大气微尘颗粒光散射测量及模型建立

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1、大气微尘颗粒光散射测量及模型建立在明确了此次设计的目的意义，并且对国内外的发展现状进行了比较和分析之后，接下来需要介绍的是在本次设计中所采用的光散射测量原理和数学模型的建立过程，在此之前，首先应该明确大气微尘的含义和几何形状，以便以后合理估计大气微尘的直径。2.1大气微尘介绍气溶胶主要成分之一，由半径为1,100μm的固体微粒组成，悬浮于大气中。大气微尘有天然的和人为的两种:前者主要有火山灰、地表扬尘、海水溅沫蒸发后的盐晶、森林火灾的烟尘、微陨石等;后者主要是工厂排放物和核试验的放射性微尘等。有些室内的微尘还含有纤维、毛发和木屑等。大气中，对人们生活影

2、响较大的主要为PM2.5，PM2.5指的是空气动力学当量直径小于或等于2.5μm且密度为1gm3的颗粒物(可悬浮于空气中的固态和液态的微粒)。富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。因此，在此次设计中也主要测量该范围的大气微尘直径。燃煤排放的PM2.5从形态上可分出球形颗粒和非球形颗粒，燃煤排放的PM2.5以球形颗粒为主，但随着颗粒物粒径的减小，非球形颗粒的数量有所增加这为大气颗粒物的源识别提供了必要的依据。在场发射电镜下(FESEM)，燃煤电厂排放的PM2.5的表面特性如图2-1所示:———

3、———————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------图2-1PM2.5的表面特性可见多数PM2.5的表面并不光滑，而是布满了纳米级的细微颗粒。这反映出燃煤飞灰中，不同颗粒之间存在逐级吸附的现象，即粗颗粒(粒径>2.5μm)表面吸附细颗粒。而细颗粒表面吸附粒径更小的颗粒物。这些细颗粒物在贮存或者利用过程中极易飞扬，进入大气环境，从而对环境造成

4、一定的危害。中国环境监测总站副站长傅德黔介绍:“PM2.5或者叫细粒子，放到显微镜底下，能看见颗粒物有不同的形状，有发亮的、像晶体一样的颗粒物;也有像沙漠里石头一样的颗粒物;还有一些比较均匀、比较细微的颗粒物”。在我们生活的环境中，常见的几种PM2.5的产生途径通常有燃煤，汽车尾气等。主要来源是燃煤的单个球状的微尘我们称之为“飞灰球”，而来源于机动车尾气排放的一串颗粒相连呈现出链状的以及像葡萄一样的簇状颗粒，所以在此设计对大气微尘直径进行估计时，模型采用球型来做计算。2.2光散射法测量尘埃粒子基本原理虽然系统的构造都不相同，但是他的基本理论都是运用微粒

5、对光的散射原理，而散射法是目前微粒浓度测试中应用最广泛的方法。当激光光源发出一束光，经扩束器扩束、准直、聚光并入射进入气流通道，光被大气中的尘埃粒子散射，将光散射向各个方向，其各方向散射光强的大小决定于光的波长和微粒的大小，如大气尘埃粒子在其空间上均匀分布，而且浓度不高时，则在一定方向上的某一立体角内所——————————————————————————————————————-----------------------------------------------------------------------------------------

6、-------接收到的散射光强与尘埃粒子浓度成正比。其测量原理图如图2-2所示。图2-2散射光测量大气尘埃粒子浓度原理图按照散射光与入射光频率之间的关系，光散射分为两大类:第一类，弹性光散射。第二类，非弹性光散射。当散射光的频率和入射光的频率相同时，称为第一类光散射即弹性光散射，例如:瑞利散射。当散射光的频率和入射光的频率不相同时，称为第二类光散射即非弹性散射，例如:拉曼散射。散射光的偏振方向、强度、及光谱成分反映了散射介质的性质。(1)瑞利散射定理瑞利在经过了反复多次的计算研究的基础上，于1871年，提出了著名的瑞利散射公式。当光线入射到乳状液、胶体

7、溶液等不均匀介质中时，介质就会因折射率的不均匀产生散射光。瑞利的研究表明了，即使在均匀介质中，由于介质中分子质点所做的不停的热运动，破坏了分子与分子之间固定的位置关系，从而就产生了一种分子散射，这就是瑞利散射。瑞利通过计算得出，分子所散射的光的强度与入射光的波长(或频率)有关，即四次幕的瑞利定理。当入射光波长大于粒子的大小时，入射光强I。与散射光强Ir和悬浮粒子浓度等参数之间的关系由下式:222???1?cos2??9?2?n?n?2?(2-1)???NI???ro??2?4r2?n2?2n2???1??2式中I0-入射光强度;————————————

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