第二章_大气环境化学-f_c.ppt

第二章大气环境化学 AtmosphereEnvironmentalChemistry 教学内容 第一节大气的组成及其主要污染物第二节大气中污染物的迁移 第三节大气中污染物的转化 第四节大气颗粒物 教学要求 了解大气的层结结构 组成和基本性质 大气中的主要化学反应与大气中的主要污染物及其影响 掌握光化学烟雾 酸雨 温室效应以及臭氧层破坏等全球性大气环境问题的形成过程 机理和危害 了解控制和防治大气污染的方法 第一节大气的组成及其主要污染物 大气环境化学主要研究大气环境中污染物质的化学组成 性质 存在状态等物理化学特性及其来源 分布 迁移 转化 累积 消除等过程中的化学行为 反应机制和变化规律 探讨大气污染对自然环境的影响等 大气的组成及其主要污染物 大气与生命的关系 大气是一切生物体能量的直接供应者 是植物光合作用所需CO2 O2的来源 并提供了构成生物体蛋白质重要的氮源 是水循环的传输体 调节器 保护作用 吸收宇宙射线 太阳紫外辐射 维持地球的热平衡 大气的组成及其主要污染物 一 大气的主要成分大气主要组分是氮和氧 其次是氩和CO2 此外还有一些稀有气体和痕量元素 如CH4 SO2 NO2 CO NH3和O3等 总和不超过0 1 还含有0 1至5 的水 正常范围为1 3 大气的总重量约为5500万亿吨 为地球重量的百万分之一 大气的组成及其主要污染物 二 大气层的结构根据温度随海拔高度的变化情况将大气分为五层 对流层平流层中间层热层逃逸层 大气的组成及其主要污染物 1 对流层 troposphere 0 18km 特点 1 气温随高度增加而降低 2 空气具有强烈的对流运动 3 气体密度大 4 天气现象复杂多变 大气的组成及其主要污染物 2 平流层 stratosphere 18 50km 特点 1 垂直对流运动很小 平流运动占主导 2 大气透明度高 很少出现天气现象 3 存在臭氧层 大气的组成及其主要污染物 3 中间层 mesosphere 50 80Km 1 气温随高度增加而迅速降低 2 对流运动非常激烈 4 热层 thermsphere 80 500Km 1 气温随高度增高而普遍上升 温度最高可升至1200 2 空气处于高度电离状态 电离层 5 逃逸层 500Km 大气的组成及其主要污染物 三 大气中的主要污染物1 概念当大气中某种物质的含量超过了正常水平而对人类和生态环境产生不良影响时 就构成了大气污染 使大气产生污染的物质称大气污染物 大气的组成及其主要污染物 2 分类按物理状态 气态污染物 颗粒物按形成过程 一次污染物 二次污染物按化学组成 含硫化合物 含氮化合物 含碳化合物 含卤化合物 大气的组成及其主要污染物 种类繁多 产生危害和受到关注的大致有100多种 目前 被列入空气质量标准的污染物主要有 颗粒物 SO2 CO NO2 CH 及O3等 早在1982年我国就颁布了 大气环境质量标准 规定了主要污染物在空气中的浓度值 大气的组成及其主要污染物 含硫化物 H2S SO2 SO3 H2SO4 SO32 SO42 有机硫化物等 来源 火山喷发 H2S SO2等 土壤厌氧微生物与植物释放 H2S SO2 陆地上降雨 SO2 SO42 风吹起的海盐 SO42 人为活动 大气的组成及其主要污染物 含氮化合物NO NO2 N2O5 NH3 NO3 NO2 NH4 硝酸盐 亚硝酸盐和铵盐等 来源 光化学反应 闪电 微生物固化 火山爆发 森林失火 人为污染 燃料燃烧 氮肥 炸药 染料等生产过程中所产生的含氮氧化物废气造成的 其中以燃料燃烧排出的废气造成的污染最为严重 大气的组成及其主要污染物 N2O N2O是无色气体 温室气体之一 含量约为0 3ppm N2O的催化循环反应 导致了臭氧的不断损耗 NOX 无色无味的NO和刺激性的红棕色NO2均是大气中的重要污染物 