氣溶膠（Aerosol）是指懸浮在大氣（或其他氣體）中的液體或固體微粒構(gòu)成的分散體系，這樣的系統(tǒng)稱為氣溶膠系統(tǒng)。氣溶膠由分散相和分散介質(zhì)兩部分組成，其中分散介質(zhì)是承載微粒物的氣體，通常指空氣，而微粒物則是多種多樣的。氣溶膠的來(lái)源包括陸地塵埃、人類活動(dòng)等多種因素，其常見的形態(tài)有煙、塵、霾、霧等，可以按不同方式進(jìn)行分類。氣溶膠能夠參與環(huán)境化學(xué)過(guò)程、導(dǎo)致能見度降低以及影響氣候等，具有一定的環(huán)境效應(yīng)和危害性。氣溶膠被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，例如消防領(lǐng)域的氣溶膠滅火器、醫(yī)藥領(lǐng)域的氣霧劑和粉霧劑等。
來(lái)源
化學(xué)組成
氣溶膠粒子的化學(xué)組成十分復(fù)雜，是由多種元素或化合物組成的，其來(lái)源、粒徑大小、地點(diǎn)和季節(jié)等因素都會(huì)影響其組成。來(lái)自地表土及污染源的粉塵通常富含F(xiàn)e、Al、Si、Na、Mg、Cl等元素；二次污染物的氣溶膠粒子則含有硫酸鹽、銨鹽和有機(jī)化合物等；地殼組成元素（如Si、Ca、Al、Fe等）主要存在于粗粒子模中；而硫酸鹽氣溶膠粒子多居于積聚模中。硫酸鹽是氣溶膠中最重要的成分之一，苯溶有機(jī)物、硝酸鹽、鐵、錳等少量金屬元素也很重要。大陸性氣溶膠與人類活動(dòng)密切相關(guān)的化學(xué)成分可以分為離子成分（如硫酸鹽、硝酸鹽）、微量元素成分和有機(jī)物成分等。
離子成分
硫酸及硫酸鹽氣溶膠粒子
在煤、石油等礦物燃料的燃燒過(guò)程中，大量的二氧化硫排放到大氣中，其中一部分SO2會(huì)被氧化成硫酸或硫酸鹽并混入氣溶膠粒子中，這導(dǎo)致土地和海洋的氣溶膠平均含有15%~25%和30%~60%的硫酸根。多數(shù)陸地性氣溶膠粒子有相似特征，其大部分硫酸根和氨根都集中在積聚模中，而粒徑分布沒(méi)有明顯差別。硫酸鹽氣溶膠粒子小，漂浮在大氣中并影響能見度，僅在0.1~1.0μm范圍內(nèi)的氣溶膠粒子能夠?qū)饩€產(chǎn)生有效的散射。當(dāng)硫酸鹽占顆粒物質(zhì)量的17%時(shí)，它引起的光散射占整個(gè)氣溶膠造成光散射作用的32%。此外，硫酸鹽也是損害人體健康、造成酸雨的關(guān)鍵成分。
硝酸及硝酸鹽氣溶膠粒子
大氣中的一氧化氮可以通過(guò)氧化作用形成二氧化氮和五氧化二氮等氮氧化物，與蒸汽反應(yīng)后形成亞硝酸和硝酸，由于它們的易揮發(fā)性，難以形成凝聚狀的硝酸。通常，這些物質(zhì)會(huì)經(jīng)過(guò)反應(yīng)形成低揮發(fā)性的硝酸鹽類，然后再發(fā)生成核和凝結(jié)生長(zhǎng)作用，最終形成顆粒物。此外，在空氣中，氮氧化物也可以被水滴吸收，隨后被水中的氧氣或臭氧氧化成硝酸根并促進(jìn)其溶解，從而增加顆粒物生成的速度。幾乎所有地區(qū)硫酸根都在細(xì)粒子中占優(yōu)勢(shì)，硫酸鹽氣溶膠和硝酸鹽氣溶膠的形成對(duì)氣溶膠的粒子分布也有影響。
微量元素成分
氣溶膠粒子中含有70余種元素，其中Cl、Br和I主要以氣體形式存在于大氣中，分別占總量的2%、3.5%和17.0%。其中，Cl主要分布在粗模態(tài)范圍，而Si、Fe、Al等地殼元素則通常以氧化物的形式存在于粗模態(tài)中。Zn、Cd、Ni等元素則主要存在于細(xì)粒子中。這些微量元素的來(lái)源是多樣化的，包括天然來(lái)源和人類活動(dòng)，它們都屬于一次氣溶膠粒子。不同類型的污染源會(huì)排放出不同的元素，氣溶膠粒子中的微量元素隨污染源的不同，其種類和含量也不一樣，在不同城市和地區(qū)以及同一地區(qū)不同時(shí)期的排放量也各有所不同，且各種微量元素在粗、細(xì)粒子中的分布也不一樣。
有機(jī)物成分
