静电除尘392

15.4粒径分布测量393

15.4.1差分电迁移率分析仪394

15.4.2差分电迁移率粒径谱仪400

15.4.3扫描电迁移率粒径谱仪401

15.5气溶胶的带电条件402

15.5.1平衡电荷分布402

15.5.2扩散带电：电荷转移动力学403

15.5.3场带电405

15.5.4离子的产生406

15.5.5光电子发射带电407

15.5.6纳米粒子带电408

15.6数据分析和反演408

15.6.1扫描和快速电迁移率分析中的瞬时效应409

15.6.2增电压扫描和减电压扫描的区别411

15.6.3飞行时间迁移率分析仪411

15.7交替迁移率分析仪设计411

15.7.1并行粒径分析411

15.7.2新型迁移率分析仪设计412

15.8符号列表413

15.9参考文献416

16扩散分离采样技术及设备419

16.1引言419

16.2扩散测量技术理论419

16.2.1管道类型420

16.2.2网筛类型422

16.3扩散溶蚀器422

16.3.1扩散溶蚀器的描述423

16.3.2涂层材料425

16.3.3取样阵列426

16.4扩散组采样器种类427

16.4.1扩散组采样器的描述427

16.4.2颗粒探测431

16.4.3数据分析431

16.5结论433

16.6符号列表433

16.7参考文献434

17凝结核粒子计数器437

17.1引言437

17.2凝结理论437

17.2.1过(度)饱和437

17.2.2液滴的生长439

17.2.3液滴的检测439

17.3凝结核粒子计数器440

17.3.1凝结核粒子计数器介绍440

17.4CPC性能446

17.4.1校准和评估446

17.4.2CPC的缺陷和发展前景446

17.5符号列表448

17.6参考文献448

18基于电学的气溶胶检测仪器450

18.1引言450

18.2单极扩散荷电451

18.2.1每个粒子的平均电荷451

18.2.2影响荷电的其他因素451

18.2.3混合电场和扩散荷电453

18.2.4荷电设计考虑因素453

18.2.5实验荷电结果453

18.2.6电晕荷电的潜在偏差455

18.3法拉第笼静电计检测455

18.4基于荷电的扩散感应器456

18.4.1TSI 电气溶胶检测仪、纳米粒子表面监测仪及便携式激光粒子计数器457

18.4.2扩散粒径分级器和纳米气溶胶监测仪458

18.5电检测迁移率光谱仪460

18.5.1电感应迁移率光谱仪的商业化和发展460

18.5.2电感应迁移率光谱仪的理论463

18.5.3电感应迁移率光谱仪的检出限和动力学范围464

18.5.4电感应迁移率光谱仪中迁移率分布的反演465

18.5.5电感应迁移率光谱仪的应用467

18.6电低压冲击式采样器467

18.6.1测量原理467

18.6.2仪器设计467

18.6.3理论考虑因素和校准468

18.6.4数据反演469

18.6.5潜在偏差470

18.6.6应用470

18.7符号列表471

18.8参考文献473

19粒子的电动悬浮476

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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的编辑技术和Nick Barber的协调。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

气溶胶科学是环境科学、大气物理、大气化学、气象学、工业卫生等许多专业必不可少的基础课程。气溶胶测量是气溶胶研究的重要手段。 随着对城市燃煤、扬尘等的治理，气溶胶中粗粒子的污染得到控制，细粒子污染凸显，如区域性灰霾，细粒子的成分和来源更加复杂，因此，气溶胶需要长期深入研究，对监测技术也提出了更高的要求。随着国家环境空气质量标准的修订稿的征求意见，将增加PM2.5新指标，并加严PM10的限值。社会各界对颗粒物的关注空前增加。“十二五”期间，国家更加关注气溶胶的区域性污染，各大区域和城市都在加强气溶胶监测能力的建设，对监测仪器和相关理论知识有很大需求，但国内缺少系统全面介绍气溶胶测量新技术应用的著作。现有资料已经不能满足气溶胶研究、监测人员对气溶胶测量发展的了解需求。该专著的出版可以弥补国内学术专著和参考资料的不足，便于读者深入了解国际上气溶胶领域的研究情况以及成果，满足环境、卫生、气象等领域研究气溶胶的需求，解答研究中遇到的问题和疑惑。对培养一批能从事现代气溶胶监测、研究的业务人员和相关专业研究生有现实意义。 Aerosol Measurement（气溶胶测量）是国际上的知名著作。主要包括气溶胶测量的基础知识、相关技术和应用，从理论到实际应用，囊括了气溶胶测量的方方面面，是一本汇集从上世纪60年代到近年来众多专家潜心研究成果，浓缩了气溶胶研究领域之精华的学术著作。 新版Aerosol Measurement （第三版），2011年由JOHN WILEY&SONS有限公司出版，第三版气溶胶测量在第二版的基础上进行了深度拓展，与第二版相比，它总结增加了气溶胶在热点前沿研究领域的成果和技术应用，如气溶胶测量技术在公众健康、气候变化、纳米技术、药学研究、核废物处置方面的应用，内容更加丰富，领域更加广阔，使相关领域从业人员能更系统全面地了解近几年气溶胶测量的新发展。 在第三版的翻译中，我们还将根据自身研究经历和成果，增加中国环境科学研究院大气化学和气溶胶科技创新基地和国家环境保护城市颗粒物污染控制重点实验室在气溶胶测量仪器开发、技术应用和理论研究方面的部分成果，将气溶胶测量在国内的应用和研究与国际上气溶胶的发展结合起来，为读者提供更开阔的视野。 第三版是第二版的更新和升华，与第二版相比，它增加了气溶胶测量的新成果和技术应用，如气溶胶测量技术在公众健康、气候变化、纳米技术、药学研究、核废物处置方面的应用，内容更加丰富，满足相关领域从业人员参考学习的需求。