通常用NOx表示 大气的组成及其主要污染物 含碳化合物CO CO2 CHx 含氧烃等 来源 海洋中生物作用 植物叶绿素的分解 森林中CO2的放出 人为活动 含碳燃料燃烧不完全 CO CO2 大气的组成及其主要污染物 含卤素化合物CH3Cl CH3Br CH3I 天然源 海洋 及人类活动产生的 氟氯烃类 CFCs 完全是人为产生的 破坏臭氧层 大气的组成及其主要污染物 碳氢化合物常指C1 C8的可挥发的碳氢化合物 包含烷烃 烯烃 炔烃 脂肪烃和芳香烃等 CH4主要是由厌氧细菌的发酵过程如沼泽 泥塘 湿冻土带 水稻田底部 牲畜反刍和白蚁的墓穴等产生 汽车废气排出的碳氢化合物主要可分为两类 烃类 甲烷 乙烯 乙炔 丙烯和丁烷等 醛类 甲醛 乙醛 丙醛 丙烯醛和苯甲醛等 还有少量多环芳烃和芳烃 大气的组成及其主要污染物 大气颗粒物指浮在大气中的各种固体或液体微粒 是大气中危害最显著的物质 沉降速度极小 常用粉尘 烟 煤烟 沉粒 轻雾 浓雾 烟气等来描述 第二节大气中污染物的迁移 污染物在大气中的迁移是指由污染源排放出来污染物由于空气的运动使其传输和分散的过程 大气圈中空气的运动主要是由于温度差异而引起的 第二节大气中污染物的迁移 一 辐射逆温层大气垂直递减率 随高度升高气温的降低率 表达式 dT dz此式可表征大气的温度层结 当 0时 称为正常层或递减层 0时 称为等温层 0 即气温随高度增加而降低 但在一定情况下会出现反常现象 即气温随高度增加而增加 这种现象称为逆温 第二节大气中污染物的迁移 逆温类型 近地面层逆温 辐射逆温 平流逆温 融雪逆温 地形逆温 自由大气逆温 乱流逆温 下沉逆温 锋面逆温 辐射逆温成因 是地面因强烈辐射散失而冷却降温所形成 第二节大气中污染物的迁移 逆温形成条件 平静而晴朗的夜晚 有云和有风都能减弱逆温 如风速超过2 3m s 逆温不易形成 通常逆温傍晚开始形成 次日清晨最厚 影响 上冷下热的对流有利于污染物的扩散 而下冷上热的逆温层则会像盖子一样阻碍着气流的垂直运动 从而使得污染物不易扩散 所以逆温层又有阻挡层的叫法 第二节大气中污染物的迁移 二 大气稳定度 了解 大气稳定度即指气层的稳定程度 或者说大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度 该稳定程度与大气垂直递减率 和干绝热垂直递减率 d 有关 第二节大气中污染物的迁移 四 影响大气污染物迁移的因素风和大气湍流的影响 风 使污染物向下风向扩散湍流 使污染物向各风向扩散浓度梯度 使污染物发生质量扩散风和湍流是影响污染物迁移最直接 最本质的因素 天气形势和地理地势的影响天气形势 如下沉逆温 地理形势 如海陆风 山谷风 城郊风 第三节大气中污染物的转化 污染物的迁移过程只是使污染物在大气中的空间分布发生了变化 而它们的化学组成不变 污染物的转化是污染物在大气中经过化学反应 转化成无毒化合物 从而去除了污染 或者转化成为毒性更大的二次污染物 加重了污染 因此 研究污染物的转化对大气污染化学具有十分重要的意义 第三节大气中污染物的转化 一 自由基化学基础自由基反应是大气化学反应过程中的核心反应 1961年Leighto首次提出在污染空气中有自由基产生 到60年代末 在光化学烟雾形成机理的实验中才确认自由基的存在 近10多年来对自由基的来源和反应特征有了较多的研究 开拓了大气化学研究的一个新领域 第三节大气中污染物的转化 自由基也称游离基 是指由于共价键均裂而生成的带有未成对电子的碎片 分子 原子或基团 所以自由基都很有亲和力 且都具有强氧化性 第三节大气中污染物的转化 1 自由基的产生方法热裂解法 光解法 氧化还原法 电解法 诱导分解法等等 在大气化学中 有机化合物的光解是产生自由基最重要的方法 光解 