[科普中国]-可吸入颗粒物

简介

总悬浮颗粒物是指漂浮在空气中的固态和液态颗粒物的总称，3其粒径范围约为0.1-100 微米。有些颗粒物因粒径大或颜色黑可以为肉眼所见，比如烟尘。有些则小到使用电子显微镜才可观察到。通常把粒径在10微米以下的颗粒物称为可吸入颗粒物，又称PM10。

可吸入颗粒物可以被人体吸入，沉积在呼吸道、肺泡等部位从而引发疾病。颗粒物的直径越小，进入呼吸道的部位越深。10微米直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，5微米直径的可进入呼吸道的深部，2微米以下的可100%深入到细支气管和肺泡。

可吸入颗粒物是在环境空气中长期飘浮的悬浮微粒，对大气能见度影响很大。一些颗粒物来自污染源的直接排放，比如烟囱与车辆。另一些则是由环境空气中硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物互相作用形成的细小颗粒物，它们的化学和物理组成依地点、气候、一年中的季节不同而变化很大。可吸入颗粒物通常来自在未铺沥青、水泥的路面上行使的机动车、材料的破碎碾磨处理过程以及被风扬起的尘土。≤2.5微米的细粒子，例如Pb、Mn、Cd、Sb、Sr、As、Ni、硫酸盐、多环芳烃等含量较高，4在空气中持留时间长，易将污染物带到很远的地方使污染范围扩大。对环境的有害影响还有散射阳光、降低大气的能见度等。可吸入尘同时在大气中还可为化学反应提供反应床，是气溶胶化学中研究的重点对象，已被定为空气质量监测的一个重要指标。

分类对颗粒物尚无统一的分类方法，按尘在重力作用下的沉降特性可分为飘尘和降尘。习惯上分为：

尘粒：较粗的颗粒，粒径大于75微米。

粉尘：粒径为1～75微米的颗粒，一般是由工业生产上的破碎和运转作业所产生。

亚微粉尘：粒径小于1微米的粉尘。

炱：燃烧、升华、冷凝等过程形成的固体颗粒，粒径一般小于1微米。

雾尘：工业生产中的过饱和蒸汽凝结和凝聚、化学反应和液体喷雾所形成的液滴。粒径一般小于 10微米。由过饱和蒸汽凝结和凝聚而成的液雾也称霾。

烟：由固体微粒和液滴所组成的非均匀系，包括雾尘和炱，粒径为0.01～1微米。

化学烟雾：分为硫酸烟雾和光化学烟雾两种。硫酸烟雾是二氧化硫或其他硫化物、未燃烧的煤尘和高浓度的雾尘混合后起化学作用所产生，也称伦敦型烟雾。光化学烟雾是汽车废气中的碳氢化合物和氮氧化物通过光化学反应所形成，光化学烟雾也称洛杉矶型烟雾。

煤烟：煤不完全燃烧产生的炭粒或燃烧过程中产生的飞灰，粒径为0.01～1微米。

煤尘：烟道气所带出的未燃烧煤粒。

粉尘由于粒径不同，在重力作用下，沉降特性也不同，如粒径小于10微米的颗粒可以长期飘浮在空中，称为飘尘，其中10～0.25微米的又称为云尘，小于0.1微米的称为浮尘。而粒径大于10微米的颗粒，则能较快地沉降，因此称为降尘。

形成途径对燃烧直接产生的一次颗粒物可以分为细颗粒物和粗颗粒物，粗颗粒物通常由各种碎裂过程直接产生的直径大于6µm的粒子，而颗粒物主要通过汽化-凝结机理形成的。在燃烧过程中煤中的非主量元素会从焦炭颗粒内汽化，汽化的元素在炉膛内发生一系列化学动力学过程，形态也随之发生变化，随着温度的降低，一部分气相组分会发生均相成核，同时另一部分凝结到周围已存在的颗粒上，颗粒之间的碰撞引起凝聚生长成更大的颗粒，而处于粗颗粒模式的主要是矿物质，可以通过机械过程脱除，但是细颗粒物(如PM10和PM2.5)很容易穿过除尘设备，对带有高效的静电除尘器(ESP)或布袋除尘器可达到99.9%的除尘效率，排放的颗粒大部分可达到PM10，尽管大多数颗粒在更小的尺寸范围内，而湿式烟气脱硫装置(FGD)可以捕获更多的颗粒物(90%)颗粒物的排放可达到PM3.5，大部分是PM1对大多数的电站ESP排出的细颗粒物为PM3.5左右，而FGD只是PM1左右，所以燃煤电站与工业锅炉排放烟气中飞灰的中直径主要在1-10µm间，对废弃物焚烧也是如此。因此对燃烧过程来说，采用PM10和PM2.5来研究细微颗粒物的分布危害性要比过去的总悬浮颗粒物(TSP)更精确和有意义。5

