[科普中国]-烟尘

简介

烟尘是燃煤和工业生产过程中排放出来的固体颗粒物。它的主要成份是二氧化硅﹑氧化铝﹑氧化铁﹑氧化钙和未经燃烧的炭微粒等。大气污染物种类繁多，按形态概括起来可分为两类，即颗粒状污染物和有害气体，烟尘属于颗粒状污染物。2

根据我国的习惯，一般将冶金过程或化学过程形成的固体粒子气溶胶称为烟尘；燃烧过程产生的飞灰和黑烟，在不必细分时，也成为烟尘。在其他情况或泛指固体粒子气溶胶时，通称为粉尘。2

分类按粒径大小分烟尘属于颗粒状污染物，按粒径大小又可分为降尘和飘尘。1降尘的粒径大于10微米，靠其自重能自然降落。单位面积的降尘量可作为评价大气污染程度的指标;飘尘的粒径小于10微米，粒小体轻，能长期在大气中飘浮。飘浮的范围从几公里到几十公里。因此它会在大气中不断蓄积，使污染程度逐渐加重。飘尘成分复杂，包括无机物和有机物。无机物有石棉、二氧化硅、金属物质（汞、铅、铬、镉、锰、铁等）及其化合物。有机物有多种烃类，特别是多环芳烃等碳氢化合物。飘尘有吸湿性，在大气中易吸收水分，形成表面具有很强吸附性的凝聚核，能吸附有害气体和经高温冶炼排出的各种金属粉尘以及致癌性很强的苯并 (a)芘等。有些飘尘颗粒表面还具有催化作用，如钢铁厂排出的三氧化二铁能催化其表面的二氧化硫成为三氧化硫，吸水成为硫酸。飘尘表面的这种作用，往往增大其毒性。因此环境监测和卫生部门把它作为评价大气污染对健康影响的重要指标。3

按形态特征分常见的烟尘有黑烟﹑红烟﹑黄烟和灰烟。不同颜色的烟尘，其组成和来源各不相同。

黑烟含有大量焦油﹑碳黑，主要来源于燃煤﹑燃油业。红烟含有大量氧化铁，主要来源于钢铁厂。黄烟含有大量氮氧化物，主要来源于化工厂。灰烟主要来源于水泥厂和石灰厂。

来源钢铁、有色金属冶炼、火力发电、水泥和石油化工企业的生产过程，车辆和飞机的排气，以及垃圾燃烧、采暖锅炉和家庭炉灶排出的烟气等，都是烟尘污染的主要来源，其中以燃料燃烧排出的数量最大，主要成分是未燃烧的碳粒（C），还含有少量SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等。3

清洁的大气含飘尘10～20微克/米3。目前一般居民区大气飘尘的浓度已达40～400微克/米3，为50～100年前的2～3倍。繁华街道上空可高达2～4毫克/米3，工业区为3～5毫克/米3。

检测方法烟尘污染大气，对人们身体健康有很大的危害，会引起心脏病患者死亡率的增加。另一方面，随着低碳环保行动的深入，降低生活环境中C的含量成为环境保护的重中之重。因此，对排放源烟尘浓度的测量就成为环境监测的一个重要方面。

目前，根据测量机理的不同分为两类分析方法：取样法和非取样法。

取样法取样法是从待测区域中取部分具有代表性的含烟尘气 样， 并将颗粒从样品中分离出来，再送入随后的分析测量系统来测量烟尘质量浓度的方法。

1）滤膜称重法

滤膜称重法的基本原理是以规定的流量采样，将空气中的烟尘颗粒沉集于高性能滤膜上，称滤膜采样前、后的质量， 由质量差求得沉集的烟尘颗粒质量，再根据采样空气体积，计算出烟尘颗粒的质量浓度。 由于受滤膜性能影响，大多测量采用PM10和PM2.5 2个标准的烟尘颗粒物。该方法原理简单，测定数据可靠，测量不受颗粒物物理性质的影响。但操作烦琐费时（一般3～24h）、噪声大。

2）β射线吸收法

β射线吸收法测量装置由β射线源、滤膜支架及探测器等组成。当含尘样气通过滤膜时，颗粒被过滤在滤膜上，经过一段时间后，转动轴带动滤膜移动并使被滤颗粒进入测量区域，测量区域上部发出的β射线透过颗粒介质后衰减并被接收，根据β射线的衰减程度即可确定被滤尘样的质量，进而求得被测粉尘的质量浓度。

