第五章环境保护与化学

第第五五章章环环境境保保护护与与化化学学本章思考题1、解释总悬浮颗粒物、飘尘、降尘，简述微粒三种最重要的表面性质。2、简述酸雨的形成必须具备的几个条件，酸雨的化学组成和关键性离子组分都有哪些？3、简述温室效应的危害并说明：（1）H2O和CO2的分子具有何种特征使他们能够吸收红外辐射？（2）为什么CFCs比如CFC-11、CFC-12等目前能够成为十分有效的温室气体？（3）除了H2O和CO2、CFCs，再列举出两种其他的温室气体。4、简述O3的生成与损耗的动态平衡化学机制以及O3层破坏的催化反应机理。5、光化学烟雾形成的必要条件？用反应式表示出光化学烟雾发生的简化化学机制。6、如何定义天然水中的酸度和碱度？通常用哪些物质中和酸性废水和碱性废水？7、简述污染水体中常见的金属离子污染物及其存在形式。8、什么是需氧污染物？什么是富营养化污染？水体的富营养化污染会产生什么后果？9、天然水体中存在哪几类颗粒物？简述水中主要无机物的分布和存在形态。（一）地球大气层的结构1、对流层：地球大气层靠近地面的一层。它同时是地球大气层里密度最高的一层，它蕴含了整个大气层约75%的质量，以及几乎所有的水蒸气及气溶胶。平均厚度12km，赤道19km，两极8-9km；夏季厚，冬季薄。是天气变化最复杂的层次。特点:（1）气温随高度升高而降低，高度每增加l00m，气温约下降0.65℃。（2）空气密度大。（3）天气复杂多变。（4）对流层下部湍流。对流层中气象条件复杂，既有形成污染物易于扩散的条件，又会出现污染物。2、平流层对流层层顶之上约55km处的大气。特点：（1）大气稳定，温度垂直分布。（2）平流层内垂直对流运动很小，平流运动占显著优势。（3）空气比下层稀薄，水汽、尘埃含量很少，很少有天气现象，透明度极高。（4）在15-35km的范围内（平流层上层），厚度约20km的臭氧层。3、中间层从平流层顶约85km高处的大气为中间层。无臭氧组分，气温随高度的增加而迅速降低。特点：（1）空气更稀薄（2）无水分（3）温度随高度增加而降低，中间层顶，气温最低（-100℃）（4）中间层中上部，气体分子（O2、N2）开始电离。4、热层从80km到约800km的地方特点：（1）温度随高度增加迅速增高；（2）大气更为稀薄;（3）大部分空气分子被电离成为离子和自由电子，又称电离层，可以反射无线电波5、散逸层800km以上高空特点：（1）空气稀薄，密度几乎与太空相同（2）空气分子受地球引力极小，所以气体及其微粒可以不断从该层逃逸出去5.2.2大气污染物的来源（一）大气污染的定义大气污染：由于人类活动或自然过程向大气中排入了一些有害物质，当排放量足够大（即污染物浓度达到一定程度）时，使原来洁净的空气品质下降，若这种情况维持时间足够长，便会对人类、动物、植物和大气中的物品产生危害和不良影响，这种大气状态称为大气污染。大气污染物的来源分为两种：天然源和人为源。1、天然源：（1）自然尘（2）森林、草原火灾（3）火山活动（排放出SO2、硫酸盐尘等颗粒物）（4）森林排放（主要为萜烯类碳氢化合物）（5）海浪飞沫（颗粒物主要为硫酸盐和亚硫酸盐）（6）海洋浮游植物，海洋表层（二甲基硫等挥发性含硫气体）2、人为源（1）燃料燃烧（2）工业排放（3）固体废弃物的焚烧（4）农业活动排放（5）生物质（三）常见主要大气污染物常见的主要大气污染物主要包含：含硫化合物、含氮化合物、碳氧化合物、含卤素化合物、挥发性有机物、颗粒污染物等。1、含硫化合物SO2SO2是无色有刺激性臭味的气体，当浓度为1～5ppm时就可闻到臭味，5ppm时长时间吸入可引起心悸、呼吸困难等心肺疾病。重者可引起反射性声带痉挛，喉头水肿以至窒息。最主要的是一定条件下二氧化硫可以进一步与氧气反应形成三氧化硫，即2SO2+O2=2SO3，而三氧化硫易溶于水形成硫酸颗粒形式的气溶胶，SO3+H2O=H2SO4，若呼入这种气溶胶，易于被肺部组织吸收，对人体造成严重伤害。