物质在波长适当的紫外线或可见光的照射下 发生键的均裂 生产自由基 第三节大气中污染物的转化 2 自由基反应1 自由基反应的分类自由基反应可分为 单分子自由基反应 自由基 分子相互作用以及自由基 自由基相互作用三种类型 第三节大气中污染物的转化 单分子自由基反应 是指自由基自身的反应 不包括其他作用物 如 RC O O2 NO RC O O NO2RC O O CO2 R 第三节大气中污染物的转化 自由基 分子相互作用 这种相互作用有两种方式 一种是加成反应 另一种是取代反应 加成 是指自由基对不饱和体系的加成 生成一个新的饱和的自由基 取代 指自由基夺取其他分子中的氢原子 H 或卤素原子 X 生成稳定化合物的过程 第三节大气中污染物的转化 自由基 自由基相互作用 主要包括自由基二聚或偶联反应 此时生成稳定的物质 二聚 两个相同的自由基结合 如 HO HO H2O2偶联 两个不同的自由基结合 如 2HO 2HO2 2H2O2 O2 第三节大气中污染物的转化 2 自由基链反应链反应有三个历程 引发 增长 终止链反应是自由基反应的典型性质 第三节大气中污染物的转化 以卤代反应为例 引发 X2 h 2X 产生自由基 增长 RH X R HXR X2 RX X 发生自由基 分子相互作用 产生新的自由基并延续 终止 R R R RR X R XX X X X自由基与自由基发生二聚或偶联作用 生成稳定化合物 止 第三节大气中污染物的转化 二 光化学反应基础光化学是研究在紫外和可见光的作用下物质发生化学反应的科学 第三节大气中污染物的转化 1 光化学反应过程分子 原子 离子 自由基等微观粒子吸收光子而发生的化学反应 称为光化学反应 化学物种吸收光能后可产生光化学反应的初级过程和次级过程 第三节大气中污染物的转化 1 初级过程包括化学物种吸收光量子形成激发态物种及该激发态可能发生的发应 基本步骤为 A h A 式中 A 物种A的激发态 h 光量子 第三节大气中污染物的转化 激发态分子可能发生的几种反应 A A h 辐射跃迁A M A M无辐射跃迁A B1 B2 K光解A C D1 D2 K与其他分子反应生成新物种 第三节大气中污染物的转化 2 次级过程是指在初级过程中反应物 生成物之间进一步发生的反应 以大气中HCl的光化学反应过程为例HCl h H Cl 初级过程 激发 光解 H HCl H2 Cl 次级过程 反应物与生成物反应 Cl Cl M Cl2 次级过程 生成物之间的反应 第三节大气中污染物的转化 3 光化学第一定律 Grothus Draper定律 光化学反应发生的两个必要条件 首先 激发态分子的能量必须大于分子内的化学键能 亦即光子的能量大于化学键能 其次 光必须被所作用的分子吸收 即分子对某特定波长的光要有特征吸收光谱 第三节大气中污染物的转化 4 光化学第二定律 Stark Einstein定律 分子吸收光的过程是单分子过程 即在光化学反应的初级过程 被吸收的一个光子 只能激活一个分子 5 光量子能量与化学键之间的对应关系爱因斯坦公式 E h hc E的大小受 的制约 增大 E减小 减小 E增大 第三节大气中污染物的转化 3 大气中重要吸光物质的光解 O2的光解 O2 h O O 氧是空气的重要组分 氧分子的键能为493 8KJ mol 可在240nm以下的紫外光照射下光解 第三节大气中污染物的转化 O3的光解 初级过程O3 h O O2次级过程O H2O 2HO O O2 M O3 M O3可吸收来自太阳的紫外光而保护地面的生物 碰撞反应是平流层中O3的主要来源 它也是平流层能量的一个贮库 第三节大气中污染物的转化 NO2的光解 初级过程NO2 h NO O 次级过程O O2 M O3 MNO2的键能为300 5KJ mol 可在420nm以下的紫外光照射下光解 NO2是城市大气中重要的吸光物质 