第六章--大气污染及防治.

第七章大气污染及其防治大气概述大气污染大气污染控制全球气候环境变化大气概述大气的成分大气的分层大气边界层主要特征大气成分大气圈的总质量约6000万亿吨，只占地球总质量的百万分之一。地心引力使大气质量集中在下部，50％在5km以下，75％在10km以下，90％在30km以下。氧浓度的大小决定了生物的演化过程。生物圈与大气圈之间通过光合作用，呼吸作用及残体分解作用等，形成物质及能量交换，保持大气圈的成分稳定。大气圈的成分平衡受到破坏，将直接影响生物圈的生态平衡。臭氧甲烷＋二氧化碳二氧化碳的温室效应•50年内消失，太平洋岛国被迫举国迁移•由8个珊瑚岛组成的图瓦卢、邻国基里巴斯以及印度洋上的马尔代夫波涛吞噬世界第二小国图瓦卢波涛吞噬世界第二小国图瓦卢原来欢乐平静的图瓦卢现在岛国居民家园一片汪洋“我们面临失去3个国家的现实可能:图瓦卢、邻国基里巴斯以及印度洋上的马尔代夫,”澳大利亚问题研究所负责人克莱夫·汉密尔顿博士说,“或许,人们将来在英联邦运动会上将举着(这些国家的)旗帜,以纪念这些消失在波涛下的国度。”大气污染•大气污染的定义•大气污染的分类•主要污染物的迁移转化规律•我国大气环境的特征•大气污染的危害大气污染的定义•ISO定义：–指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害环境的现象。大气污染的分类•按其影响所及范围可分为四类：–局部性污染–地区性污染–广域性污染–全球性污染•温室效应与全球气候变暖、酸雨、臭氧层空洞•天然源–火山喷发：排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、HF及火山灰等颗粒物。–森林火灾：排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、HC等。–自然尘：风砂、土壤尘等。–森林植物释放：主要为硫酸盐与碳氢化合物。–海浪飞沫：颗粒物主要为硫酸盐与亚硫酸盐。大气污染源大气污染源•人为源：人类的生产活动和生活活动所形成的污染源。1.工业污染源：•工业生产过程、工业燃料的燃烧2.农业污染源：•农业燃料、有机农药3.生活污染源：•民用炉灶、生活取暖、垃圾焚烧4.交通污染源：•汽车尾气排放大气污染物的分类按化学性质分：可划分为8类。1）碳氧化物：CO、CO2。2）氮氧化物：NO和NO2，用NOx表示。3）硫氧化物：SO2等，用SOx表示。4）碳氢化合物：包括醛、酮和H－C－O化合物。5）卤素化合物：HF、HCl、氟利昂。6）氧化剂：O3、PAN和过氧化物等。7）颗粒物及气溶胶8）放射性物质大气污染物的分类•按迁移转化过程分：•一次污染物：–指直接从各类污染源排出的物质。可分为：•非反应物质，其性质较稳定；•反应性物质，性质不稳定，在大气中常与某些其它物质产生化学反应或作为催化剂促进其它污染物产生化学反应。•二次污染物：–反应性的二次污染物与大气中的其它组分反应形成的物质。如二次污染物硫酸烟雾（又称硫酸气溶胶）形成过程。往往二次污染物比一次污染物的危害大得多。气溶胶OHSOHSOHSOSOOHSOHsoson2m42OH42OH3催化或光化学反应22423222大气污染物的分类污染物一次污染物二次污染物含硫化合物SO2、H2SSO3、H2SO4、MSO4碳的氧化物CO2、CO2无含氮化合物NO、NH3NO2、HNO3、MNO3、O3碳氢化合物CmHm醛、酮、过氧乙酰基硝酸酯卤素化合物HF、HCl无大气污染的分类•根据能源性质和大气污染物组成和反应，分为：–煤炭型：一次污染物为烟气，粉尘和二氧化硫。二次污染是硫酸及其盐类所构成的气溶胶。–石油型：一次污染物为烯烃，二氧化氮以及烷，醇，羟基化合物等。二次污染物为臭氧，氢氧基等。–混合型：以煤及石油为燃料的混合燃烧所排放的污染物。–特殊型：某些工矿企业排放的特殊气体所造成的污染，如氯气、金属蒸汽或硫化氢、氟化氢等气体大气污染物的分类•物理状态：气溶胶（颗粒物）、气体–其中90％以气体形式存在，10％以气溶胶形式存在。