β射线吸收法是在称重法基础上发展而来的，该方法主要用于煤矿粉尘与工业燃烧烟尘（主要含C和S）的测量，以及用于气溶胶质量浓度的监测。该方法测量的动态范围宽，准确度及灵敏度高，且测量结果只与粒子的质量有关。但该方法存在安全隐患，同时，系统要求增加各种屏蔽措施，结构设备复杂且昂贵。

3）压电晶体差频法

压电晶体法采用石英谐振器作为敏感元件。其工作原理是使空气以恒定流量通过切割器， 进入由高压放电针和微量石英谐振器组成的静电采样器， 在高压电晕放电的作用下，气流中的颗粒物全部沉降于测量谐振器的电极表面上，因电极上增加了颗粒物的质量，其振荡频率发生变化，根据频率变化可测定烟尘颗粒物的质量浓度。 与其他测烟尘浓度的方法相比，压电晶体差频法具有灵敏度很高，石英压电晶体电极的质量灵敏度理论上为180Hz/μg。假定所测空气烟尘浓度为150μg/m3，以1L/min采样流速采样2min，所采烟尘量为0.3mg，仪器的理论响应值为54Hz，就可准确测定。其采样流量低、采样时间短是其他测尘法无法比拟的；检测范围宽，由于输出的低 频信号达10～105 Hz，能满足大气烟尘不同浓度的测定，如果输出104Hz， 被测烟尘浓度理论上等于28mg/m3，这样高的烟尘浓度一般已超出环境烟尘浓度的范围但由于压电晶体每做完一次测试后需要重新清洁后才能进行下次测试，所以，这种测试方法不能进行长时间在线检测。

4）微量天平振荡法

测量原理是基于锥形元件振荡微量天平原理，核心部件为锥形元件振荡器。锥形元件振荡器在其自然频率下振荡， 振荡频率由振荡器件的物理特性、参加振荡的滤膜质量和沉积在滤膜上的颗粒物质量决定。仪器通过采样泵和流量计， 使环境空气以一恒定的流量通过采样滤膜，颗粒物则沉积在滤膜上。测量出一定间隔时间前、后的2个振荡频率， 就能计算出在这一段时间里收集在滤膜上颗粒物的质量，再除以流过滤膜的空气的总体积，得到这段时间内空气中颗粒物的平均浓度。

微量天平振荡法适用范围很广，现代主要用于空间 环境表面污染（分子污染和颗粒物污染）的监测，又因其高灵敏度、高分辨率及实时在线监测、输出数字化等优点在电化学和生物领域备受关注。

非取样法非取样法是利用烟尘颗粒物与射线、光等作用后所产 生的衰减、 散射等现象来间接测量烟尘浓度的方法。非取样法主要有：黑度法、浊度法、光散射法。

1）黑度法

此方法又叫林格曼黑度法。它是基于监测人员用有不同黑色面积的玻璃片对排放烟尘的黑度进行目测，然后与林格曼黑度（共分六级）对比后， 确定被测烟尘的黑度，再按林格曼黑度级与烟尘浓度对照表得到烟尘排放浓度。这种方法使用简单、方便，操作人员很容易掌握使用，但显然这种方法不够科学，也不够可靠，无法获得烟尘的绝对浓度。

黑度法只是粗略了解烟尘的黑度等级而不需要获得其绝对浓度，主要用于烟尘黑度监测，应用于锅炉、工业炉窑、火电厂及炼焦炉等场所。

2）浊度法

该方法将光源与探测器分别安装在烟道两侧，光遇到烟尘颗粒后由于吸收、散射等作用使光强衰减，探测器接收的是颗粒的透射光。根据郎伯—比尔定律，透射光强与颗粒的大小和浓度相关， 这就为烟尘颗粒物浓度测量提供了尺度，通过计算介质的浊度，得到烟尘的质量浓度。 该方法原理简单、技术成熟，广泛用于工业烟囱、煤矿瓦斯监测，但用于浓度测量时必须预先知道被测对象的粒径分布或者平均粒径，具有一定的局限性，即在浓度极低时，光强变化不大，浓度极高时，光强衰减过大，从而信噪比大大降低，因此，在这种特殊情况下，效果较差；当烟尘组分发生变化时， 测量结果也会出现偏差；由于光源、探测器及反射镜等需要分立安装，因此，需要严格对准；反射镜等光学镜片附着烟尘后， 也会影响测量结果。

3）光散射法

光散射法基于光散射原理，当光束入射到颗粒（不管是固体颗粒、液滴或者气泡）上时，将向空间四周散射，光的各个散射参数与烟尘颗粒的浓度密切相关。将探测器安装在某一散射角处，获得散射光强数据后，基于散射理论对烟尘浓度进行反演。