所以该化学过程是大气中唯一已知O3的人为来源 第三节大气中污染物的转化 HNO2的光解 初级过程HNO2 h HO NOHNO2 h H NO2次级过程HO NO HNO2HO HNO2 H2O NO2HO NO2 HNO3亚硝酸HO NO间的键能为201 1KJ mol H ONO间的键能为324 0KJ mol 所以初级过程有二 且以前者为主 HNO2的光解被认为是大气中HO 的重要来源之一 第三节大气中污染物的转化 HNO3的光解 初级过程HNO3 h HO NO2次级过程若有CO存在 有HO CO H CO2H O2 M HO2 M2HO2 H2O2 O2HO NO2键能为199 4KJ mol 吸收120 335nm的光 第三节大气中污染物的转化 SO2的光解 初级过程SO2 h SO2 次级过程SO2 O2 SO4 SO3 O SO2的键能较大 为545 1KJ mol 所以240 400nm的光不能使其离解 只能生成激发态SO2 而由于次级过程的发生 所以虽然SO2本身不能光解 但它的激发态可以参与很多光化学反应 第三节大气中污染物的转化 甲醛 H2CO 的光解 初级过程H2CO h H HCO H2CO h H2 CO次级过程H HCO H2 CO2H M H2 M2HCO 2CO H2H O2 HO2 HCO O2 HO2 CO醛类的光解是大气中HO2的重要来源之一 第三节大气中污染物的转化 卤代烃 卤代甲烷 的光解 初级过程CH3X h CH3 X CFCl3 h CFCl2 Cl CFCl3 h CFCl 2Cl CF2Cl2 h CF2Cl Cl CF2Cl2 h CF2 2Cl 卤代烃寿命很长 可通过扩散作用进入平流层 导致臭氧层的破坏 第三节大气中污染物的转化 三 大气中重要自由基的来源大气中存在的重要自由基有HO HO2 R RO RO2 等 1 大气中HO 和HO2 自由基的浓度分布结论 1 HO 最高浓度出现在热带 2 两半球之间HO 分布不对称 南少北多 3 白天高于夜间 夏季高于冬季 第三节大气中污染物的转化 2 大气中重要自由基的来源 HO 的来源 清洁大气 O3 h O O2O H2O 2HO 污染大气 HNO2 h HO NOH2O2 h 2HO 其中HNO2的光解是大气中HO 的重要来源 第三节大气中污染物的转化 HO2 的来源 H2CO h H HCO H O2 M HO2 MHCO O2 HO2 COCH3ONO h CH3O NOCH3O O2 HO2 H2COH2O2 h 2HO HO H2O2 HO2 H2O 第三节大气中污染物的转化 R 的来源 CH3CHO h CH3 HCO CH3COCH3 h CH3 CH3CO RH O R HO RH HO R H2O 第三节大气中污染物的转化 RO 的来源 CH3ONO h CH3O NOCH3ONO2 h CH3O NO2 RO2 的来源 R O2 RO2 第三节大气中污染物的转化 四 氮氧化物 NOX 的转化1 NO的氧化1 与O3的反应 NO O3 NO2 O2NO能够迅速地与O3反应 所以在同一气团中 NO与O3不能以显著的浓度同时共存 NO浓度降到最低值之前 O3不可能积累 所以该反应可控制O3浓度的峰值 第三节大气中污染物的转化 2 与HO 的反应 RH HO R H2OR O2 RO2 NO RO2 NO2 RO RO O2 R CHO HO2 NO HO2 NO2 HO 研究HO 与烃反应的意义 一个烃与HO 反应的循环链中 有两个NO被氧化成NO2 同时HO 得到复原 该反应速度快 能与O3氧化反应竞争 从而导致O3积累 第三节大气中污染物的转化 2 直接与OH 反应 HO NO HNO2 易光解 3 与RO 的反应 RO NO RONO 易光解 