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。包括烴、亞硝胺、氮雜環(huán)化合物、環(huán)己酮、醌類化合物、酚和酸類等。其中，烷烴、烯烴、芳香烴和多環(huán)芳烴等是主要成分。這些有機(jī)物的粒徑一般在0~10μm之間，大部分是2μm以下的細(xì)顆粒，它們的濃度因地而異，從μg/m3到mg/m3不等。有機(jī)物的一次顆粒物主要來(lái)自于煤和石油的燃燒過(guò)程。部分碳?xì)湓诟邷叵掳l(fā)生分解，產(chǎn)生乙炔和1,3-丁二烯等物質(zhì)；同時(shí)，在400-500℃左右，多環(huán)芳烴化合物被生成，還會(huì)排出一些低級(jí)烴和醛類有機(jī)化合物。不完全燃燒時(shí)，有機(jī)物釋放至大氣中，通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化形成二次顆粒物的速度較慢，一般小于2%。
分類及形態(tài)
常用分類方式
顆粒物生成原因
分散性氣溶膠：固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)經(jīng)粉碎、噴射，形成微小粒子，分散在大氣中形成的氣溶膠。
凝聚性氣溶膠：由氣體或蒸汽（其中包括固態(tài)物升華而成的蒸汽）遇冷凝聚成液態(tài)或固態(tài)微粒而形成的氣溶膠。
顆粒物的物理狀態(tài)
固態(tài)氣溶膠（煙、塵等）：塵是懸浮于氣體介質(zhì)中的小固體顆粒，通常是由固體物質(zhì)的破碎、研磨等機(jī)械過(guò)程，或土壤、巖石的風(fēng)化等自然過(guò)程形成的；煙是某些物質(zhì)在高溫下蒸發(fā)或升華后進(jìn)入大氣中，再冷凝成固體微粒，如鉛煙、煤煙（炭粒）等。
液態(tài)氣溶膠（霧等）：霧是氣體中液滴懸浮體的總稱，它是由于液體蒸氣的凝結(jié)、液體的霧化及化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程形成的，如水霧、酸霧、堿霧、油霧等，霧有薄霧與濃霧之分，是液態(tài)氣溶膠。
固液混合氣溶膠（煙霧）：煙霧是固液混合態(tài)氣溶膠，當(dāng)煙和霧同時(shí)形成時(shí)，就構(gòu)成了煙霧，例如化學(xué)煙霧等。
氣溶膠粒徑大小
總懸浮顆粒物（TSP）：標(biāo)準(zhǔn)大容量顆粒采樣器在濾膜上收集到的顆粒物的總質(zhì)量，是分散在大氣中各種粒子的總稱，系指大氣中粒徑小于 100μm 的所有固體顆粒。
飄塵：可在大氣中長(zhǎng)期飄浮的懸浮物，其粒徑小于10μm的微粒。
降塵：粒徑大于10μmm，由于自身的重力作用會(huì)很快沉降下來(lái)的微粒。
可吸入顆粒物（IP）：易于通過(guò)呼吸過(guò)程而進(jìn)入呼吸道的粒子，粒徑小于 5μm ，多滯留在急性上呼吸道感染，因此稱為可吸入顆粒物（IP、PM10、PM2.5）。
其他分類方式
按形成過(guò)程的差異分為粉塵、煙氣、煙和輕霧等；按對(duì)能見度的影響以及顏色差異分為輕霧、濃霧、霾和煙霧等。
常見形態(tài)及形成特征
物理性質(zhì)
粒徑和分散度
氣溶膠的粒徑不一，大顆粒容易沉降，難以持續(xù)懸浮在空氣中，沉降相當(dāng)快，只能在強(qiáng)氣流中保持懸浮狀態(tài)。由于在不同粒徑大小下氣溶膠的物理特性有很大不同，為了分類需要按照顆粒大小進(jìn)行劃分。但實(shí)際上，氣溶膠不是單一顆粒，而是由各種大小的顆粒混合而成。為了表示顆粒大小的比例，可以使用分散度這一概念，它表示顆粒占總物質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，差異越大，分散度越高。氣溶膠顆粒大小通常在0.01~10μm之間，但因?yàn)閬?lái)源和形成原因范圍很大，例如：花粉等植物氣溶膠的粒徑在5~100μm之間、木材及煙草燃燒產(chǎn)生的氣溶膠，其粒徑通常為0.01~1000μm。
光學(xué)特性
