第二节溶胶的动力学性质和光学性质
胶体系统是介于真溶液和粗分散系统之间的一种特殊分散系统。由于胶体系统中粒子分散程度很高，具有很大的比表面积，表现出显著的表面特性，如胶体具有特殊的力学性质、光学性质和电学性质。
1.溶胶的力学性质
1827年，英国植物学家布朗（Brow）在显微镜下，观察悬浮在液体中的花粉颗粒时，发现这些粒子永不停息地做无规则运动。后来还发现所有足够小的颗粒，如煤、化石、矿石、金属等无机物粉粒，也有同样的现象。这种现象是布朗发现的，故称布朗运动，但在很长一段时间中，这种现象的本质没有得到阐明。
1903年，齐格蒙德（Zsigmondy）发明了超显微镜，用超显微镜观察溶胶，可以发现溶胶粒子在介质中不停地做无规则的运动。对于一个粒子，每隔一定时间纪录其位置，可得到类似图9-13所示的完全不规则的运动轨迹，这种运动称为溶胶粒子的布朗运动。
图9-13 布朗运动示意图
粒子做布朗运动无需消耗能量，而是系统中分子固有的热运动的体现。固体颗粒处于液体分子包围之中，而液体分子一直处于不停的、无序的热运动状态，撞击着固体粒子。如果浮于液体介质中的固体远较溶胶粒子大（直径约大于5μm），一方面由于不同方向的撞击力大体已互相抵消，另一方面由于粒子质量大，其运动极不显著或根本不动。但对于胶体分散程度的粒子（直径小于5μm）来说，每一时刻受到周围分子的撞击次数要少得多，那么在某一瞬间粒子各方向所受力不能相互抵消，就会向某一方向运动，在另一瞬间又向另一方向运动，因此形成了不停的无规则运动。布朗运动的速率取决于粒子的大小、温度及介质黏度等，粒子越小、温度越高、黏度越小则运动速率越快。
沈阳地区气溶胶光学性质研究 1.引言 大气气溶胶是指均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系，其中的微粒统称为气溶胶粒子。此类粒子的空气动力学直径在100μm以下，主要包括沙尘气溶胶、碳气溶胶、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶6类气溶胶粒子。气溶胶在紫外、可见光、红外等波段对辐射的吸收和散射对全球天气过程和气候产生重要影响（Boucher etc. , 1995;Breon etc. , 2002;Satheesh etc. , 2005）。而气溶胶的增加会使空气质量恶化，进而影响人体健康。所以气溶胶对于气候变化和人体健康有着重要的意义。 AOD（Aerosol Optical Depth，气溶胶光学厚度），物理意义是沿辐射传输路径，单位截面上因气溶胶吸收和散射对太阳辐射产生的总削弱。它与垂直方向上大气柱总的气溶胶浓度有关，是表征大气浑浊度的重要物理量(Reddy and Venkataraman, 2000;Lata etc. ,2003;Kaskaoutis etc. , 2006)。 在地理上，沈阳市位于中国东北地区南部，辽宁省中部，以平原为主，山地、丘陵集中在东南部，而辽河、浑河、秀水河等途径境内，属于温带半湿润大陆性气候，平均海拔约50m。沈阳也是建国初期国家重点建设起来的以装备制造业为主的全国重工业基地之一，工业门类达到142个，到2013年为止规模以上工业企业4000多家，地区生产总值7000多亿元。在2015年4月3日沈阳市环保局发布了影响环境空气质量主要污染源有：工业污染、燃煤锅炉和生活炉灶、交通运输、城市扬尘。 目前，对于沈阳地区AOD的研究相对较少，而AOD的变化特征对研究大气环境有着重要意义。因此，笔者基于沈阳2004年8月至2011年10月光学厚度资料，结合地面常规气象观测资料，分析沈阳市AOD变化特征以及气象因子对其影响，希望能对沈阳市大气环境治理提供参考。 2.数据资料 中国科学院大气物理研究所联合国内外单位于2004年7月建立了中国地区太阳分光观测网CSHNET为定量评估中国区域气溶胶的气候和环境效应提供基础观测数据。观测网包括19个中国生态系统研究网络（CERN）定位站、4个典型城市站、香河站和拉萨站两个长期标定站。观测网统一采用新一代便携式LED太阳分光光度计，选取每天10:00~14:00进行观测，0.5h观测一次，每次3组数据，每天至少观测15组数据(天空总云量超过8时不可进行观测)。本文所使用地面光学厚度观测资料来自其中沈阳站。 沈阳站地处松辽平原南部，站点的地理位置为北纬41.52°，123.63°，海拔31m，位于辽中南城市群所在地，是我国重工业基地及乡镇企业迅速发展的地区之一，我国重要的商品粮基地。高投入农业和工业污染给本区农业持续发展带来一系列待解决的生态环境问题。从地理位置上讲，沈阳神态站正好处于由东到西水分因子驱动和由南到北热量因子驱动的横穿我国境内的两条样带上，具有很好的区域代表性和网络研究的重要性。沈阳气候类型属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温7.0~8.0℃，无霜期147~164天，年降水量650~700mm（辛金元，2006）。 Angstrom【1964】给出了气溶胶光学厚度与波长间的关系为 τaerosol(λ)＝βλ-α τaerosol(λ)为波长为λ的AOD反映大气气溶胶光学厚度 β为Angstrom混浊系数，与测站上空垂直气柱内的气溶胶质粒总数有关，以代表大气
胶体及其性质 一、胶体的由来及其认识的发展 胶体一词，来自1861年T.格雷姆研究物质在水中扩散的论文《应用于分析的液体扩散》。当时发现有些物质（如某些无机盐、糖和甘油等）在水中扩散很快，容易透过一些膜；而另一些物质，如蛋白质、明胶和硅胶类水合氧化物等，则扩散很慢或不扩散。前者容易形成晶态，称为晶质；后者不易形成晶态，多呈胶态，则称为胶体。此种分类并未说明胶体的本质，因为胶状的胶体在适当条件下可以形成晶态，而晶质也可以形成胶态。直到20世纪初超显微镜的发明以及后来电子显微镜的应用，对胶体才逐渐有较清楚的了解. 二、胶体体系的特点 自质点大小这一特点考虑，高分子与胶体质点的大小差不多。例如，分子量为36000的胰岛素（球状）直径约4.0纳米；分子量为42000的蛋白朊长椭球长约11纳米，与一般金溶胶和硅溶胶质点大小相近。有的高分子甚至长达100纳米以上。因此,与大小有关的性质，如扩散、沉降、渗透压、光散射（见胶体光散射）等性质，二者全都相似。胶体研究的许多结果可以应用于高分子体系，从而大大推动了高分子的研究，高分子化学的部分领域也就归入胶体化学的范畴。经典的胶体体系是热力学不稳定体系，是一相（质点）分布在另一相(介质)中的多相分散体系；而高分子质点分散在介质中的这种胶体体系却是热力学稳定的体系，是均相溶液，即高分子溶于溶剂而形成的溶液。如同小分子的溶液一样,只要溶剂不挥发,高分子溶液就可以永久存在。高分子溶液的溶剂挥发后，得到高分子化合物；但若把高分子放入溶剂中，则又自动溶解而形成溶液。