可吸入颗粒物的形成主要有两个途径：其一，各种工业过程（燃煤、冶金、化工、内燃机等）直接排放的超细颗粒物；其二，大气中二次形成的超细颗粒物与气溶胶等。其中，第一种途径是可吸入颗粒物的主要形成源，也是可吸入颗粒物污染控制的重要对象。6

以煤炭利用领域为例。

中国一次能源以煤炭为主，大量煤炭燃烧已对生态环境造成严重危害，并影响到资源与环境的可持续发展。除控制SO2和NOx的排放外，悬浮颗粒物的排放亦不容忽视。据统计，在全国粉煤灰的排放量已达1.5亿吨，虽然现有除尘装置的除尘效率可高达99%以上，但静电除尘器对超细飞灰的捕获率较低，约有1%的飞灰进入大气，构成大气气溶胶的主要部分。这部分飞灰以粒径小于2.5微米甚至亚微米级超细颗粒为主，其数量可达到飞灰总数的90%以上，且表面往往富集煤中微量重金属元素及有机污染物，危害甚大。另外，超细飞灰的形成也导致锅炉内炉壁的结渣与沾污程度的增加，影响锅炉的安全经济运行。因此，研究燃煤过程中超细飞灰的形成机制，降低其形成与排放量，意义重大。七十年代以来，鉴于世界各国燃煤吨位的剧增，煤炭燃烧过程中无机组分的转化行为其对锅炉设备和环境的影响受到普遍关注，有关燃煤飞灰的物理化学特性、形成机制及其利用途径，国内外已进行不同程度的研究，但对于超细飞灰的形成机制，尚无定论。M. Shibaoka & A. R. Ramsden利用特殊取样装置观察到煤粉燃烧过程中无机组分的形态变化，认为高灰分及高惰性组含量的煤，容易形成大量细粒飞灰。Quann R.J. and Sarofim A. J.利用电子显微镜研究了褐煤燃烧过程中灰粒的形成过程与数量。Erickson T. A. etc研究了在有Na、S和Si存在的煤粉火焰中飞灰的演变过程。H.M ten Brink揭示出煤粉燃烧过程中，超细硅烟雾的形成。

美国麻省理工学院的研究结果表明，该类飞灰形成的数量主要与煤中矿物分布赋存特征有关，而与煤级关系不大。一般认为，亚微米级颗粒主要由挥发的元素均相凝聚而成，主要为碱金属或碱土金属的盐类（K2SO4、Na2SO4、CaSO4）。日本学者利用低变质烟煤与褐煤进行研究表明，亚微米级颗粒主要来自于与有机质结合的钙离子，燃烧过程中未能充分聚结。可见，不同学者由于采用煤种与试验条件的差异，得出的结论并非一致。

中国也有少数学者涉足该领域的研究，王伯春（1997）等的研究发现，细粒飞灰形成的数量随着煤中Fe、K、Na等元素的蒸发量的增加而增加。中国动力用煤煤种齐全，今后针对不同煤种的煤质特性及不同锅炉类型，研究超细飞灰的形成机制是十分必要的。7

特性大气颗粒物的化学成分因其来源不同而在种类和数量上变化很大。由于可吸入颗粒物主要来自于人为源(如石化燃料的燃烧、机动车尾气、工业粉尘、废弃物焚烧等),多为燃烧产物而含有大量对人体有害的成分;且颗粒物的粒径越小,其化学成分越复杂、毒性越大,这是因为小颗粒物的巨大表面积使其能吸附更多的有害物质,并能使毒性物质有更高的反应和溶解速度。

