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随着社会经济的快速发展,以臭氧和大气细粒子为主要特征的大气复合污染日益严重。与粗颗粒物相比,由于大气细粒子特别是纳米超细粒子巨大的浓度及比表面积特性,对人类健康及整个大气环境影响更为严重,因此,传统的颗粒物质量浓度测量已经不足以反映当前的大气颗粒物污染特征,加强颗粒物粒径及浓度监测将具有重要的现实意义。长期以来,光学方法依靠其原位、连续、稳定的特点逐渐发展成为粒径测量的主要方法之一,但受测量原理的限制,无法实现纳米颗粒物的粒径测量。本文工作的研究目的旨在获得大气颗粒物宽范围(从纳米级到微米级)粒径测量方法,实现基于颗粒物电迁移特性的粒径分级,设计并研制出了颗粒物荷电和分级系统样机,并对系统样机的工作特性参数进行了测量。主要成果如下:
(1)以颗粒物扩散荷电模型为基础,推导了准电荷平衡分布状态下不同粒径大小颗粒物的荷电分布。利用场致电离的方式产生单极性自由电荷区,对电荷中和源内部不同粒径大小粒子的荷电效率、损失效率进行了测量,并对荷电效率与工作电压、气流流速的关系进行了定量分析。
(2)以颗粒物电迁移理论为基础,根据粒子在电场中的运动特征,结合流体力学相关理论,设计并研制成功差分电迁移分析仪样机。利用实验室标准气溶胶发生和检测设备,深入研究了差分电迁移分析仪不同粒径段内粒子分级效率。
(3)结合外场实验结果,对北京、合肥、广州地区的大气细粒子谱分布特征进行了对比分析,总结了大气细粒子谱分布的地域性变化特征。针对典型天气条件,如晴好、灰霾、降雨、沙尘等,对不同地区大气粒谱变化规律进行了总结。同时,按照粒径大小将颗粒物分成不同模态,深入分析了各模态粒子浓度的日变化特征及地域性变化特征,并对气象参数对各模态粒子浓度的影响进行了总结。