于是就把高分子溶液称为可逆胶体，也叫做亲液胶体，以与疏液胶体相对照、相区别。 胶体质点与经典化学所研究的分子不同的另一特点，是其形状的千差万别，从完全对称的球形和比较对称的椭球形,到极不对称的不规则薄片,以至细长的线条。这将对体系的性质，特别是流变性质有重大影响。例如高分子溶液、钻井泥浆、油漆涂料、胶团溶液，以及乳状液、泡沫等的粘度、弹性、塑性及触变性等皆与质点的形状和结构有关（见非牛顿流体）。三、胶体化学中的基本术语 ⑴相—是指物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。 ⑵相界面—是指相与相之间的接触面称为相界面，相与相之间的宏观物理界面。在相互接触的两相中，若一相为气体，相界面称为表面，若是液—固分界面，称为界面。 ⑶分散相—是指在多相分散体系中，被分散的物质。 ⑷分散介质—是指分散相所在的连续介质，又叫连续相。例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中。粘土为分散相；水为分散介质。 ⑸分散度D—是指分散相的分散度，是分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均直径或长度a的倒数来表示。D=1／a。 ⑹比表面—是指单位体积（重量）物质的总表面积。比表面= S/V（m-1 ）或比表面= S/W （m2 ／kg）。 ⑺吸附—是指物质在两相界面上自动浓集（界面浓度大于内部浓度）的现象。 ⑻吸附质—是指被吸附的物质。
气溶胶的光学特性参数 （1）气溶胶光学厚度 气溶胶光学厚度,英文名称为AOD（Aerosol Optical Depth）或AOT（Aerosol Optical Thickness），表示的是单位截面的垂直气柱上的透过率，有时候又叫大气混浊度，它是一个无量纲的正值。数值范围在0-1之间，0代表完全不透明大气，1代表完全透明的大气，气溶胶光学厚度越大，大气透过率越低。值的大小主要由气溶胶质粒的数密度、尺度分布、气溶胶类型等物理、光学属性来决定。 气溶胶光学厚度的反演： 公式：L=L0+F*T*P/[1-S*P] L：传感器收到的辐射；L0：大气路径辐射；F：下行辐射 P：地表反射率；T：大气透过率；S：大气半球反射率 F*T*P/[1-S*P]：地表反射辐射 对于大气路径辐射项L0,它只是大气气溶胶光学厚度和几何参数的函数,假如地表反射辐射比较小或为零,就可以通过大气路径辐射项来反演获得气溶胶光学厚度,对于地表反射辐射（F*T*P/[1-S*P]）来说，仅是气溶胶光学厚度的函数,如果消去路径辐射信息,便可以通过它来反演气溶胶光学厚度。 （2）散射相函数 散射相函数反映的是电磁波入射能量经粒子散射后在方向上的分布，或者称相函数是粒子(散射体)将某个方向的入射波散射到其他方向的概率。定义相函数P(θ)为在θ角方向的散射辐射能量与各向同性散射时该方向的散射辐射能量之比。目前，常用的相函数有Mie散射相函数、HG相函数、双HG相函数和改进的HG*相函数等，这些函数各有优缺点。 Mie散射相函数： P Mie(θ)= [S1(θ)2 +S2(θ) 2]/ 2πα2 Qsca α=2πR/λ：球形气溶胶粒子的尺寸参数； S1(θ)、S2(θ)：散射振幅矩阵元； Qsca：气溶胶粒子的散射效率因子； S1(θ)、S2(θ)和Qsca可由Mie展开系数求解，Mie散射相函数适合于球形粒子求解。 （3）单次散射反照率 单次散射反照率（single scattering albedo,SSA），在随机介质中传播的光将会被介质中的粒子散射和吸收而衰减，我们称之为消光，其中因散射而导致入射光消光在总消光中所占的比例，可以用粒子的平均单次散射反照率来表示，其定义为： 0（x，m）= Cs（x，m）/C（x，m） C、Cs：粒子的消光截面和散射截面，消光截面是粒子或粒子群在电磁波传播路径上对电磁波衰减能力的度量； x=2πr/λ：为粒子的尺度因子，r、λ分别为粒子的半径和入射光的波长； m：复折射率，为复数m=n–ki，式中实数部分n为介质的折射率，虚数部分的k为介质的吸收系数； 如果用Ca表示粒子的吸收截面，则应满足C=Cs+Ca；如果粒子对入射光完全无吸收，即Ca=0，于是C=Cs，反照率为1，达到它的最大值。粒子有吸收时，反照率介于0到1之间。
课程名称：气溶胶力学
一、绪论 研究气溶胶粒子的形成、运动、沉降和凝并的科学成为气溶胶力学。其研究内容对人类的生产和生活有着重大的影响。自然界中云的形成对气候的影响；水蒸发凝结而降雨；风所造成的固体颗粒的迁移与沉积；风对植物花粉的传播以及空气中微生物的散布等都是气溶胶力学的研究内容。气溶胶的形成对人们的生产和生活有着有害和有利的双面，如一些尘粒会造成呼吸性疾病，生产过程中尘粒的发散会对产品的质量造成影响；但是，液体燃料在燃烧前喷成雾状以及固体燃料在燃烧前磨成粉末可以提高燃烧效率。 目前，研究气溶胶粒子的沉降过程比研究粒子的形成更有意义。控制粉尘污染的方法和手段是多样的，一般有重力式、惯性式、离心式、纤维过滤式、织物过滤式、静电式以及各种湿式除尘设备。而气溶胶力学所研究的内容是他们手机气溶胶粒子的机理以及在收集过程中气流的流场和能量损失。气溶胶力学的研究内容是气象、环境保护、劳动保护等科学的理论基础。为除尘净化的目的，从气溶胶粒子的物理性质及其运动；气溶胶粒子的空气动力捕获、扩散运动与沉降；气溶胶粒子的凝并、经典沉降以及气溶胶粒子的其他沉降机理讲解。 二、当前气溶胶科学发展动向 在应用方面,气溶胶工程技术发展很快。首先,微电子这一尖端高技术的发展,要求超纯净的工作环境,例如,在大规模和超大规模集成电路超纯净工作室,要求空气中所含气溶胶粒子浓度低于每立方英尺个粒子。因此,气溶胶粒子的过滤与分离的间题,以及超微量粒子浓度的测量问题,就成为当代气溶胶研究 中的重大课题。另外一个气溶胶工程技术的新发展,是利用气溶胶技术制备新材料。这是一个引人注目的气溶胶科学与材料科学交叉的新发展。按照人们预先规定好的力学性质、光学性质和电学性质来制备新材料,本来是材料科学的一个中心课题现在气溶胶科学深入到这一领域,与材料科学相互交叉、相互合作,就出现了一些技术上最激动人心、科学上最富挑战性的新的人工合成物。例如氧化物与非氧化物,以及金属粉末等,被烧结成不同形状,不同大小的新的固休材料。这之中有低温超导体材料,人造金刚石薄膜、碳黑、二氧化硅、二氧化铁、硅、碳化硅、光导纤维、汽车钢材、磁带与录相带上的薄膜、感光片薄膜等。这些新材料正以其高纯度、低成本而令人瞩目。