而且可以形成酸雨，主要是硫酸型酸雨。对酸雨的一般认识：pH值小于5.6的雨雪或其它形式的大气降水称为酸雨。最早引起注意的是酸性降雨，所以习惯上统称为酸雨。酸雨的化学组成：阳离子——H+、Ca2+、NH4+、Na+、K+、Mg2+阴离子——SO42-、NO3-、Cl-、HCO3-酸雨中对酸性成分有重要影响的几种物质：@大气中SO2、NOx经过气相、液相或者在气液界面转化为HNO2、HNO3、H2SO4等导致pH的降低；@在转化过程中O3、H2O、HO2、HO等成为重要氧化剂@Fe、Mn等金属离子在氧化过程中扮演了催化剂的重要角色；@大气中NH3、Ca2+、Mg2+等则使降水的pH有升高的趋势。因此多数情况下，降水的酸碱性取决于该地区大气中酸碱物质的比例关系。酸雨中的关键性离子组分：Cl-和Na+主要是来自海洋，浓度相近，对降水酸度不产生影响。阴离子中SO42-占绝对优势；阳离子中，H+、Ca2+、NH4+占80%以上。酸雨区与非酸雨区，阴离子SO42-+NO3-相差不大，而阳离子Ca2++NH4++K+浓度相差却较大。酸雨的形成必须具备以下几个条件(1)污染源条件即酸性污染物的排放以及转化条件。如果大气中二氧化硫的排放量较大，污染严重，降水中SO42-的浓度就高，pH就低。(2)大气中的气态碱性物质浓度较低，对酸性降水的缓冲能力很弱。氨是大气中唯一的常见气态碱。由于它的水溶性，能与酸性气溶胶或雨水中的酸反应，中和作用而降低酸度。在大气中，氨与硫酸气溶胶形成中性的硫酸铵，SO2也可由于与NH3的反应而减少，避免了进一步转化成酸。大气中氨的来源主要是有机物分解和农田施用的氮肥的挥发。(3)大气中颗粒物的酸碱度及其缓冲能力，许多研究表明，降水的pH不但取决于某一地区排放酸性物质的多少，而且和该地区的土壤酸碱性质有很大关系，如果碱性土壤中颗粒到大气中后和酸性物质中和，不易形成酸雨。但是颗粒上的金属离子往往容易成为二氧化硫氧化的催化剂，加剧酸雨的形成，我国很多地方的大气中颗粒物浓度较高，在酸雨研究中不容忽视。颗粒物作用是：所含的催化金属促使SO2氧化成酸,二是对酸起中和作用。(4)天气形式的影响，如果地形和气象条件有利于污染物的扩散，则大气中污染物的浓度降低，酸雨就减弱，反之则会加重。重庆地区燃煤量仅仅相当于北京的1/3，但是每年由于重庆地区山地不利于污染物扩散，所以容易形成酸雨。SO2主要是由火力发电厂、石油化工厂、有色金属冶炼厂、使用硫化物的企业、如造纸厂、丝缫厂等产生的。硫氧化物产生的主要原因是含硫燃料（煤中含硫0.5%～5%，石油中含硫0.5%～3%）的燃烧反应产生的S+O2=SO2。硫氧化物的另一个主要来源是从硫化物矿中提取某些金属的过程，矿石在氧化焙烧过程中总是要排放出二氧化硫，如金属锌冶炼过程中的第一步反应2ZnS+3O2=2ZnO+2SO2。H2S:大气中的H2S人为源排放量不大，主要是天然源排放的，除了火山活动外，H2S主要来自动植物机体的腐烂。2、含氮化合物•NO是无色无味的气体，微溶于水，与易燃物、有机物接触易着火燃烧，在空气中易被氧化成二氧化氮。而二氧化氮有强烈毒性。二氧化氮是棕红色的刺鼻气体，吸入气体初期仅有轻微的眼及上呼吸道刺激症状，如咽部不适、干咳等。常经数小时至十几小时或更长时间潜伏期后发生迟发性肺水肿、成人呼吸窘迫综合征，出现胸闷、呼吸窘迫、咳嗽、咳泡沫痰等，可并发气胸及纵隔气肿。肺水肿消退后两周左右可出现迟发性阻塞性细支气管炎。•二氧化氮还是酸雨的成因之一，主要形成的是硝酸型酸雨。此外，氮氧化物是“光化学烟雾”的引发剂之一。•一般情况下空气中的氮和氧并不能直接反应生成氮氧化物，但是当空气遇到高温，如工厂采用煤的高温燃烧时，汽车内燃机中温度也非常高，这时氮气和氧气就会化合生成两个一氧化氮分子，即N2+O2=2NO，随后一氧化氮非常容易与大气中的氧气反应生成二氧化氮，2NO+O2=2NO2，此反应的发生一般需要一氧化氮的浓度较高时反应的速率才比较快。