第二篇大气环境化学.ppt

1 第二篇大气环境化学 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 2 第一章天然大气和重要污染物 基本要求 掌握天然大气的组成 大气主要层次的特点 了解大气中离子和自由基的来源 了解大气重要污染物的源 了解温室效应 温室气体及其对大气环境的影响 3 1 1大气的组成和停留时间 一 大气的组成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CH4 SO2 NO2 CO NH3和O3等 总和不超过0 1 大气还含有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 粒径大于l0 m颗粒称为降尘 粒径小于l0 m的颗粒 称为飘尘 4 1 1大气的组成和停留时间 二 大气组分的停留时间各种化学反应 生物活动 放射性衰变及工业活动等不断产生气体投放至大气 又因化学反应 生物活动 物理过程及海洋 陆地吸收而不断迁出大气 某组分在贮库中的总输入速度 FX 和总输出速度 Rx 是相等的 若假设x组分的贮量为Mx 则可由下式确定组分x在大气中的停留时间tX tX Mx Rx Mx FX 5 1 1大气的组成和停留时间 惰性气体Ar Ne He Kr和Xe停留时间都在107年以上 属于外循环气体 其次是参与生物 水 岩石等循环的生物循环气体N2 100万年 02 6000年 H2 5年 CO2 10年 CH4 2 5年 N2O 8 15年 CO 1年 大气中停留时间小于1年的气体 如H2O 10 1天 O3 小于1天 SO2 小于0 01年 NH3 1天 NO和NO2 小于1月 等 它们在大气中的浓度变化比较明显 6 1 2大气的主要层次 大气划分为对流层 平流层 中层和热层等若干层 此外 还有所谓散逸层 有时也划作一个层区 一 对流层特点 1 气温随高度增加而降低 在不同地区 不同季节和不同高度 降低的数值并不相同 2 空气具有强烈的对流运动 3 气体密度大 7 1 2大气的主要层次 二 平流层平流层内 随着高度的增高 气温保持不变或稍有上升 故又称同温层 特点 1 大气稳定 2 平流层内垂直对流运动很小 3 大气透明度高 三 中层从平流层顶到约80 85km间的一层称为中层 8 1 2大气的主要层次 四 热层从80km到约500km称为热层 特点 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 9 1 3大气中的离子及自由基 一 大气中的离子高层大气的特征之一是存在显著数量的电子及正离子 在约50km以上的高空是离子普遍存在的电离层 该层离子主要受紫外线照射产生 在夜间 正离子慢慢地与自由电子重新结合 二 大气中的自由基高层大气中的光致电离及电磁辐射可以产生自由基 1 自由基反应凡是有自由基生成或由其诱发的反应都叫自由基反应 10 1 3大气中的离子及自由基 甲烷与氯在光的存在下发生的反应就是一种自由基反应 Cl2 2Cl Cl CH4 CH3 HClCH3 Cl2 CH3Cl Cl 放出的Cl 又可和甲烷反应而使反应继续进行 2 大气中主要自由基的来源最主要的是OH自由基 其次是HO2 及H3C H3CO 和H3COO 等在大气中也比较活跃 11 1 3大气中的离子及自由基 1 OH 基的来源HONO OH NO 光 400nm H2O2 2OH 光 370nm O H2O 2OH O来自O3光解 OH 与烷烃 醛类 烯烃 芳烃和卤代烃等有机物的反应速度常数要比O3大几个数量级 OH 在大气化学反应过程中是十分活泼的氧化剂 12 1 3大气中的离子及自由基 2 HO2 的来源HO2 主要来自大气中甲醛的光解 CH3ONO的光解所产生的自由基HCO 和H3CO 与空气中的氧作用的结果以及HO 与H2O2或CO作用的结果 3 H3C H3CO H3COO 等的来源H3C 烷基自由基 主要来自乙醛和丙酮的光解 H3CO 烷氧基自由基 主要来自甲基亚硝酸酯光解 H3COO 过氧烷基自由基 来自H3C 与O2的作用 13 1 4大气中的重要污染物 从18世纪末至20世纪初 是大气污染的形成时期 上世纪50年代至70年代 工业发达国家石油 化石燃料使用量迅速上升 大气污染物含量迅速上升 致使大气污染加剧 80年代以来 由于酸雨 臭氧层的破坏和温室效应等问题的加剧 大气污染问题已成为全球性环境问题 严重威胁着人类生存和发展 14 1 4大气中的重要污染物 一 含硫化合物硫化合物主要包括硫化氢 二氧化硫 三氧化硫 硫酸 亚硫酸盐 硫酸盐和有机硫化合物等 其中最主要的是硫化氢 二氧化硫和硫酸盐 人类的活动 使大量硫化合物进入大气 15 1 4大气中的重要污染物 二 含氮化合物主要含氮化合物为N2O NO NO2 N2O5 NH3 硝酸盐 亚硝酸盐和铵盐等 1 N2ON2O是无色气体 称为 笑气 的麻醉剂可通过微生物的作用产生 是目前已知的温室气体之一 含量约为0 3ppm N2O的催化循环反应 导致了臭氧的不断损耗 N2O天然源主要有海洋 土壤 淡水和雷电 人为源主要有氮肥 化石燃料燃烧及工业排放等 16 1 4大气中的重要污染物 2 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 通过闪电 微生物固定及NH3的氧化等各种天然源和污染源进入大气 大气中的氮在高温下能氧化成一氧化氮 进而转化为二氧化氮 火山爆发和森林大火等都会产生氮氧化物 人为污染源是各种燃料在高温下的燃烧以及硝酸 氮肥 炸药和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 17 1 4大气中的重要污染物 三 含碳化合物COCO是由含碳燃料的不完全燃烧而产生 或者是在内燃机的高温 高压的燃烧条件下产生 CO的天然源主要来自海洋中生物的作用 植物叶绿素的分解 森林中放出萜的氧化 森林大火以及大气中CH4的光化学氧化和CO2的光解等 放电作用引起云层中有机物的光氧化作用 二氧化碳的轻微解离作用 种子发芽 籽苗生长及人和动物新陈代谢过程中都会产生CO 18 1 4大气中的重要污染物 CO2二氧化碳是一种无毒的温室气体 由于CO2的增加将引起温室效应的加剧 而导致全球气候变暖的重大影响 大气中CO2是自然存在的 可通过动物的呼吸排出CO2 植物体废弃物作为燃料燃烧或腐败而自然氧化时 均将产生CO2排入大气 甲烷在平流层中与OH自由基反应的最终产物为CO2 此外 海水中CO2比大气高60余倍 因此可以进行交换作用而排出CO2 19 1 4大气中的重要污染物 3 碳氢化合物碳氢化合物通常指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 其中CH4是主要的碳氢化合物 碳氢化合物主要来自天然源 其次是植物排出的萜烯化合物 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 20 1 4大气中的重要污染物 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 此外还有少量多环芳烃和芳烃 21 1 4大气中的重要污染物 四 含卤素化合物CH3Cl CH3Br CH3I来自天然源 主要是来自海洋 其余含卤素化合物都是由于人类活动产生的 氟氯烃类 CFCs 化合物可用作冰箱制冷剂 喷雾器中的推进剂 溶剂和塑