空气中空气动力学直径小于或等于2.5微米的固体颗粒或液滴的总称。 大气颗粒物的分类 粉尘（微尘、Dust）颗粒直径：1 ~ 100 m；物态：固体； 生成机制、现象：机械粉碎的固体微粒，风吹扬尘，风沙。 烟(烟气，Fume)颗粒直径：0.01 ~ 1 m；物态：固体； 生成机制、现象：由升华、蒸馏、熔融及化学反应等产生的蒸气凝结而成的固体颗粒。如熔融金属、凝结的金属氧化物、汽车排气、烟草燃烟、硫酸盐等。 灰（Ash）颗粒直径：1 ~ 200 m；物态：固体； 生成机制、现象：燃烧过程中产生的不燃性微粒，如煤、木材燃烧时产生的硅酸盐颗粒，粉煤燃烧时产生的飞灰等。 雾（Fog）颗粒直径：2 ~ 200 m；物态：液体； 生成机制、现象：水蒸气冷凝生成的颗粒小水滴或冰晶水平视程小于1km。 霭（Mist）颗粒直径：大于10 m；物态：液体； 生成机制、现象：与雾相似，气象上规定称轻雾，水平视程在1 ~ 2km之内，使大气呈灰色。 霾（Haze）颗粒直径：~ 0.1 m；物态：固体； 生成机制、现象：干的尘或盐粒悬浮于大气中形成，使大气混浊呈浅蓝色或微黄色。水平视程小于2km。 烟尘(熏烟，Smoke)：0.01~ 5 m；固体与液体；含碳物质，如煤炭燃烧时产生的固体碳粒、水、焦油状物质及不完全燃烧的灰分所形成的混合物，如果煤烟中失去了液态颗粒，即成为烟炭。 烟雾（Smog）：0.001~ 2 m；固体；粒径在2m以下，现泛指各种妨碍视程(能见度低于2km)的大气污染现象。光化学烟雾产生的颗粒物，粒径常小于0.5m使大气呈淡褐色。总悬浮颗粒物(Total Suspended Particulate TSP)： 用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集的颗粒物的总质量作为大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。 长期飘泊在大气中颗粒直径小于l0m的悬浮物称为飘尘(Airborne particle)，大于l0m的微粒，由于自身的重力作用而很快沉降下来的这部分微粒称为降尘（Dustfall）。大气颗粒物的源和汇 1、大气颗粒物的来源 大气颗粒物可分为天然源和人为源两类。 若按颗粒物形成机制，又可分为一次颗粒物和二次颗粒物。 一次颗粒物是由天然污染源和人为污染源释放到大气中直接造成污染的颗粒物。 二次颗粒物是由大气中某些污染气体组分(如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等)之间，或这些组分与大气中的正常组分(如氧气)之间通过光化学氧化反应、催化氧化反应或其它化学反应转化生成的颗粒物。 1）颗粒物的天然来源 天然源可起因于地面扬尘(风吹灰尘)，和地壳、土壤的成分很相似，海浪溅出的浪沫，火山爆发的喷出物，森林火灾的燃烧物，宇宙来源的陨星尘及生物界产生的颗粒物如花粉、袍子等。 二次颗粒物的天然来源主要是森林中排出的碳氢化合物(主要是萜烯类)，进入大气后经光化学反应，产生的微小颗粒，与自然界硫、氮、碳循环有关的转化产物如由H2S、SO2经氧化生成的硫酸盐，由NH3、NO和NO2氧化生成的硝酸等。 2）颗粒物的人为来源
大气气溶胶表面化学与光学特性研究进展 陈建民* 复旦大学全球环境变化研究所，上海，200433 复旦大学环境科学与工程系，上海，200433 *Email：jmchen@https://www.doczj.com/doc/7c12404019.html, 大气气溶胶有一次排放的矿尘、黑炭（soot）、海盐等，二次气溶胶富含硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物等成分。大气气溶胶作为污染物的载体或反应床，其表面界面化学反应及消光（光吸收、光散射）特性，对空气质量、大气能见度产生影响，其消光特性对气候效应产生直接影响、作为云凝结核影响成云与降雨表现出对气候效应产生间接影响。本文对近年来矿尘、黑炭、海盐、混合气溶胶与SO2、NOx、有机物、O3等大气污染物表面化学反应机理研究前沿进行了分析，特别对大气气溶胶表面变化引起的光吸收、光散射特性的变化规律进行介绍，指出该领域发展前沿难点问题及重要的研究方向。 Progress on Aerosol Surface Chemistry and its Optical Property Jianmin Chen* Research Institute for the Global Environment Change, Fudan University, Shanghai , 200433 Department of Environmental Science & Engineering, Fudan University, Shanghai , 200433 Aerosol includes primary emission such as dust, black carbon(soot), sea-salt, and secondary evolutings like sulfate, nitrate, ammonium and organics et.al. Aerosol provides surfaces serving as a carrier or reaction bed for pollutants. The atmosperic chemistry of aerosol and its optical extinction (light adsorption and scattering) during heterogeneous reaction have significantly effects on air quality, visibility. Aerosol light extinction has both direct impact on climate change through absorption and scattering of solar radiation, and indirectly, through the modification of cloud properties and wet deposition. This paper concerns recent progress on surface chemistry of heterogeneous reaction mechanism between dust, soot, sea-salt and SO2、NOx、organics、O3 et al..The focus of significant research effort has been paid on light adsorption and scattering yet remaining highly uncertain and a significantvconstraint on the evaluation of climate sensitivity.