颗粒物可表示为：降尘和飘尘。–来源：化石燃料的燃烧、采矿生产、冶金生产、水泥生产和其他种种有大量粉沉产生的生产过程；交通运输TSP100um降尘30umPM10PM2.5飘尘大气环境中主要污染物的迁移转化规律•一氧化碳•硫化氢和二氧化硫•氮氧化物•碳氢化合物HC一氧化碳的迁移转化•来源–人为源主要来自汽车尾气和化石燃料的燃烧；–自然源主要来自海洋、森林火灾和森林中释放出的烯烃化合物及其它生物体的燃烧；–甲烷和其它碳氢化合物的氧化对大气一氧化碳的贡献。•最终归宿–在大气中氧化转化成CO2–被土壤吸收–尽管人为活动排放的CO量逐年增加，但全球CO平均浓度却没有什么变化，这可能由于CO寿命较短最终转化为CO2，不可能在大气中累积之故。硫化氢的迁移转化•H2S主要来自陆地生物源和海洋生物源，人为来源很少。–陆地生态系统产生H2S的过程与CH4的产生过程类似。–如果缺氧土壤中富含硫酸盐，厌氧微生物（还原菌）则将其分解还原成H2S。–大气中H2S的浓度陆地高于海洋，乡村高于城市。H2S在大气中残留的时间可达40天。•H2S在大气中最终会氧化为SO2–由于H2S、O2、O3均溶于水，所以在云雾中氧化反应速度很快，特别是有过渡金属元素存在时，这种氧化过程进行得更快。二氧化硫的迁移转化•SO2来自自然源和人为源–自然源是火山爆发和还原态硫化物（H2S）的氧化；–人为源是化石燃料（主要是煤）的燃烧，其次是有色金属冶炼、石油加工和硫酸制备等。•SO2进入大气圈后会发生一系列氧化反应，形成H2SO4、硫酸盐和有机硫化合物。•一般认为SO2的氧化过程有两种途径，即催化氧化和光化学氧化。•催化氧化–在清洁干燥的大气中，SO2被缓慢地氧化成SO3。但在电厂烟气中SO2被氧化的速度非常快，其氧化速率是清洁干燥大气的10～100倍，这与SO2在溶液中有催化剂存在条件下的氧化反应相似，其总反应方程式可表示为：在上述反应中，催化剂是指MnSO4、FeSO4、MnCl4、FeCl2等金属盐类。–催化氧化的基本机理是：由于Mn、Fe的硫酸盐和氧化物常常以微粒的形式悬浮在空气中，当湿度高时，这些颗粒物就成为凝结核与水合成液滴。二氧化硫的迁移转化•光化学氧化–在低层大气中，SO2受太阳辐射时被缓慢地氧化成SO3。但是，一旦生成SO3，它便迅速地与大气中的水蒸气反应转变为H2SO4。如果含有SO2的大气中同时存在氮氧化物和碳氢化合物，则SO2转化为SO3的速度将大大提高，并经常伴随着大量气溶胶的形成。–在阴天，相对湿度高和颗粒物浓度大的条件下，SO2的转化途径以催化氧化为主；在晴天，相对湿度低，大气中同时含有氮氧化物和碳氢化合物时，尤其是颗粒物含量很少时，SO2的转化途径则以光化学氧化为主。二氧化硫的迁移转化二氧化硫的迁移转化氮氧化物的迁移转化•N2O，NO，N2O3，NO2，N2O5•N2O5和N2O3在大气条件下易分解成NO和NO2，即–N2O3→NO＋NO2–N2O5→N2O3＋O2•通常把这两种氮氧化物统称为奇氮。•NO，NO2是主要的大气污染物，常用NOx表示。•NOx既有自然来源又有人为来源。–自然源主要来自生物圈中氨的氧化、生物质的燃烧、土壤的排出物、闪电的形成物和平流层进入物。–人为来源主要指燃料燃烧、工业生产和交通运输等过程排放的NOx。•NOX的最终归宿是形成硝酸和硝酸盐。–大颗粒的硝酸盐可直接沉降到地表和海洋中，小颗粒的硝酸盐被雨水冲刷也沉降到地表和海洋中。氮氧化物的迁移转化氮氧化物的迁移转化碳氢化合物HC的迁移转化•碳氢化合物主要包括烷烃、烯烃、炔烃、脂环烃和芳香烃。–自然排放量占95％，主要为甲烷和少量烯类化合物。–人为排放量占世界总排放量的5％，主要来自汽车尾气、燃料燃烧、有机溶剂的挥发、石油炼制和运输等。•HC进入大气后发生一系列的化学变化，主要是氧化过程。–这些HC可与各种自由基——OH，HO2，RO2和O及O3反应。