第三节大气中污染物的转化 2 NO2的转化NO2的光解在大气环境 污染 化学中占有很重要的地位 它可以引发大气中生成臭氧的反应 NO2 h NO O O O2 M O3 MO3 NO NO2 O21 NO NO2 O3之间存在的化学循环是大气光化学过程的基础 2 当大气中NO与NO2和阳光同时存在时 O3就作为NO2光分解的产物而生成 3 据称这是大气中唯一已知O3的人为来源 第三节大气中污染物的转化 1 与HO 反应 NO2 HO HNO3 g 该反应是大气中气态HNO3的主要来源 同时也对酸雨酸雾的形成起着重要作用 因为HO 浓度白天高于夜间 所以该反应在白天会有效进行 所产生的HNO3在大气中光解很慢 HO 来源是HNO2光解而不是HNO3的又一原因 沉降是它在大气中的主要去除途径 第三节大气中污染物的转化 2 与O3反应 NO2 O3 NO3 O2 大气中NO3的主要来源 NO3 NO2 M N2O5NO3极易光解 NO3 h NO O2NO3 h NO2 O 若NO浓度高时 会伴随如下反应发生 NO NO3 2NO2 3 过氧乙酰基硝酸脂 PAN PAN是一种光化学氧化剂 具有强氧化性 光化学烟雾的主要产物之一 PAN是20世纪50年代在美国洛杉矶光化学烟雾事件的大气中发现的 之后 在全世界其他城市 边远地区清洁大气中也都测出了PAN PAN不仅是造成光化学烟雾的主要有害物 还是植物的毒剂 造成皮肤癌的可能试剂 目前 除O3外 它常被视为光学烟雾的特征物质 由于PAN能在雨水中解离成硝酸根和有机物 所以还能参与降水的酸化 第三节大气中污染物的转化 形成过程 PAN化学式 CH3C O OONO2 CH3C O OO NO2 CH3C O OONO CH3CO O2 CH3C O OO 乙醛光解 乙酰基CH3CHO h CH3CO H 乙烷氧化 乙醛C2H6 HO C2H5 H2OC2H5 O2 M C2H5O2 C2H5O2 NO C2H5O NO2C2H5O O2 CH3CHO HO2 第三节大气中污染物的转化 示意图 PAN由乙酰基与O2反应生成 乙酰基由乙醛光解产生 大气中乙醛主要来自乙烷的氧化 第三节大气中污染物的转化 五 碳氢化合物 CHX 的转化大气中以气态形式存在的CHX主要是碳原子数为1 10的可挥发性烃类 它们是参加光化学烟雾的主要参与者 其他CHX大部分以气溶胶形式存在于大气中 第三节大气中污染物的转化 1 烷烃的反应烷烃在大气中的光化学反应主要是与HO 和O 发生氢摘除反应 RH HO R H2O RH O R HO 式可以把它看做是消耗O 的反应 而大气中O 主要来自O3的光解 所以换言之 通过 式可得 烷基 特别是甲烷 可以不断消耗O 从而导致臭氧层的破坏 第三节大气中污染物的转化 另外 烷烃亦可与NO3发生反应 反应机制也是氢摘除反应 RH NO3 R HNO3这是城市夜间HNO3的主要来源 该反应速度很慢 不能与HO 相比 第三节大气中污染物的转化 2 烯烃的反应在一般大气条件下 烯烃主要发生加成反应 1 与HO 加成 以乙烯为例 CH2 CH2 HO CH2CH2OH CH2CH2OH O2 CH2 O2 CH2OH CH2 O2 CH2OH NO CH2 O CH2OH NO2 CH2 O CH2OH H2CO CH2OH CH2 O CH2OH O2 HCOCH2OH HO2 CH2OH O2 H2CO HO2 第三节大气中污染物的转化 2 与HO 直接发生氢摘除反应摘除位置在靠近不饱和键的次位碳 如丁烯和HO 的反应 但此类反应不常见 只有在链比较长 并存在烯丙基的H时 C H键能量较低 才有可能与加成反应竞争 第三节大气中污染物的转化 3 与O3加成烯烃与O3反应的速率虽然远不如与HO 反应的速率大 但是O3在大气中的浓度远高于HO 