气溶胶光学特性的反演方法研究 韩 冰,高 飞,李铜基 (国家海洋技术中心,天津 300111) 摘 要:气溶胶是大气重要组成部分,其对地球的辐射收支平衡以及气候变化均有非常重要的贡献。文中根据非线性辐射传输理论,研究了从自动观测太阳光度计(CE318)多角度的天空扫描数据获取气溶胶粒子谱分布、散射相函数等光学特性的反演方法,并对2000年10月27日、30日南海试验的观测数据进行了分析,取得了较好效果。关键词:气溶胶;粒子谱分布;散射相函数;辐射传输 中图分类号:T P722.4 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2006)03-0055-06 1 引言 气溶胶的严格含意是指悬浮在气体中的固体和(或)液体微粒与气体载体共同组成的多相体系[1]。相应地,大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。大气气溶胶粒子的直径多在10-3～102L m之间,包括可溶性的(如海盐粒子)和不可溶性的(如化石燃料的氧化物)粒子。依其形成机制则可分为自然因子与人为因子,前者主要是经由地表的自然风化过程和海洋表面的碎浪过程而进入大气,后者则是来自人类工业文明所产生微小污染物[2]。气溶胶对地球的辐射收支平衡继而气候变化均有非常重要的贡献,但是目前人们对气溶胶的了解非常欠缺。气溶胶的辐射贡献包括两部分:一是直接辐射贡献,即气溶胶对太阳辐射进行吸收、散射等引起的;二是通过改变云的微观物理特性而产生的间接影响。 首先,气溶胶对气候的影响方面,M cCo rm ick和L ud-wig认为[3],气溶胶会增加太阳辐射的反照率,进而导致地球的长期性冷却效果,而Char lso n和Pilat[4]也曾提出气溶胶对大气系统能量收支的影响,即气溶胶透过吸收、散射和放射过程直接影响地球能量的收支。其次,在卫星数据校正方面,气溶胶对卫星信号的贡献是很难准确估算的部分,因而通过研究气溶胶的光学特性必然会提高估算的准确性。 利用地面的光谱辐射计对大气进行观测,是目前广泛使用的研究大气特性的方法之一。其中自动太阳光度计是一种不受天气限制、自动跟踪并存储数据的辐射计,在世界范围内得到认可并大量使用,例如A ERO N ET气溶胶观测网[5]采用的就是这种仪器。CE318具有天空辐亮度扫描的 收稿日期:2006-01-20功能,利用其测量数据可反演气溶胶粒子谱分布、散射相函数等信息。本文以2000年10月27日、30日海南三亚的观测数据为例,利用CE318多角度的天空扫描数据,采用非线性数值方法对气溶胶光学特性反演方法进行了研究。 2 太阳光度计测量原理 CE318是法国CIM EL公司生产的一种自动跟踪扫描太阳辐射计,该仪器在可见近红外设有8个观测通道,它不仅能自动跟踪太阳作太阳直射辐射测量,而且可以进行太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。CE318能自动存储和传输测量数据,实现自动测量采集和远程数据传输。CE318天空扫描主要有两种模式:平维圈扫描和主平面扫描。平维圈扫描是指观测时保持仪器的天顶角与太阳天顶角相同,而仪器与太阳的相对方位角逐渐变化;主平面扫描是指观测时仪器与太阳之间的相对方位角不变,而仪器的天顶角变化[5]。 CI M EL318辐射计测量太阳直射辐射F和漫射辐射E: F=F0ex p(-m S)(1) E(H0,<)≡E(()=m XS P(()F$8+q(()(2)式中:F0是大气层外的辐射通量;S是总的大气光学厚度; m是大气光学质量;H0是太阳天顶角;<是观测的方位角;(是散射角;X是整个大气层内单次反照率;P(()是总的相函数(包括瑞利散射和气溶胶散射两部分);$8是观测辐射计的立体观测角;q(()表示多次散射的贡献[6]。 为了减少仪器带来的系统误差,我们将观测数据用太阳直射辐射进行标准化,即: E(()≡ m XS P(()F$8+q(() Fm$8 =XS P(()+r(()(3) 通过多角度的天空扫描,我们可以通过非线性数值方 第25卷 第3期2006年9月 海 洋 技 术 OCEAN T ECHNOLOGY Vol.25,No.3 Sept,2006
第2章 气溶胶光学厚度反演的原理和方法 气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth ）简称AOD ，定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，描述的是气溶胶对光的消减作用[7]。它是气溶胶最重要的参数之一，表征大气浑浊程度的关键物理量，也是确定气溶胶气候效应的重要因素。。通常高的AOD 值预示着气溶胶纵向积累的增长，因此导致了大气能见度的降低。现阶段对于AOD 的监测主要有地基遥感和卫星遥感两种方法。其中地基遥感又有多种形式：多波段光度计遥感、全波段太阳直接辐射遥感、激光雷达遥感等。其中多波段光度计遥感是目前地基遥感研究中采用的最广泛的方法。