环境化学课件-南开大学-孙红文博导-最新版本201603第二章

《环境化学》第二章大气环境化学2-1第二章大气环境化学Chapter2.EnvironmentalChemistryinAtmosphere《环境化学》第二章大气环境化学2-2内容提要及重点要求主要介绍大气结构，大气中的主要污染物及其迁移，光化学反应基础，重要的大气污染化学问题及其形成机制。要求了解大气的层结结构，大气中的主要污染物，大气运动的基本规律。掌握污染物遵循这些规律而发生的迁移过程，特别是重要污染物参与光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成过程和机理。还应了解描述大气污染的数学模式和酸雨、温室效应，以及臭氧层破坏等全球性环境问题。《环境化学》第二章大气环境化学2-3第一节大气的组成及其主要污染物2.1AtmosphericCompositionandPrimaryPollutants《环境化学》第二章大气环境化学一、大气的主要成分(MainCompositionsoftheAtmosphere)二、大气层的结构(StratificationoftheAtmosphere)三、大气中的主要污染物(PrimaryPollutantsintheAtmosphere)《环境化学》第二章大气环境化学2-4一、大气的主要成分(MainCompositionsoftheAtmosphere)大气的主要成分（体积分数）包括：N2（78.08%）、O2（20.95%）、Ar（0.943%）和CO2（0.0314%）。几种惰性气体：He（5.24×10-4）、Ne（1.81×10-3）、Kr（1.14×10-4）和Xe（8.7×10-6）的含量相对比较高。水蒸气的含量是一个可变化的数值，一般在1%～3%。痕量组分，如H2（5×10-5）、CH4（2×10-4）、CO（1×10-5）、SO2（2×10-7）、NH3（6×10-7）、N2O（3×10-5）、NO2（2×10-6）、O3（4×10-6）等。《环境化学》第二章大气环境化学2-5GasorSpeciesVolumePercentaMajorSourcesProcessforRemovalfromtheAtmosphereCH42×10-4BiogenicbPhotochemicalCO1×10-5Photochemical,anthropogeniccPhotochemicalN2O3×10-5BiogenicPhotochemicalNOxd10-10~10-6Photochemical,lightning,anthropogenicPhotochemicalHNO310-9~10-7PhotochemicalWashedoutbyprecipitationNH36×10-7BiogenicPhotochemical,washedoutbyprecipitationH25×10-5Biogenic,photochemicalPhotochemicalH2O210-8~10-6PhotochemicalWashedoutbyprecipitationHO·e10-13~10-8PhotochemicalPhotochemicalHO2·e10-11~10-9PhotochemicalPhotochemicalH2CO10-8~10-7PhotochemicalPhotochemicalCS210-9~10-8Anthropogenic,biogenicPhotochemicalOCS10-8Anthropogenic,biogenic,photochemicalPhotochemicalSO22×10-7Anthropogenic,photochemical,volcanicPhotochemicalI2trace--CCl2F2f3×10-5AnthropogenicPhotochemicalH3CCCl3g~1×10-8AnthropogenicPhotochemicalAtmosphericTraceGasesinDryAirNearGroundLevelaLevelintheabsenceofgrosspollution;bFrombiologicalsources;cSourcesarisingfromhumanactivities;dSumofNO,NO2,andNO3,ofwhichNO3isamajorreactivespeciesintheatmosphereatnight;eReactivefreeradicalspecieswithoneunpairedelectron,transientspecieswhoseconcentrationsbecomemuchloweratnight;fAchlorofluorocarbon,FreonF-12;gMethylchloroform.FromEnvironmentalChemistry,S.E.Manahan,CRCPress,2004《环境化学》第二章大气环境化学2-6地表大气的平均压力为101300Pa，相当于每平方厘米地球表面包围着1034g的空气。地球的总表面积为510100934km2，所以大气总质量约为5.3×1018kg，相当于地球质量的10-6倍。大气随高度的增加而逐渐稀薄，其质量的99.9％集中在50km以下的范围内。海拔高度大于100km的大气中，大气质量仅是整个大气圈质量的百万分之一。《环境化学》第二章大气环境化学2-7第一节大气的组成及其主要污染物2.1AtmosphericCompositionandPrimaryPollutants《环境化学》第二章大气环境化学一、大气的主要成分(MainCompositionsoftheAtmosphere)二、大气层的结构(StratificationoftheAtmosphere)三、大气中的主要污染物(PrimaryPollutantsintheAtmosphere)《环境化学》第二章大气环境化学2-8二、大气层的结构(StratificationoftheAtmosphere)1.