光散射法之所以获得广泛应用是因为相比其他测量方法具有如下显著优点：适用性广，除了测量固体颗粒（粉末）外，还可以测量液体颗粒（液滴）、气体颗粒（气泡），而不用知道颗粒的化学组成；粒径测量范围宽，从几个纳米（10-3μm）到约103μm，甚至更大；测量准确、精度高、重复性能好，对单分散系高分子聚合物标准粒子的测量误差和重复性偏差可以限制在1%～2%之内。

烟尘浓度的在线测量方法应满足以下要求： 1）采样速度要足够快，能进行长期、实时地监测，能够满足生产过程中对数据量的要求。 2）数据处理必须实时准确，及时反映出烟尘颗粒物特性的变化。 3）测量系统结构简单、可靠，能够在恶劣条件下长期运行， 便于维护。4）测量系统还应具有较好的经济性，价格合理。3

危害烟尘对人体的危害同颗粒物的大小有关：

（1）大于5微米的颗粒物能被鼻毛和呼吸道粘液挡住。

（2）小于0.5微米的颗粒物一般会粘附在上呼吸道表面，并随痰液排出。

（3）直径在0.5-5微米的颗粒物对人体的危害最大。它不仅会在肺部沉积下来，还可以直接进入血液到达人体各部位。

由于粉尘粒子表面附着着各种有害物质，它一旦进入人体，就会引发各种呼吸系统疾病。

全世界每年约有1亿吨烟尘排放到空气中，其中不乏有毒烟尘，如不及时处理，不仅会毁掉蓝天，而且会毁掉人体健康甚至生命。

粒径不同的飘尘随空气进入肺部，就会以碰撞、扩散、沉积等方式，滞留在呼吸道的不同部位，大于5微米的飘尘，多滞留在上呼吸道，小于5微米的多滞留在细支气管和肺泡。0.01～1微米的飘尘在肺泡内的沉积率最高。

滞留在鼻咽部和气管的飘尘，与进入人体的二氧化硫等有害气体产生刺激和腐蚀粘膜的联合作用，损伤粘膜、纤毛，引起炎症和增加气道阻力。持续不断的作用会导致慢性鼻咽炎、慢性气管炎。滞留在细支气管和肺泡的飘尘也会与二氧化氮等产生联合作用，损伤肺泡和粘膜，引起支气管和肺部炎症。长期的持续作用，还会诱发慢性阻塞性肺部疾患并出现继发感染，导致肺心病死亡率增高。大气处于逆温状态时，污染物不易扩散，飘尘污染浓度会迅速上升，如1952年12月伦敦发生烟雾事件时，大气中飘尘含量比平时高5倍，达到4.46毫克/米3，引起居民死亡率激增。可见大气中飘尘浓度的突然增高，对人类健康能造成急性危害，对患有心肺疾患的老人和儿童威胁更大。

飘尘在大气污染物中有载体作用。用电镜检查发现，飘尘颗粒表面，能高度富集镍、铬、锌等金属元素。这种富集在颗粒表面的金属，在一定条件下能直接与体液、血液和组织器官接触，产生毒作用。此外，有些金属如铅、镉、铊等以颗粒状态存在于大气，可直接通过呼吸道侵入人体，引起毒作用。这些毒物对健康的危害程度同它们在大气飘尘中的含量和人体持续吸入的时间有关。大气中铅含量即使为10微克/米3的低浓度，连续吸入3个月也会降低肺脏排除异物的功能。据报道，大气中镉浓度与心脏病死亡率呈高度正相关关系。飘尘还能吸附病原微生物。在飘尘浓度高的地方，空气中各种微生物的含量也相应增高，因而易引起慢性阻塞性肺部疾患的继发感染，降低机体的抵抗力和免疫力。

烟尘能直接接触皮肤和眼睛，阻塞皮肤的毛囊和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎或造成角膜损伤。此外，烟尘还能降低大气透明度，减少地面紫外线的照射强度；紫外线照射不足，又会间接影响儿童骨骼的发育。因此，烟尘污染对健康的危害是多方面的、复杂的，应引起足够重视。2

防治措施①把排放烟尘的企业安排在居住区常年风向频率最小的上风侧，以减少烟尘对居住区的污染。如各种风向的平均风速差别很大，还须考虑风速的影响。

②利用一切空地种植花草树木使城市绿化。

③发展区域集中供暖，减少分散烟囱，以减轻烟尘对大气的污染。

④改造锅炉，改进燃料的燃烧方法，安装净化除尘设备，达到消烟除尘的目的。

⑤铺设和绿化街道、人行道和美化庭院，减少灰尘对大气的污染。