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本文运用大气化学及单颗粒分析方法,研究了燃煤排放PM2.5单颗粒的物理化学特征、大气环境中PM2.5单颗粒的物理化学特征及燃煤排放的单颗粒在大气环境中的变化。设计和搭建了煤燃烧-稀释系统,进行民用煤燃烧实验,收集燃煤排放PM2.5单颗粒样品。使用带能谱的透射电镜（Transmission Electron Microscope equipped with an Energy Dispersive X-ray Spectrometer,以下简称TEM-EDX）分析不同煤种燃烧排放单颗粒的物理化学特征。根据颗粒的微观形貌、化学组分、内部结构及颗粒在电子束作用下的稳定性,建立了民用煤燃烧排放单颗粒的分类标准,并将燃煤排放的颗粒分成以下8种颗粒类型:有机、烟尘、富Si、富Ca、富S、富K、富Fe和其他颗粒,希望能补充和完善民用煤燃烧排放单颗粒的形貌和化学组分谱。为了理解燃煤源排放单颗粒在大气环境中可能发生的物理化学变化,采集燃煤电厂周围大气环境中PM2.5单颗粒样品,分析气溶胶单颗粒的粒径、形貌、化学组成和混合状态等特征。为了更好理解燃煤源排放单颗粒在远距离输送过程中可能发生的物理化学变化和大气环境作用过程的复杂性,分别采集典型城市（北京、郑州和深圳）气溶胶单颗粒样品,分析不同城市气溶胶中单颗粒特征的异同,识别燃煤源排放的典型颗粒物。将燃煤源排放单颗粒的特征与大气环境中单颗粒的特征进行对比分析,提出了燃煤源或其它污染源排放的颗粒物在大气环境中的变化过程。使用TEM-EDX分析燃煤源排放PM2.5单颗粒的理化特征。发现民用煤燃烧排放的主要颗粒类型有:有机、烟尘、富Si、富Ca、富S、富K和富Fe颗粒等。民用煤燃烧排放的烟尘多聚集在一起,呈链状。能谱分析表明烟尘颗粒的主要成分为C和少量的O,有时含有少量的S和Si元素。多数有机颗粒呈球形或近似球形,在电子束照射下非常稳定。能谱分析表明有机颗粒的元素组分主要含C和少量O,有时含有少量的Si、S、K和Cl元素。多数富Si颗粒呈不规则形状,少数颗粒为球形,能谱分析表明富Si颗粒主要含有Si、O,少量的Mg、Fe、Na、Ca、S等元素。多数富Ca颗粒呈不规则形状,少数颗粒呈板状。能谱分析表明这种颗粒类型主要含有Ca、O,少量的Na、Mg、Fe、S等元素。富S颗粒在滤膜表面呈现泡沫状是由于富S颗粒对电子束敏感,在电子束照射下迅速分解,留下泡沫状的残留物。能谱分析表明这种颗粒类型主要含有S、O,有时含有少量的K、Si等元素。多数富K颗粒为不规则形状。能谱分析表明这种颗粒类型主要含有K、O,有时含有少量的Si、S等元素。富Fe颗粒多数为不规则形状,少数为球形。能谱分析表明这种颗粒类型以Fe、O为主,少量的S、Ca、Zn、Mg、Mn等元素。尽管民用煤燃烧排放的单个球形有机颗粒与烟尘颗粒形貌及化学成分相似,但不是一种颗粒类型。从颗粒形貌上看,高分辨率透射电镜下烟尘颗粒是许多小球聚集体,由同心包裹的石墨层组成,而单个球形有机颗粒既不拥有半序状显微结构,也没有形成聚集体;从颗粒化学组成上看,有机颗粒中C元素的相对质量分数低于烟尘颗粒中C元素的相对质量分数,而有机颗粒中S元素的相对质量分数高于烟尘颗粒中S元素的相对质量分数,并且有机颗粒中有时还含有Cl和K元素。民用煤燃烧排放的单个球形有机颗粒与生物质燃烧排放焦油球的形貌（呈球形）、粒径（主要分布在100-500nm）及化学组成（以C为主,少量的O,有时含有少量的S、Si、Cl）非常相似,且相对数量丰度在23%-27%。民用煤燃烧排放的颗粒类型以富S颗粒、有机颗粒、烟尘颗粒和富Si颗粒为主,这4种颗粒类型的相对数量丰度之和为83.8%。烟煤燃烧排放烟尘和有机颗粒的相对丰度高于无烟煤,是由于烟煤的挥发分高于无烟煤。块煤燃烧排放富S颗粒的相对丰度与煤中含S量关系密切。烟煤块煤、无烟煤块煤和无烟煤型煤燃烧排放富K颗粒的相对数量丰度分别为:4.3%、7.6%、20.9%。烟煤块煤、无烟煤块煤和无烟煤型煤燃烧排放富S颗粒的相对数量丰度分别为:12.2%、40.7%、30.0%。民用煤燃烧排放富Ca颗粒的相对数量丰度较低（少于2.5%）,这可能是由于民用煤燃烧过程中炉膛温度相对较低,Ca不易蒸发出来。民用煤燃烧排放PM2.5中多数颗粒的粒径在0.6μm以下。