美国NASA 和法国LOA-PHOTONS 联合建立的全球地基气溶胶遥感观测网AERONET 所使用的就是多波段太阳光度计（Sun/Sky Photomerers ），在全球共布设1217个站点长期观测全球气溶胶的光学特性，积累了大量的AOD 数据，并用作检测气溶胶光学厚度反演精度的标准。而近年来卫星遥感技术的快速发展，多种传感器被用来研究气溶胶特性，加上经济发展带来的大气污染问题使得利用卫星遥感资料反演AOD 成为热门课题。 2.1 气溶胶光学厚度反演的基本原理 大气光学厚度是指沿辐射传输路径单位截面上气体吸收和粒子散射产生的总消弱，是无纲量值。在可见光和近红外波段，它可以由下列公式计算得出： )()()()()()(a 21m λτ+λτ+λτ+λτ+λτ=λτμωω (2-1) 其中)(λτ表示大气总的光学厚度，)(m λτ表示整层大气的分子散射光学厚度，)(1λτω表示氧气的吸收光学厚度，)(2λτω表示臭氧的吸收光学厚度，)(λτμ表示 水汽的吸收光学厚度，)(a λτ表示气溶胶光学厚度[21; 22]。 卫星遥感反演大气气溶胶是利用卫星传感器探测到的大气顶部的反射率，也称为表观反射率，可以表示为[23]： F /L s s * μπ=ρ (2-2)
气溶胶发生器 一、简介 目前，数字粉尘仪已广泛应用于室内空气质量检测、工作场所空气质量检测、矿井粉尘浓度检测及户外空气质量检测。不同厂家对其生产的粉尘仪命名不尽相同，如数字粉尘仪、智能型数字粉尘仪、微电脑粉尘仪、呼吸性粉尘仪、防爆型粉尘仪等等。总体来说，这些仪器可统称为粉尘仪，为检测环境空气中粉尘颗粒质量浓度的仪器。粉尘仪根据测量原理可分为光散射式粉尘仪及压电天平式粉尘仪两种。光散射式粉尘仪根据粉尘颗粒对激光的散射通量来测定粉尘质量浓度，这类仪器构造相对简单、响应快、维护方便，为目前数字粉尘仪的主流产品，占市场总量的90%以上。但光散射式粉尘仪各厂家所用光源、探测器及光室不尽相同，仪器出厂前所用标定方法不尽相同，导致仪器的响应曲线及准确度千差万别，测得同一环境下的质量浓度差别较大，给用户使用带来不便，数据可比性较差。压电天平式粉尘仪目前生产厂家较少，因为其维护量较大，目前市场占有率不高。针对以上现状，各地质量技术监督部门非常有必要建立起数字粉尘仪的标定方法规范，用以检定不同厂家及不同用户的粉尘仪，以使粉尘检测的工作得以规范化管理。 数字粉尘仪有全尘及可吸入性粉尘之分。全尘是指测定空气中总的悬浮颗粒物，可吸入性粉尘是指空气中可吸入的那一部分粉尘，按照美国环保局及中国环保局的定义，可吸入性粉尘指空气动力学直径小于10微米以下的粉尘。所以一般的吸入性粉尘仪应该具备PM10入口切割头，该切割头对空气动力学直径为10微米的颗粒应该有50%的去除效率。切割粒径的偏差是影响粉尘仪准确度的一个关键因素。标定切割头的方法需用单分散标准PSL粒子。光散射仪器散射信号受颗粒的折射率的影响较大，同样质量的颗粒，如果成分不同，折射率就不同，由光散射型仪器测得的质量就不同。所以，针对不同的光散射仪器，有必要在统一的、稳定的散射介质下进行质量浓度的标定，目前应用较多的方法是利用ISO标准粉尘来标定。
气溶胶介绍 气溶胶是由固体颗粒、液体颗粒或液体及固体颗粒悬浮于气体介质中形成的均匀分散的多体系，它们的粒子大小约在100~10000纳米之间，属于粗分散物系，可长时间悬浮于空气中。气溶胶在气体介质中不因重力作用而沉降。环境科学中一般定义大气气溶胶为悬浮在大气中的尺度为几十埃到几百微米的固体或液体粒子体系。 气溶胶粒子是悬浮在大气中的多种固体微粒和液体微小颗粒，气溶胶有自然或人类两种来源。有的来源于自然界，如火山喷发的烟尘、被风吹起的土壤微粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、植物的抱子花粉、流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等；有的是由于人类活动，如煤、油及其他矿物燃料的燃烧物质，以及车辆产生的废气排放至空气中的大量烟粒等。 气溶胶粒子具有分布不均匀、变化尺度小、复杂性的特点，多集中于大气的底层，对云的凝结核、雨滴、冰晶形成，进而对降水的形成起重要作用。气溶胶甚至可以改变云的存在时间，能够在云的表面产生化学反应，决定降雨量的多少，影响大气成分。 气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏；另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。
气溶胶中的粒子具有很多特有的动力性质，光学性质，电学性质。比如布朗运动，光的折射，象彩虹，月晕之类都是因为光线穿过大气层而引起的折射现象，而大气中含有很多的粒子，这些粒子就行成了气溶胶。 根据光电子能谱（XPS）对气溶胶燃烧后的固体颗粒的分析，可知其固体产物中主要含有元素C、N、O、K，这四种元素存在的形式有金属碳化物、C、CO32盐、C的有机物、-COO盐、K2O、K2CO3、KN3、KNO2、KNO3。可以看出固体产物微粒中的主要成分是金属碳化物和碳酸盐。 另外，有些气溶胶配方会加入一定量的碘化银（AgI）。碘化银的熔点为558℃，沸点1506℃，放于光中变色，最后变黑。几乎不溶于水易和稀酸，微溶于氨水，溶于氰化钾溶液。在人工降雨中，用于冰核形成剂，还能防冰雹、防霜冻、防雪、防风暴，甚至可以防台风。在北京2008奥运会上，碘化银配方气溶胶被应用于人工消雨，成功保证了北京奥运会开、闭幕式顺利进行。