氣溶膠的光學(xué)特性主要表現(xiàn)為氣溶膠粒子對(duì)光的散射和吸收作用。氣溶膠粒子對(duì)光的散射和吸收的有效范圍為0.1~1.0μm，屬于細(xì)粒子范圍。在膠體物系中主要發(fā)生的是丁達(dá)爾效應(yīng)。當(dāng)強(qiáng)烈的太陽(yáng)光線進(jìn)入一個(gè)黑暗房間時(shí)，可以看到許多塵土微粒在空氣中運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上所看到的只是光散射的結(jié)果而已，而非真正的塵埃顆粒。氣溶膠微粒發(fā)生光的散射，這也是使天空成為藍(lán)色，太陽(yáng)落山時(shí)成為紅色的原因。
運(yùn)動(dòng)特性
在膠體物系中，分散介質(zhì)的分子從各個(gè)方向碰撞分散相顆粒，以及分散相顆粒本身的熱運(yùn)動(dòng)，使氣溶膠中的分散相顆粒作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這就是布朗運(yùn)動(dòng)，是分散介質(zhì)分子對(duì)膠體顆粒碰撞的總和表現(xiàn)。這其中，大的膠體顆粒受到數(shù)百萬(wàn)次撞擊，這些撞擊互相抵消，而小的膠粒質(zhì)點(diǎn)所受的撞擊少得多，因此很難互相抵銷，導(dǎo)致各個(gè)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生不斷改變方向的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。氣溶膠的布朗運(yùn)動(dòng)非常劇烈，氣溶膠體積雖小，但仍然有一定質(zhì)量，也會(huì)發(fā)生沉降和擴(kuò)散現(xiàn)象，根據(jù)Stoke定律，沉降速度與粒子質(zhì)量成正比。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。沉降是由重力引起的，而擴(kuò)散則是由膠粒質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)或布朗運(yùn)動(dòng)引起的，且與沉降方向相反，擴(kuò)散就成為了阻礙沉降的因素，質(zhì)點(diǎn)愈小，這種影響愈顯著。沉降速度與擴(kuò)散速度相等時(shí)，物系就達(dá)到平衡狀態(tài)，即沉降平衡。
電學(xué)特性
通常大氣氣溶膠粒子表面有一定的電荷，所帶電荷的性質(zhì)和數(shù)目，取決于粒徑的大小、表面狀態(tài)和介電常數(shù)等。一般來(lái)說(shuō)，粒徑大于3μm的粒子表面常帶負(fù)電荷，小于0.1μm的粒子表面常帶正電，0.01~0.1μm的上述兩種情都在。氣溶膠粒子所帶電荷的數(shù)目，可影響其凝聚速率、沉降速度和大氣的導(dǎo)電性等。液態(tài)膠體質(zhì)點(diǎn)在外界電場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生電泳現(xiàn)象；而分散的介質(zhì)在外界電場(chǎng)的影響下通過(guò)多孔固體的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象則稱為電滲。膠體顆粒由于比表面積大，并吸附了分散介質(zhì)中的離子，所以具有各種電學(xué)特性。氣溶膠顆粒往往自帶電荷或者因外部電化作用或顆粒間摩擦作用而帶電。不過(guò)，由于氣溶膠的介質(zhì)為氣體，與液溶膠相比，其電泳和凝集條件又有所不同，所以無(wú)法像對(duì)液溶膠一樣使用加入電解質(zhì)的方式來(lái)促進(jìn)其凝聚。
環(huán)境效應(yīng)及危害
參與環(huán)境化學(xué)過(guò)程