光化学烟雾形成过程光化学烟雾形成的三个条件：紫外线、烃类物质、NOx1.NO＋O2→NO22.NO2＋hv→NO＋O3.O＋O2→O34.O3＋NO→NO2＋O25.O＋HC→R＋RCO6.O3＋HC→RCO2＋RCHO＋R2CO7.R＋O2→RO28.RO2＋NO→RO＋NO29.RO2＋NO2→RONO210.RCO2＋NO→NO2＋RCO11.RCO＋NO2＋O2→RCO3NO2（PAN）我国大气环境的特征1.普遍受到尘、SO2为主的烟煤型污染；2.在大城市或特大城市要注意NOX的污染来源：主要是汽车；3.酸雨；4.局部地区的污染，如：–氧化物：包头、抚顺、昆明等；–铅：沈阳、广州、长春、上海等。酸雨•pH＜5.6的雨、雪或其他降水。•我国酸雨特点如下：–以长江为界，南方酸雨多于北方；–我国酸雨属硫酸型；–降水酸度有明显的季节性，一般冬季雨水pH值低，夏季pH值高；–城区的酸雨比郊区严重。中国的酸雨情况大气污染的危害•大气污染对人体的危害–途径有三：•通过人的呼吸直接进入人体；•通过食物与饮水进入人体；•通过皮肤接触经毛孔进入人体。–影响•急性中毒•慢性危害•精神上的影响•颗粒物：–粒度决定着粉尘向肺泡的侵入以及沉降的速度。0.5～5μm的粒子可直接进入肺泡并在肺内沉积，还可能进入血液送往全身，其危害最大。在被污染的大气中已经发现了许多有毒颗粒物和致癌物，如金属尘、石棉和芳香烃等。•二氧化硫：–二氧化硫对人体的主要影响是造成呼吸道内径狭窄。结果使空气进入肺部受到阻碍。浓度高时出现呼吸困难，造成支气管炎和哮喘病，严重者引起肺气肿，甚至致人于死。–二氧化硫还能与血液中的维生素B1结合，使体内维生素C的平衡失调，从而影响新陈代谢活动。二氧化硫还能抑制或破坏某些酶的活性，从而影响生长发育。–另外，二氧化硫与大气中颗粒物结合产生“协同作用”，此作用对人体健康危害更为严重。1952年12月伦敦的烟雾事件就是最好的说明。大气污染对人体的危害大气污染对人体的危害•一氧化碳：–一氧化碳对人体的毒性作用，在于其同血液中血红蛋白的化合反应，血红蛋白同一氧化碳的结合能力比它同氧气的结合能力大得多，大约为210倍。–因此，人一旦吸入一氧化碳，它就和血红蛋白结合起来，减少了血液的载氧能力，使身体细胞得到的氧减少。最初危害中枢神经系统，发生头晕、头痛、恶心等症状，严重时窒息、死亡。•臭氧：–臭氧对人体健康的影响主要是危害肺部和气管。对于大多数健康人，其浓度达到千万分之三时就开始有严重的刺激。随着浓度的增加，症状逐渐严重。但是，一旦脱离接触，就会很快完全恢复常态。大气污染对人体的危害•其它有害物质–铅：主要来源于汽车防爆剂四乙基铅。铅是生物酶的抑制剂、随血液分布到软组织和骨骼中。铅中毒轻则消化不良、神经衰弱、腹绞痛、贫血，重则肢体麻痹、脑中毒。–镉：易蓄积于肝脏、肾脏和肠黏膜上，引起疼痛病，如日本富山骨痛病。–氟：对眼睛及呼吸道有强烈的刺激作用，吸入高浓度可引起肺水肿和支气管炎。–氯：同氟大气污染对植物的危害•急性危害–是指在高浓度污染物影响下，短时间内产生的危害，使植物叶子表面产生伤斑，或者直接使叶片枯萎脱落。•慢性危害–是指在低浓度污染物长期影响下产生的危害，使植物叶片褪绿，影响植物生长发育，有时还会出现与急性危害类似的症状。•不可见危害–是指在低浓度污染物影响下，植物外表不出现受害症状，但植物生理已受影响，使植物品质变坏，产量下降，对病虫害的抵抗能力减弱。大气污染对植物的危害•对植物生长危害较大的大气污染物主要是二氧化硫和氟化物。•二氧化硫所引起的受害部位多在叶脉间，•氟化氢所引起的受害部位多在叶缘和叶端。•二氧化硫危害植物的机制也有两种不同的说法：–一是二氧化硫被吸收后在植物体内氧化为硫酸，给植物的细胞和组织以伤害；–另一种说法是二氧化硫与植物代谢过程中产生的α-醛化合，生成α-羟基磺酸盐，这种物质有破坏细胞结构的作用。大气污染对植物的危害•臭氧–对植物的危害主要是从叶背气孔侵入，通过周边细胞、海绵细胞间隙