因而这个反应就显得很重要了 反应机理是首先将O3加成到烯烃的双键上 形成一个臭氧化物 该臭氧化物不稳定 会迅速分解为一个羰基化合物和一个二元自由基 二元自由基能量很高 会进一步分解 以乙烯为例 分解后可生成一些稳定产物 也可生成两个自由基 另外 这种二元自由基氧化性也很强 可将NO氧化为NO2 SO2氧化为SO3 氧化后自身转化成相应的酮或醛 第三节大气中污染物的转化 六 光化学烟雾 第三节大气中污染物的转化 光化学烟雾概念含有氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物的大气 在阳光照射下发生光化学反应而产生二次污染物 这种由一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象 称为光化学烟雾 洛杉矶型烟雾 第三节大气中污染物的转化 光化学烟雾特征及危害 强氧化性的蓝色烟雾 影响人体健康 伤害植物 能见度降低 损害材料 第三节大气中污染物的转化 光化学烟雾形成条件 1 NOX和CHX的存在 2 大气湿度低 温度高 3 有强的阳光照射 第三节大气中污染物的转化 光化学烟雾日变化曲线 第三节大气中污染物的转化 光化学烟雾结论 1 白天生成 傍晚消失 高峰在中午 2 NO2 O3和醛属二次污染物 3 直接原因 汽车尾气 第三节大气中污染物的转化 光化学烟雾形成机制 第三节大气中污染物的转化 光化学烟雾自由基的传递 第三节大气中污染物的转化 光化学烟雾控制对策 1 改进技术控制汽车尾气 2 改善能源结构 3 加强管理和监测 第三节大气中污染物的转化 七 硫氧化物的转化及硫酸烟雾型污染1 硫氧化物的气相转化1 SO2的直接光氧化SO2 h 290 340nm 1SO2 单重态 高能态 SO2 h 340 400nm 3SO2 三重态 1SO2 M 3SO2 M 三重态 1SO2 M SO2 M 基态 第三节大气中污染物的转化 大气中SO2直接氧化成SO3的机制为 3SO2 O2 SO4 SO3 O 或SO4 SO2 2SO3 第三节大气中污染物的转化 2 SO2被自由基氧化 SO2与HO 的反应 HO SO2 M HOSO2 HOSO2 O2 M HO2 SO3SO3 H2O H2SO4HO2 NO HO NO2这个循环过程的速率决定步骤是SO2与HO 的反应 第三节大气中污染物的转化 SO2与其他自由基的反应 在大气中SO2氧化的另一个重要反应是SO2与二元活性自由基的反应 CH3C HOO SO2 CH3CHO SO3另外 HO2 RO2 RC O O2 也易与SO2反应 将其氧化成SO3 而本身还原为HO RO RC O O 第三节大气中污染物的转化 3 硫酸烟雾型污染硫酸烟雾型污染最早发生在英国伦敦 因此也称伦敦型烟雾 伦敦大气污染最早被记载于 世纪 当时主要是由于石灰生产业造成的 17世纪工业革命后 随着煤 石油等矿物燃料的大量使用 大气污染日趋严重 在1952年12月伦敦发生了有史以来最严重的烟雾污染 即伦敦烟雾事件 这次事件持续了4天 导致大约4700人死亡以及难以估量的损失 第三节大气中污染物的转化 1 概念由于燃煤而排放出来的SO2 颗粒物以及由SO2氧化所形成的硫酸盐颗粒物所造成的大气污染现象 称硫酸烟雾 从概念可以得出 直接原因 燃煤 形成烟雾的污染物 SO2 颗粒物 硫酸盐颗粒物 第三节大气中污染物的转化 2 形成的气象条件冬季气温较低湿度较高日光较弱3 特征黄色 还原烟雾 第三节大气中污染物的转化 4 形成机制在硫酸烟雾的形成过程中 主要涉及到的化学反应就是SO2的氧化反应 SO2转化为SO3的氧化反应主要靠雾滴中锰 铁 氨的催化作用加速完成 当然SO2的氧化速率还会受到其他污染物 温度以及光强等的影响 第三节大气中污染物的转化 5 比较 