对流层（Troposphere）高度：0~(10~16)km，随纬度和季节发生变化温度：大约每上升100m，降低0.6℃空气运动：低纬度较强，高纬度较弱，夏季较强，冬季较弱密度：密度大，占大气总质量的3/4低层大气（1~2km）：摩擦层或边界层，污染物集中；自由层大气（2km以上）：自然现象；对流层顶层：水变冰，阻止水分子进入平流层，阻止了氢的损失。H2O→H+HO020406080100160200240280高度/kmT/K图大气温度的垂直分布热层中间层顶中间层平流层顶平流层对流层顶对流层《环境化学》第二章大气环境化学2-92.平流层(Stratosphere)高度：(10~16)~50km温度：同温层[对流层顶端~(30~35km)]30~35km以上开始下降空气运动：没有对流，平流为主空气稀薄，很少出现天气现象在高度15~60km，有厚约20km的臭氧层，其生成和去除过程为：O2→O+OO+O2→O3O3→O+O2O3+O→2O2吸收紫外线，放出热量，臭氧吸收热量3.中间层(Mesosphere)：50~80km4.热层（电离层）(Thermosphere)：80~500km吸收紫外线造成温度上升，空气高度电离，因此也称为电离层，占大气质量的0.5%5.逃逸层，外大气层(Exosphere)020406080100160200240280高度/kmT/K图大气温度的垂直分布热层中间层顶中间层平流层顶平流层对流层顶对流层《环境化学》第二章大气环境化学2-10Theatmosphereisdividedconceptuallyintofourregions——thetroposphere,stratosphere,mesosphere,andthermosphere——onthebasisofthedirectionoftemperaturechangewithincreasingaltitude.Therelativeamountsofthemajorgasesremainconstantforthefirst80km,but,asindicatedbythedecreasingpressurewithincreasingaltitude,theabsoluteamountofeachgasdecreases.《环境化学》第二章大气环境化学2-11thermospheremesospherestratospheretropospheretemperatureDegreeofpenetrationofincomingsolarradiationPrincipalchemicalspeciesN2,O2,N·,O·,N2+,O2+,NO+,O+N2,O2,O3N2,O2,H2O,Ar,CO2N2,O2,NO,N2+,O2+,NO+100nmtolong200nmtolong330nmtolongpressure16020024028004080400500Height/kmTemperature/KPressure/Pa10-21102104106《环境化学》第二章大气环境化学2-12大气的压力总是随着海拔高度的增加而减小：ph：高度为h时的大气压力(Pa)。p0：地面大气压力(Pa)。M：空气的平均摩尔质量(28.97g·mol-1)。g：重力加速度(981cm·s-2)。h：海拔高度(cm)。R：摩尔气体常数(8.314J·mol-1·K-1)。T：海平面热力学温度(K)。上述方程两边取对数：取地面大气压力p0=1RTMghhpp/0eRTMghpph303.2lglg0RTMghph303.2lg《环境化学》第二章大气环境化学2-13第一节大气的组成及其主要污染物2.1AtmosphericCompositionandPrimaryPollutants《环境化学》第二章大气环境化学一、大气的主要成分(MainCompositionsoftheAtmosphere)二、大气层的结构(StratificationoftheAtmosphere)三、大气中的主要污染物(PrimaryPollutantsintheAtmosphere)《环境化学》第二章大气环境化学2-14三、大气中的主要污染物(PrimaryPollutantsintheAtmosphere)一次污染物是指直接从污染源排放的污染物质，如CO、SO2、NO等。二次污染物是指由一次污染物经化学反应形成的污染物质，如臭氧（O3）、硫酸盐颗粒物等。大气污染物按照化学组成还可以分为：含硫化合物(SulfurCompounds)含氮化合物(NitrogenCompounds)含碳化合物(CarbonCompounds)含卤素化合物(HalogenCompounds)《环境化学》第二章大气环境化学2-151.含硫化合物(SulfurCompounds)大气中的含硫化合物主要包括：氧硫化碳(COS)、二硫化碳(CS2)、二甲基硫[(CH3)2S]、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、硫酸(H2SO4)、亚硫酸盐(MSO3)和硫酸盐(MSO4)等。②SO2的来源与去除：人为来源中，有60％来自煤的燃烧，30％左右来自石油燃烧和炼制过程；有50%会转化形成硫酸或硫酸根，另外50%可以通过干湿沉降从大气中被去除；③SO2的浓度特征：本底浓度一般在0.2~10μL·m-3，随不同地区发生变化。（1）二氧化硫(SulfurDioxide,SO2)①SO2的危害：刺激性气体，呼吸道危害；植物危害；《环境化学》第二章大气环境化学2-16SO2SO2SO2SO2SO2SO2SO2SSSSSSSS《环境化学》第二章大气环境化学2-17早、晚SO2排放量大，且逆温层低，大气稳定，排放的SO2不易扩散影响因素包括：高度、污染源位置与风向