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，并且能夠?yàn)榇髿庵谢瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程提供巨大的表面，促進(jìn)大氣化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致了許多環(huán)境問(wèn)題的產(chǎn)生，例如由于硫酸鹽氣溶膠造成的酸雨危害，光化學(xué)煙霧中生成的硫酸鹽、硝酸鹽氣溶膠等。同時(shí)，氣溶膠粒子在大氣中存在遠(yuǎn)距離傳輸現(xiàn)象，甚至可以洲際輸送，橫跨太平洋、大西洋，對(duì)區(qū)域氣候異常及全球氣候環(huán)境變化有著極其重要的影響。
導(dǎo)致能見度降低
氣溶膠能夠散射和吸收太陽(yáng)輻射，由此導(dǎo)致大氣能見度下降，尤其是細(xì)粒子對(duì)能見度惡化的影響最為顯著。由于經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快，大氣氣溶膠污染成為日益嚴(yán)重的問(wèn)題。能見度效應(yīng)發(fā)生在局地和區(qū)域性兩個(gè)空間尺度，局地的煙霧污染可降低能見度，而廣域污染會(huì)引起數(shù)十甚至數(shù)千千米的區(qū)域性霾。
對(duì)氣候產(chǎn)生影響
氣溶膠從兩方面影響氣候，氣溶膠中的粒子可以通過(guò)散射和吸收輻射太陽(yáng)能量，并將一部分的能量反射回空間，導(dǎo)致地面和大氣層溫度降低，從而直接影響地球溫度。同時(shí)也可以通過(guò)在云形成過(guò)程中作用于水汽，使得云中液滴數(shù)量增多，從而增加云的反射率，由此來(lái)影響地球表面的溫度。綜上所述，氣溶膠粒子的積聚會(huì)導(dǎo)致變冷效應(yīng)，使全球溫度降低，從而影響全球氣候。
危害人體健康
漂浮在空氣中的氣溶膠粒子對(duì)人體健康的危害與其粒子的大小和化學(xué)組成有關(guān)。其中，降塵對(duì)人體危害較小，在呼吸作用中降塵會(huì)被有效地阻留在上呼吸道上。而飄塵中的一部分可沉積在肺泡上，沉積率隨微粒直徑減少而增加，大量飄塵在肺泡上沉積下來(lái)會(huì)引起慢性纖維化等病變。
應(yīng)用領(lǐng)域
消防領(lǐng)域
氣溶膠滅火劑是固體氣溶膠發(fā)生劑燃燒的產(chǎn)物，主要由氣體和分散固體組成。氣溶膠的滅火機(jī)理包含了物理吸熱和化學(xué)阻斷的雙重作用，當(dāng)氣溶膠微粒遇到高溫時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的吸熱分解反應(yīng)，迅速降低火焰溫度；氣溶膠煙霧能吸收火焰的熱輻射，從而阻止火焰與燃燒物之間的熱回饋，使燃燒過(guò)程受到抑制；氣溶膠微粒以及熱分解產(chǎn)生的離子可以中和活性自由基，阻斷燃燒過(guò)程中的能量傳遞作用，抑制了燃燒反應(yīng)。氣溶膠滅火系統(tǒng)適用于計(jì)算機(jī)房、通信機(jī)房、配電柜等多個(gè)場(chǎng)所和各種類型的火災(zāi)，包括電氣火災(zāi)、可燃液體火災(zāi)和固體表面火災(zāi)等。
醫(yī)藥領(lǐng)域
在醫(yī)藥領(lǐng)域中氣溶膠有多種用途，例如氣霧劑和粉霧劑，都是重要的藥物制劑專業(yè)類型。氣霧劑的組成包括藥物、附加劑、拋射劑和耐壓容器，其中拋射劑（氯烷烴）具有很大的蒸汽壓，可以維持容器內(nèi)的高壓。當(dāng)打開容器的閥門時(shí)，藥物溶液會(huì)被噴射出來(lái)，形成細(xì)小的霧滴，以便機(jī)體快速吸收。氣霧劑可用于吸入和外用，如果噴射的是固體粉末，則被稱為粉霧劑。
其他領(lǐng)域
氣溶膠在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防上也有廣泛的應(yīng)用，它可以加快燃料的燃燒速度，充分利用燃料；噴霧干燥法用于合成洗潔精生產(chǎn)；用噴灑方法施農(nóng)藥可以降低農(nóng)藥消耗量，并提高藥效，特別是在病蟲害的預(yù)防和殺滅中，常采用噴霧方式進(jìn)行；利用氣溶膠進(jìn)行人工降水；氣溶膠粒子對(duì)激光傳輸能量的損耗非常嚴(yán)重，導(dǎo)致許多問(wèn)題，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(lái)制造信號(hào)彈和遮蔽煙幕。