1.4.5 总悬浮颗粒物（TSP） 能悬浮在空气中 空气动力学当量直径≤100微米 是大气质量评价中的一个通用的重要污染指标 总悬浮颗粒物的浓度以m3空气中总悬浮颗粒物的毫克数表示，用标准大容量 颗粒采样器在采样效率接近100％滤膜上采集已知体积的颗粒物，恒温恒湿条件下，称量采样前后采样膜质量来确定采集到的颗粒物质量，再除以采样体积，得到颗粒物的质量浓度。 在一般大气压条件下，热迁移力或热迁移速度取决于粒度，即意味着较小的粒子会先沉降下来。所以当粒度超过2微米时，热沉降器的收集效率受到影响。 过滤采样： 使气体通过一种介质使其中的粉尘与气溶胶分开。 方法：Soxhlet过滤器可溶性采样滤膜糖滤膜萘滤膜（采样后加热时萘挥发）四氯酚酞结晶可溶性滤膜 1.4.6 样品分离 淘析器和气溶胶离心机 前者：利用重力，根据粒子沉降速度与气流速度的差异，依据粒度将其分离。 后者利用离心力 1.4.7 CNC 凝结核子计数器：即膨胀技术器的前身，后来人们开始使用光电膨胀型仪器。以至于后来在综合电学实验室内研发自动光电凝结核子技术器。 1.4.8 超显微镜光学粒子计数器 由丁达尔现象受到启发，即在可见先以下的粒子是可以被观察、计数和测量的。除了超倍显微镜以外，浊度计、丁达尔仪和光学粒子计数器的发明也基于此。利用粒子散射出的光进行观察。 1.4.9 矿物和化学气溶胶的分析 矿物粉尘：成分是石英和其它硅酸盐类以及重金属。 方法：比重计、滴定法、色度计、光度计、极谱记录仪和X射线衍射。X成为国际标准方法。 1.5 纤维气溶胶的测定 石棉，是第一个纤维气溶胶的来源，它可以扩散进入工作场所空气和大气环境中。20世纪60年代确定了它与肺癌之间的效应关系，吸入到人体的石棉粉尘可以致癌。 最早的测量方法：样品停留在滤膜上，在真空条件下镀金使其具有导电性，在扫描电镜（SEM）下可以测量直径大于等于0.1微米的纤维。后来的TEM（透射电子显微镜）是唯
8.2 胶体物系的动力性质与光学性质 8.2.1 布朗运动 1872年植物学家布朗在显微镜下看到悬浮在水中的花粉颗粒作永不停息的无规则 运动。以后还发现其他微粒（如矿石、金属和碳等）也有同样的现象，这种现象就称为布朗运动。悬浮在液体中的微粒之所以能不断地运动是其周围处于热运动状态的介质分子不断撞击这些微粒的缘故。 1905年和1906年，爱因斯坦和斯莫鲁霍夫斯基分别创立了布朗运动理论，他们假 定胶粒运动与分子运动类似，每个粒子的平均动能和液体（分散介质）分子一样，都是kT 2 3 ，因而导出了如下公式 r t L RT x ?= πη3 （1） x 是粒子在时间间隔t 内在x 方向的平均位移，L 是阿氏常数，η是介质的粘度，r 是 粒子的半径。这个公式与实验结果相符。 布朗运动是胶体物系动力稳定性的一个原因。由于布朗运动的存在，胶粒从周围分子不断获得动能，从而抗衡重力作用而不发生聚沉。但布朗运动同时有可能使胶粒因相互碰撞而聚集，颗粒由小变大而沉淀。 8.2.2 扩散和渗透压 胶体质点的半径较大，扩散速度较小。扩散速度的大小可用扩散系数D 来衡量。爱因斯坦曾导出了D 与平均位移x 的关系为 Dt x 2= （2） 这就是爱因斯坦-斯莫鲁霍夫斯基方程。由式（1）和（2）消去x ，得 r L RT D ?= πη6 （3） 这就是爱因斯坦-斯托克斯方程。由式（3）可求出胶粒半径，进而可算出胶粒的摩尔质量： （4） 胶体物系的浓度很低，其渗透压可借用稀溶液的渗透压公式nRT V =π。
例 273K 时质量分数为31046.7-?=w 的硫化砷溶胶的胶粒半径8 101-?=r m ，粒子密度为3108.2?=ρkg m ―3 ，溶胶体积为1×10－3 m 3 ，质量近似为分散介质水的质量 1×kg 。求该溶胶的渗透压。 解 () 12333383mol 10023.6m kg 108.2m 1013 4 kg 11046.7----????????= πn mol 100566.16-?= 2.398Pa K 273mol K J 314.8m 101mol 100566.11 3 36=??????==---RT V n π 显然，这个数字是很难测出来的。同理，溶胶的其他依数性质也是很难测出来的。 8.2.3 沉降和沉降平衡 悬浮在流体中的固体颗粒在重力的作用下下降而与流体分离的过程称沉降。但对于分散度较高的物系，由布朗运动引起的扩散作用与沉降的方向相反，所以扩散成了阻碍沉降的因素。颗粒越小，这种影响越显著。当沉降速度与扩散速 度相等时，物系就达到了平衡状态，这种现象称沉降平衡，如图。由图(a )、(b )和(c )知，粒子质量越大，其浓度随高度变化越大。含有各种大小不同粒子的物系称为多级分散物系，这类物系沉降平衡时，溶液上部粒子平均半径比底部小，如图（d ）。 8.2.4 胶体物系的光学性质 胶体的光学性质是胶体多相性和高度分散性特征的反映。通过对胶体物系光学性质的研究，可以帮助我们理解胶体物系的性质，观察胶体粒子的运动和测定其大小及形状。