可吸入颗粒物中常见的化学成分有无机离子、微量元素、颗粒元素碳(PEC,有时也称为碳黑)和有机化合物,有时可吸入颗粒物上还吸附有病原微生物(病毒和细菌)。可吸入颗粒物能长期漂浮于空气中,因此又称为飘尘。可吸入颗粒物在空气中受重力、浮力和拖曳力的作用,其在空气中的停留时间和转移则主要取决于颗粒物的粒径大小。可吸入颗粒物主要经呼吸道进入人体,也有一小部分可通过消化道或皮肤进入人体。可吸入颗粒物沉积在人体呼吸道后,它们的清除、滞留和转移与其粒径、沉积地点有关。一般来说,粒径越小、沉积地点越远,所需的清除时间就越长,就越易滞留在人体内,越易使毒性物质转移到身体的其他部位。8

对人体健康的危害主要有毒物质(1)有机化合物。PM10中的有机物有几百种,包括多种多环芳烃(PAHs)及其衍生物和含氧杂环化合物等。(2)金属元素及其化合物和放射性物质。它们可引起各种金属中毒和放射性污染。(3)硫酸盐与SO2 。它们能够削弱肺功能,并会出现咳嗽和眼刺激症状,浓度过高时会引起急性气管炎、肺水肿和呼吸困难。(4)硝酸盐和NO x 。它们能刺激呼吸道导致粘膜水肿,分泌物过多,削弱吞噬细胞功能。它们进入血液循环系统,以硝酸或硝酸盐的形式引起其它器官如心脏、肝脏和胃受损。(5)硅酸盐和SiO2。它们能使肺纤维化,引起肺矽病。(6)生物气溶胶。各种病原微生物（细菌、病毒和真菌）是鼻黏膜充血、鼻甲肿大、咽充血、过敏性鼻炎及肺功能障碍的主要危险因素。植物花粉和孢子会引起一些人过敏反应，症状包括喷嚏流泪、鼻塞、眼鼻搔痒、哮喘和皮炎等，甚至会发展成为肺气肿、肺心病等。

流行病学研究PM10的流行病学研究旨在通过综合分析和统计学分析揭示疾病或不适以及人体生理功能的变化与PM10的关系,从而初步地在宏观上了解PM10对人体健康的危害性,是进行PM10的人体健康效应评价研究工作的第一步。国外已经进行了大量的有关PM10的流行病学研究工作,如研究PM10浓度的增加与死亡率、住院人数、急诊人数、呼吸道疾病症状和肺功能水平下降的关系。数据资料显示PM10浓度的增加与一系列人体健康负效应关系密切,而与的PM10来源和化学结构无关,并且可能没有一个关于PM10安全浓度的限值。

美国在犹他谷进行了详细的PM10流行病学研究。当日均PM10质量浓度每增加50g/m3,死亡率平均增加4%~5%。在PM10质量浓度超过100g/m3时,死亡率比PM10质量浓度小于50g/m3时平均高出11%。由于PM10在烟雾污染时可以连续几天呈现高值，而且具有累积效应因此考虑了其5d滑动平均值。5d后滑动平均PM10质量浓度每增加50g/m3,死亡率平均增加6%~8%。烟雾污染期间,当5d后滑动平均PM10质量浓度超过100g/m3,死亡率平均比PM10质量浓度小于50g/m3时高出19%。这些关系与其他污染物无关,是在冬、夏季节PM10高的地区观测的。8

毒理学研究在实验室里控制一定的条件(如PM10的暴露水平),通过研究实验动物吸入PM10的危害可以进行PM10的毒理学研究。通过对实验动物的尸体解剖能够系统地观察PM10的各种暴露水平所引起的生理病理变化,从而认识PM10与人体健康负效应间的因果关系。目前对PM10的动物毒理学研究结果一般支持流行病学研究的结论,为流行病学的观察结果提供了依据。DreherK等研究不同粒径(