城市大气中氮氧化物约2/3来自汽车等流动源的排放。NH3：大气中的NH3不是重要的污染物，它主要来自动物废弃物、土壤腐殖质的氨化、土壤NH3基肥料的损失及工业排放。3、碳氧化合物•CO是一种无色无味的气体，它对血液中的血色素亲和能力比氧大210倍，一氧化碳进入体内后会立刻与血红蛋白结合，从而阻碍血红蛋白输送氧的功能，能引起严重缺氧症状。当CO达到约100ppm（1ug/mL）时就可以使人感到头痛和疲劳。不过CO对植物没有影响和危害。•CO2是一种无色无味的气体，密度比空气略大，无毒，是一种窒息性气体。在空气中通常含量为0.03％（体积），若含量达到10％时，就会使人呼吸逐渐停止，最后窒息死亡。CO2是产生温室效应的主要作用者，当二氧化碳在大气层中的含量增加，会使地面反射的红外辐射大量截留在大气层中，导致大气层温度升高，形成温室效应。而温室效应会使全球气候变暖，从而导致海平面上升，另外还会使气候移动，造成物种的变化，而且水的贮存、分配等都会受到影响。4、含卤素化合物•氟利昂平流层中氟利昂分子受紫外光照射，首先产生非常活泼的氯原子CF2Cl2(g)=CF2Cl(g)+Cl(g)CF2Cl2(g)=CF2(g)+2Cl(g)CFCl3(g)=CFCl2(g)+Cl(g)CFCl3(g)=CFCl(g)+2Cl(g)反应中产生的Cl原子导致O3分子是在上述两个反应组成的链反应中不断被消耗，同时又不断产生新的Cl原子。Cl(g)+O3(g)=O2(g)+ClO(g)ClO(g)+O(g)=Cl(g)+O2(g)•氟利昂是20世纪20年代合成的，其化学性质稳定，不具有可燃性和毒性，被当作制冷剂、发泡剂和清洗剂，广泛用于家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等领域。•20世纪80年代后期，氟利昂的生产达到了高峰，产量达到了144万吨。在对氟利昂实行控制之前，全世界向大气中排放的氟利昂已达到了2000万吨。由于它们在大气中的平均寿命达数百年，所以排放的大部分仍留在大气层中，其中大部分仍然停留在对流层，一小部分升入平流层。5、有机污染物挥发性有机污染物（Volatileorganiccompounds,VOC)常压下沸点低于260度的有机化合物，碳原子数小于12，易挥发，许多有毒。主要来自机动车和燃料排气、石油炼制和有机化工生产，有机溶剂的使用，建筑材料的挥发。6、颗粒污染物大气是由各种固体和液体微粒均匀分散在空气中形成的一个庞大的分散体系，可以称为气溶胶体系。气溶胶体系中分散各种粒子称为大气颗粒物，它们可以使无机或有机，可以使固态或液态。大气颗粒物的分类粉尘（微尘、Dust）颗粒直径：1～100um，固体；机械粉碎的固体微粒，风吹扬尘，风沙。烟(烟气，Fume)颗粒直径：0.01～1um；物态：固体；生成、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：1～200um；物态：固体；生成、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：2～200um；物态：液体；生成、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10um；物态：液体；生成、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：～0.1um；物态：固体；生成、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)0.01～5um；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）0.001～2um；固体；粒径在2um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0.5um使大气呈淡褐色