第五章 胶体化学 一. 单项选择题 1.下列各性质中，哪一个不属于溶胶的动力学性质？( ) A．布朗运动 B．电泳 C．扩散 D．沉降平衡 2.由过量KBr与AgNO3溶液混合可制得溶胶，以下说法正确的是( ) A．电位离子是Ag+ B．反号离子是NO3- C．胶粒带正电 D．它是负溶胶 3.区别溶胶与真溶液和悬浮液最简单最灵敏的方法是( ) A．乳光计测定粒子浓度 B．观察丁达尔效应 C．超显微镜测定粒子大小D．观察ζ电位 4.胶体溶液是( ) A．真溶液,故称为胶体溶液 B．分散相能通过滤纸,不能通过半透膜的分散体系 C．分散相能通过滤纸及半透膜的分散体系 D．分散相不能通过滤纸及半透膜的分散体系 5.溶胶的基本特性之一是( ) A．热力学上和动力学上皆属于稳定体系 B．热力学上和动力学上皆属不稳定体系 C．热力学上不稳定而动力学上稳定体系 D．热力学上稳定而动力学上不稳定体系 6.在AgNO3溶液中加入稍过量KI溶液，得到溶胶的胶团结构可表示为( ) A．[(AgI)m·n I-·(n-x)·K+]x-·x K+B．[(AgI)m·n NO3-·(n-x)K+]x-·x K+； C．[(AgI)m·n Ag+·(n-x)I-]x-·x K+ D．[(AgI)m·n Ag+·(n-x)NO3-]x+·x NO3-。 7.下列性质中既不属于溶胶动力学性质又不属于电动性质的是( ) A．沉降平衡B．布朗运动C．沉降电势D．电导 8.在AgI溶胶（带负电荷）中分别加入同浓度的下列物质，聚沉值最低的是：( ) A．La(NO3)3 B．Mg(NO3)2 C．NaNO3 D．KNO3 9.溶胶中胶粒的布朗运动是属于( ) A．溶胶热力学稳定性的因素B．溶胶动力学稳定性的因素 C．溶胶聚结稳定性的因素 D．是降低胶体表面自由能的因素 10.雾属于分散体系，其分散介质是( ) A．液体B．气体C．固体 D．气体或固体 11.将高分子溶液作为胶体体系来研究，因为它( ) A．是多相体系 B．热力学不稳定体系 Ｃ．对电解质很敏感 D．粒子大小在胶体范围内 12.有关超显微镜的下列说法中，不正确的是( ) A．可以观察离子的布朗运动 B．可以配合电泳仪，测定粒子的电泳速度 C．观察到的粒子仅是粒子对光散射闪烁的光点 D．可以直接看到粒子的形状与大小
第二节溶胶的动力学性质和光学性质 胶体系统是介于真溶液和粗分散系统之间的一种特殊分散系统。由于胶体系统中粒子分散程度很高，具有很大的比表面积，表现出显著的表面特性，如胶体具有特殊的力学性质、光学性质和电学性质。 1.溶胶的力学性质 1827年，英国植物学家布朗（Brow）在显微镜下，观察悬浮在液体中的花粉颗粒时，发现这些粒子永不停息地做无规则运动。后来还发现所有足够小的颗粒，如煤、化石、矿石、金属等无机物粉粒，也有同样的现象。这种现象是布朗发现的，故称布朗运动，但在很长一段时间中，这种现象的本质没有得到阐明。 1903年，齐格蒙德（Zsigmondy）发明了超显微镜，用超显微镜观察溶胶，可以发现溶胶粒子在介质中不停地做无规则的运动。对于一个粒子，每隔一定时间纪录其位置，可得到类似图9-13所示的完全不规则的运动轨迹，这种运动称为溶胶粒子的布朗运动。 图9-13 布朗运动示意图 粒子做布朗运动无需消耗能量，而是系统中分子固有的热运动的体现。固体颗粒处于液体分子包围之中，而液体分子一直处于不停的、无序的热运动状态，撞击着固体粒子。如果浮于液体介质中的固体远较溶胶粒子大（直径约大于5μm），一方面由于不同方向的撞击力大体已互相抵消，另一方面由于粒子质量大，其运动极不显著或根本不动。但对于胶体分散程度的粒子（直径小于5μm）来说，每一时刻受到周围分子的撞击次数要少得多，那么在某一瞬间粒子各方向所受力不能相互抵消，就会向某一方向运动，在另一瞬间又向另一方向运动，因此形成了不停的无规则运动。布朗运动的速率取决于粒子的大小、温度及介质黏度等，粒子越小、温度越高、黏度越小则运动速率越快。
气溶胶力学基础 将颗粒污染物从气体中分离出来的基本理论是气溶胶力学。所谓气溶胶是指气体介质中加入固态或液态粒子而形成的分散体系。以分散相处于悬浮状态的粒子。 2.1气溶胶粒子的基本性质 2.1.1 粒状污染物的来源 空气污染包括两方面：室外大气污染和室内污染。空气污染物的来源如图2.1所示。 图 2.1 空气污染源 2.1.2粒状污染物的分类 粒状污染物的分类方法有多种，在大气污染方面常用德林卡和哈奇德的分类方法［5］，见表2.1。 表2.1 德林卡和哈奇德粒状污染物分类方法 分类名称粒径生成方式 固体粒子 粉尘1～100 破碎、筛分、运输、机械加工、扬尘 凝结固体烟雾0.1～1 燃烧焊接、金属冶炼、熔解、蒸发、升华、凝聚烟0.001～0.3 木材、纸、布、油、煤、香烟等燃烧而形成 液体粒子霭1～100 蒸汽的凝结、化学反应、液体喷雾等雾5～50 水蒸气的凝结