第三节大气中污染物的转化 八 酸性降水酸雨 即酸性降水 是指通过降水 如雨 雪 雾 冰雹等将大气中的酸性物质迁移到地面的过程 20世纪50年代 英国的R A Smith最早观察到酸雨现象 我国降水pH小于5 6的地区主要分布在秦岭 淮河以南 pH小于5 0的地区主要分布在西南 华南 东南沿海一带 我国酸雨主要致酸物为硫化物 SO42 第三节大气中污染物的转化 我国2002年酸雨区域分布图 第三节大气中污染物的转化 1 降水的pH湿沉降 酸性降水 酸沉降干沉降 大气中的酸性物质在气流的作用下直接迁移到地面的过程 在未被污染的大气中 可溶于水且含量比较大的酸性气体是CO2 如果只把CO2作为影响天然降水pH的因素 根据CO2在全球大气浓度330mL m3与纯水的平衡 可以求得降水的pH背景值 第三节大气中污染物的转化 原理如下 第三节大气中污染物的转化 电中性原理 得pH 5 6 国际上一直将此值看作未受污染的大气水的pH背景值 第三节大气中污染物的转化 异议 1 实际大气中除了CO2 还存在各种酸 碱性气态和气溶胶物质 2 影响雨水pH的强酸 也有其天然来源 3 地域大气中的碱性尘粒或其他碱性气体 通过对世界各地降水pH背景值系统的统计调查 认为把5 0作为酸雨pH的界限更符合实际情况 第三节大气中污染物的转化 3 降水的化学组成降水的组成通常包括以下几类 1 大气中固定气体成分 2 无机物 3 有机物 4 光化学产物 5 不溶物离子组成 降水中最重要的离子是SO42 NO3 Cl NH4 Ca2 H 第三节大气中污染物的转化 4 酸雨的化学组成酸雨是大气化学过程和物理过程的综合效应 主要的起始物是SO2和NOX 第三节大气中污染物的转化 除此之外 很多气态或固态物质进入大气对降水的pH也会有影响 1 大气颗粒物中Mn Cu V等是酸性气体氧化的氧化剂 2 飞灰中的碱性物质起 缓冲作用 第三节大气中污染物的转化 通常测定酸雨含有如下几种离子 我国酸雨中关键性离子组分是 SO42 Ca2 NH4 第三节大气中污染物的转化 5 影响酸雨形成的因素 1 酸性污染物的排放及转化条件 2 大气中的氨及其它碱性气体 3 颗粒物酸度及缓冲能力金属催化SO2氧化 中和作用 4 天气形势影响 第三节大气中污染物的转化 6 酸雨的影响 有益影响 有害影响 1 对水生生态系统的影响 2 对土壤生态平衡的影响 3 对植物的生态效应的影响 4 对各种材料的影响 5 对人体健康的直接危害 使呼吸道疾病增加 第三节大气中污染物的转化 酸雨的危害 第三节大气中污染物的转化 酸雨的危害 第三节大气中污染物的转化 酸雨的危害 第三节大气中污染物的转化 酸雨的危害 第三节大气中污染物的转化 7 酸雨的来源及其防治 来源 1 化石燃料的燃烧 2 汽车尾气 3 含氯物的燃烧 4 制酸 氯碱 化肥 塑料 制药等工业生产 防治 1 除硫 2 减少NOX的排放 3 用石灰对已酸化的水体进行中和 第三节大气中污染物的转化 第三节大气中污染物的转化 九 温室气体和温室效应1 地球的热平衡辐射到地球上的太阳能约有50 在达到地面前被大气反射或被大气吸收后再辐射回空间 其余50 直接由云 大气或颗粒物散射到地面 到达地表的太阳能被地球吸收 部分从地表反射回空间 部分通过红外辐射返回空间 从而维持地球的热平衡 第三节大气中污染物的转化 九 温室效应 第三节大气中污染物的转化 九 温室效应1 什么是温室效应由于人类能源消耗 森林破坏致使大气中CO2等温室气体浓度增加 阻止地球热量的散失 使地球发生可感觉到的气温升高 这就是有名的 温室效应 第三节大气中污染物的转化 大气中的CO2 CH4等气体可以强烈地吸收波长1200 1630nm的红外辐射 因而它在大气中的存在对截留红外辐射能量影响较大 这些气体如同温室的玻璃一样 它允许来自太阳的可见光到达地面 