煤燃烧排放有机颗粒、富S颗粒和富K颗粒的峰值（相对数量丰度最大）所对应的粒径均处于0.3-0.4μm范围内,而煤燃烧排放烟尘颗粒、富Si颗粒、富S颗粒和富Fe颗粒的峰值（相对数量丰度最大）所对应的粒径均处于0.2-0.3μm范围内。燃煤电厂排放富Si颗粒和富Ca颗粒的形貌多呈球形,而民用煤燃烧排放的富Si和富Ca颗粒多呈不规则形状。原因是民用煤的燃烧温度相对较低,不能使煤中大部分矿物质呈熔融状态,故生成的颗粒以非球形为主。使用TEM-EDX分析燃煤电厂周围PM2.5样品中单颗粒的粒径、形貌、化学组成、内部结构和混合状态等特征,发现燃煤电厂排放的球形富Fe颗粒和飞灰颗粒使下风向气溶胶中球形颗粒的数量增加;下风向气溶胶中富Ca颗粒和富S颗粒相对数量丰度明显高于上风向,这可能与电厂控制SO2排放使用石灰石作脱硫剂有关;电厂下风向具有核壳结构颗粒的数量明显多于上风向,其原因是来自燃煤电厂或上风向的颗粒在合适的条件下,如SO2、NOX浓度高、相对湿度大等,易与其它物质发生化学反应形成核壳结构的复杂颗粒。含Si的矿物颗粒经常与含S颗粒或有机颗粒进行混合,形成明显的核壳结构。金属颗粒经常与富S、富Cl、有机等颗粒混合,形成有明显核壳结构的复杂颗粒。其中,金属颗粒多为核,富S、富Cl、有机等颗粒多为壳。使用TEM-EDX分析3个城市（北京、郑州和深圳）PM2.5样品中单颗粒的粒径、形貌、化学组成、内部结构和混合状态等特征,发现北京、郑州和深圳气溶胶中富S颗粒相对数量丰度远高于其它8种颗粒类型,尤其是深圳市气溶胶中富S颗粒的相对丰度最高,达72.9%;北京、郑州和深圳气溶胶中富Fe颗粒主要来自燃煤源,原因是样品中富Fe颗粒多呈球形颗粒,化学组分以Fe元素为主,少量的Na、Ca、Mg、Al、Si、S等元素,这与燃煤电厂排放富Fe颗粒的形貌和化学成分非常相似;北京、郑州和深圳气溶胶中飞灰主要来自煤燃烧,飞灰区别于其它来源的显著标志在于它们特征特殊的形貌（球形）和化学组成（以Al、Si、O为主）。郑州气溶胶中飞灰的相对数量丰度明显高于北京和深圳原因是郑州使用更多的煤。深圳气溶胶中烟尘的相对数量丰度高于北京,原因是深圳采样点东东北方向2公里左右处是塘朗山隧道,过往的车辆中一部分为柴油车,柴油车排放的烟尘要多于汽油车。郑州气溶胶中烟尘的相对数量丰度高于北京和深圳,是由于郑州气溶胶中烟尘主要来自燃煤源,燃油源（主要指交通运输）对其贡献也不能忽视;北京气溶胶中有机颗粒的相对数量丰度最高,其次为深圳、郑州,其原因除北京机车保有量要明显高于深圳和郑州外,北京已进入冬季取暖季节（以燃煤为主）,使耗煤量急剧增加;郑州和北京PM2.5中颗粒峰值对应的粒径范围在0.1-0.4μm之间,其相对数量丰度分别为:70%、54%;而深圳PM2.5中颗粒峰值对应的粒径范围0.7-1.0μm之间,颗粒相对数量丰度为31%;北京、郑州和深圳气溶胶中飞灰的粒径分布范围较窄,飞灰的粒径小于0.4μm;而富S颗粒的粒径分布范围较宽,深圳、北京和郑州气溶胶中富S颗粒的峰值所对应的粒径范围分别为:0.7-1.0μm、0.4-0.7μm、0.1-0.4μm,这表明深圳气溶胶中富S颗粒的粒径最大,其次为北京、郑州。其原因是高温、高湿天气条件下,有利于富S颗粒的吸湿增长。二次生成或吸湿增长而形成的富S颗粒形貌上多呈球形或近球形。使用TEM-EDX分析北京城郊冬季取暖季节PM2.5样品中单颗粒的特征,结果表明:北京城郊样品中富S颗粒的相对数量丰度最高,飞灰的相对数量丰度最低。城郊空气中烟尘和有机颗粒的相对数量丰度要低于与燃煤排放烟尘和有机颗粒的相对数量丰度。城郊空气中颗粒的峰值所处的粒径范围在0.4-0.7μm之间;有机颗粒、飞灰和富Si颗粒的峰值所处的粒径范围在0.1-0.4μm之间,而烟尘、富Fe颗粒、富K颗粒、富Ca颗粒和富S颗粒的峰值所处的粒径范围在0.4-0.7μm之间。将燃煤源排放单颗粒的理化特征与大气环境中单颗粒的理化特征进行对比分析,探讨了燃煤源排放的矿物颗粒在大气环境中可能发生的变化过程。首先矿物颗粒吸水,在颗粒表面形成液面。然后部分酸性气体进入颗粒液面或直接与矿物颗粒发生化学反应,使矿物颗粒的成分发生改变,可以在矿物颗粒表面形成壳。接着有些颗粒继续与水和酸性气体作用,形成液体。最后溶液发生结晶或液-液分离后,形成复杂的颗粒。所形成的具有核-壳结构的复杂颗粒可能是均质性的,也可能是非均质性的。