不同粒径的粒子所服从德空气动力学规律是不同的，为了讨论在不同粒径范围内气溶胶粒子的空气动力学性能，在气溶胶力学研究方面，根据粒子的大小分4个区。其分类见表2.2［6］ 。还可以用克努森数Kn 作为分类依据 2/p Kn d λ= （2.1） 式中 λ——气体分子平均自由程，m ； p d ——粒径，m 。 按Kn 的分类方法见表2.2。 由分子动力理论，气体分子平均自由程为 λ= （2.2） 式中 M ——气体分子的摩尔质量，kg ； R ——气体常数，()/J kg K ； T ——绝对温度，K ； μ——动力黏度，Pa s ； ρ——气体密度，kg/m 3。 表2.2 根据不同粒径范围定义的气溶胶力学分类方法 2.1.3 气溶胶粒子的基本性质 2.1. 3.1 粒子的密度 由于颗粒表面不光滑和内部有空隙，所以颗粒表面和内部吸附着一定的空气。设法将吸附在粒子表面内部的空气排出后测得的粒子自身的密度称为颗粒的真密度p ρ。呈堆积状态存在的粒子，将包括颗粒之间气体空间在内的粉体密度称为堆积密度b ρ，若空隙率为ε，则真密度和堆积密度存在如下关系 ()1b p ρερ=- （2.3）
溶胶的制备纯化及其光电性质研究（)
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溶胶的制备、纯化及其光电性质研究电泳时间的影响 一、前言 1、实验背景 氢氧化铁溶胶的制备在工业上非常重要。目前,工业上一般选用的胶溶法工艺非常复杂。本次实验探究是以三氯化铁为原料,用凝聚法制备氢氧化铁溶胶,比较简单,适合实验中操作,而结果表明这种方法效果也是比较好的。本实验首先根据化学反应法制备了Fe（OH）３溶胶，再以火棉胶/乙醚溶液为原料制备了半透膜。通过热渗析法进行纯化。然后围绕胶体性质,进行胶体的电泳及其定量分析。 2、实验要求 1、本实验为设计探究性实验,以下操作步骤中,每一个小组需选择其中一个探究条件（但各小组所选探究条件不能相同),除了要探究的条件外，其它条件选择探究条件第一项的值。 ２、数据处理要求 （１) 将实验结果和数据整理记录; （2) 根据电泳公式计算Ｆｅ(OH)3溶胶的ζ电位; (3) 讨论ＦeＣｌ３溶液滴加速度对Ｆｅ（OH)３溶胶形成的影响; (4)讨论不同的波长的光源对Fe(OH)3溶胶Tｙndalｌ现象的影响; （5)讨论不同的外部因素对Fｅ(OH) 溶胶的ζ电位测定的影响; ３ 3、实验注意事项 (1) 刚制备好的半透膜应装满水溶出其中剩余的乙醚，装水不宜太早,致乙醚未蒸发完,加水后膜呈白色而不适用,也不宜太迟，致膜变干硬而不易取出。制成的半透膜袋如有小漏洞,只需拭干有洞的部分，用玻璃棒蘸少许火棉胶轻轻接触洞口，使之粘满,即可补好。 (2) 可分别用质量分数为1％的ＡgNO3及KCNS溶液检验Fe(OH）3溶胶中是否含有Cl-和Fe３+离子,也可通过侧溶胶电导率的方法判断溶胶的纯化程度（纯化好的Fe(ＯH）3溶胶的电导约为10-5Ω-１)。 (3) 电泳测定管须洗净并干燥，以免残余水珠及其它离子干扰。 （4) 打开电泳仪电源开关时若电流表不动，电极也未见有气泡放出，表示电极不通电，应切断电源，检查线路是否接触不良,直到线路接通为止。 （５) 两铂电极的距离是指U型管溶液导电的距离，不是水平距离。量取两电极的距离时, 要沿电泳管的中心线量取,电极间距离的测量须尽量精确。 二、实验部分
胶体的性质及其应用 一、分散系 1、分散系：一种（或几种）物质以粒子形式分散到另一种物质里所形成的混合物。 分散质：被分散成粒子的物质（一般量少） 2、分散系组成 分散剂：粒子分散在其中的物质（一般量多）物质与水混合时，一般认为是分散剂。 3、分散系分 类：、（）、 。 溶液悬浊液胶体 分 散系 粒子直径 外观 粒子组成 能否透过半透膜 能否透过滤纸 3 二、胶体 胶体的本质特征：是分散质粒子直径在～之间（可透过滤纸，不能透过半透膜）（一）胶体的性质 1. 丁达尔现象（光学性质） 实验：用激光笔垂直照射淀粉胶体，胶体，溶液。 现象：胶体内部存在一条光路而溶液没有。 结论：这种由于胶体微粒对光的散射作用形成的一条光亮的通道的现象叫丁达尔现象。 说明：应用此性质可对溶液和胶体进行区分。 例子：灰尘， 提问：能否说一种液体只要有丁达尔效应，就是胶体？ 2. 布朗运动（动力学性质） 引入：胶粒较小而轻，它在水中的运动情况如何 实验：将一滴液体放在水中观察 现象：胶体扩散 解释：胶粒在不同方向受到了水分子撞击的力量大小不同，所以运动方向在每一瞬间都在改变，因而形成无秩序的不停的运动，这种现象叫布朗运动。 例子：花粉放于水中、空气中的灰尘、粉笔灰放于水中 3. 电泳（电学性质） 实验：将胶体放在U形管中，一端加导电 现象：阴极附近颜色加深 分析：阴极附近颜色加深→胶粒带正电荷在电场作用下向阴极移动→胶体直径小→表面积大→吸附能力强→只吸附阳离子，因而带正电荷。 结论：电泳：在电场作用下，胶体的微粒在分散剂里向阴极或阳极作定向移动的现象叫电泳。 < 胶粒带电的一般规律 > A. 带正电的胶粒：金属氧化物、金属氢氧化物 FeO(与陶土的分离)、Fe（OH）3、Al（OH）3