但阻止地面重新辐射出来的红外光返回外空间 因此 这些温室气体起到了单向过滤作用 吸收了地面辐射出来的红外光 把能量截留在大气之中 从而使大气温度升高 这种现象称为温室效应 第三节大气中污染物的转化 2 温室气体 第三节大气中污染物的转化 全球气候转暖已成为地球环境十分恶劣的问题 促进气候转暖的主要原因就是温室气体效应 目前 科学家列举出构成温室气体的10种最主要气体成份 其中水汽位居榜首 人们所熟知的二氧化碳排列第二 来自天然气中的甲烷居第三 第三节大气中污染物的转化 第三节大气中污染物的转化 3 温室效应的影响和危害1 变暖 气候变暖对生态系统的影响 气候变暖对农业生产的影响2 冰川消退3 海平面上升4 荒漠化 第三节大气中污染物的转化 4 治理措施 1 节约能源 减少使用化石燃料 2 限制并逐步停止氟氯烃的生产和使用 3 大力植树造林 严禁乱砍滥伐森林等 4 通过国际性的协议 条约 加强温室气体排放的控制 第三节大气中污染物的转化 十 臭氧层的形成与耗损臭氧层存在于对流层上面 距地面20 25Km的平流层中 平流层臭氧占大气总臭氧的91 在海拨15km 35km浓度最大 但浓度最大处按体积计也不过十万分之一 若把扩散的臭氧层集中成一个包围地球 并处于海平面压力的纯臭氧气体薄壳层 其只有大约3mm厚 臭氧层吸收99 以上来自太阳的紫外辐射 从而保护地球生物不受其伤害 维持地球的生态平衡 第三节大气中污染物的转化 1 臭氧层的形成与耗损 1 臭氧的产生 平流层O2光解总反应 第三节大气中污染物的转化 2 臭氧的消耗 光解 真正消耗 当水蒸气 氮氧化物 氟氯烃等进入平流层后加速O3的消耗 起到催化的作用 第三节大气中污染物的转化 导致臭氧层破坏的催化反应过程 总反应 Y 直接参加破坏O3的催化活性物种 包括NOX HOX ClOX等 第三节大气中污染物的转化 平流层中NO NO2来自与N2O氧化 超音速飞机排放是NO NOX的人为来源 破坏O3层总反应 第三节大气中污染物的转化 平流层中HO2来源于H2O CH4 H2 O的反应 总反应 第三节大气中污染物的转化 平流层中ClOX 天然来源自海洋生物产生的CH3Cl 人为来源是制冷剂 光解产生的Cl破坏O3 总反应 第三节大气中污染物的转化 哈龙 含溴的卤代甲 乙烷 主来源于灭火剂 其破坏机理似氟氯烃 第三节大气中污染物的转化 2 臭氧层破坏的生态效应 1 一方面直接危害人体健康 象皮肤癌 白内障 各种传染病患者会大幅度增加 2 另一方面还对生态环境和农林牧渔业造成破坏 农产品减产 品质下降 渔业产量减少 森林覆盖率减少 等等 第三节大气中污染物的转化 3 保护臭氧层的对策 1 1985年 一些国家签订了 保护臭氧层维也纳公约 我国1989处加入 公约 列出了可改变臭氧层的物理和化学特性的物质 碳物质 氮物质 氯物质 溴物质 氢物质 2 1987年9月 43国签订了 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书 对5种CFC 11 12 113 114 115 和3种哈龙 1211 1301 2402 提出控制时间表 第三节大气中污染物的转化 2002年1月1日起我国汽车业全面禁止新车使用氟里昂的空调这个规定是为了履行保护臭氧层的国际义务 执行保护臭氧层维也纳公约和关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书而制定的 澳科学家称大气氟里昂水平下降澳大利亚科学家保罗 弗雷泽说 1990年蒙特利尔议定书禁止氟里昂的规定已经取得效果 大气中的氟里昂水平正在下降 南极上空的臭氧洞应在2050年前闭合 第三节大气中污染物的转化 第三节大气中污染物的转化 第三节大气中污染物的转化 第四节大气颗粒物 大气是由各种固体