表征量及監(jiān)測(cè)
表征量
氣溶膠可以通過(guò)多種表征量進(jìn)行描述，其中一些常見的表征量有濃度、粒度分布等。氣溶膠濃度是指單位空氣體積中氣溶膠的某一物理量值的大小，而氣溶膠所包含的物理量因類型不同而差異很大，有粒子數(shù)濃度（1/m3）、質(zhì)量濃度（Kg/m3）、活度濃度（Bq/m3）等。氣溶膠的粒度分布是指氣溶膠的某一物理量相對(duì)于粒子大小的分布關(guān)系，例如研究氣溶膠的粒數(shù)-粒度分布、質(zhì)量粒度分布以及活度-粒度分布等。
監(jiān)測(cè)設(shè)備
氣溶膠觀測(cè)設(shè)備可以對(duì)氣溶膠的各種特性進(jìn)行采樣分析和在線觀測(cè)，包括質(zhì)量濃度、吸收特性、散射特性、光學(xué)厚度以及可溶性化學(xué)成分等。常見的采樣和觀測(cè)儀器有大氣氣溶膠采樣器、氣溶膠質(zhì)量濃度自動(dòng)測(cè)量?jī)x器、氣溶膠粒子譜儀、云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器、積分濁度儀、氣溶膠吸收系數(shù)測(cè)量?jī)x、氣溶膠光學(xué)厚度測(cè)量?jī)x和氣溶膠激光雷達(dá)等。
其中，氣溶膠質(zhì)量濃度自動(dòng)測(cè)量?jī)x器是最常用的儀器之一，基于振蕩微天平法、光學(xué)方法、貝塔射線法等原理開發(fā)而成，并結(jié)合粒徑切割裝置，可以實(shí)現(xiàn)大氣中PM10，PM2.5等氣溶膠質(zhì)量濃度的測(cè)量。而氣溶膠粒子譜儀用來(lái)測(cè)量氣溶膠分粒徑的數(shù)濃度，或氣溶膠的粒徑譜分布（粒度譜）。根據(jù)不同的氣溶膠粒徑大小，還可以選擇不同的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如使用空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)或光學(xué)測(cè)量技術(shù)測(cè)量較大粒徑氣溶膠粒子，使用電遷移的技術(shù)則可以測(cè)量較小粒徑的粒子，比如掃描電遷移氣溶膠粒子譜儀。
消除
粒子壽命
氣溶膠在大氣中的運(yùn)動(dòng)和清除過(guò)程是由多種因素決定的。大氣中氣溶膠的粒子大小、化學(xué)組成以及所處高度和周圍天氣狀況等都會(huì)影響它們的壽命。氣溶膠粒子的壽命可以用其在大氣中的輸入通量與輸出通量之比來(lái)定義，但這種定義只適用于輸入通量與輸出通量基本相等的情況。吸濕性粒子容易成為凝結(jié)核，被云霧降水清除的可能性較大，粒子壽命相對(duì)較短。干粒子壽命相對(duì)較長(zhǎng)。超細(xì)粒子很快通過(guò)布朗碰撞轉(zhuǎn)變成大粒子，粗粒子的壽命還與物質(zhì)密度有關(guān)。粒子的壽命隨粒子直徑增大而迅速下降，直徑在1μm左右的粒子壽命最長(zhǎng)。氣溶膠粒子的所處位置越高，壽命也就越長(zhǎng)，在對(duì)流層下部，直徑為0.1~10μm 的穩(wěn)定氣溶膠粒子的壽命約為1周，在對(duì)流層上部，其壽命約為1個(gè)月，在平流層中，這部分粒子的壽命可達(dá)數(shù)年。
去除方式
氣溶膠在空氣中的去除方式包括沉降、碰撞、雨洗和沖刷等四種。可以將這些方式歸納為兩類：重力作用下的干沉降和與外部環(huán)境相互作用下的濕沉降。沉降是指空氣中的固體顆粒由于重力的作用沉降到地面的運(yùn)動(dòng)；碰撞是指通過(guò)固體顆粒之間的表面碰撞和粘著導(dǎo)致的固體顆粒在空氣中的移動(dòng)；雨洗是指那些成為云凝結(jié)核的固體顆粒以降水的形式從空氣中除去的過(guò)程；沖刷是指空氣中的顆粒與雨滴和雪花撞擊后被從空氣中帶走的過(guò)程。
參考資料 >