化学与环境——大气污染

化学与环境——大气污染•知识目标：•1、了解大气圈及其组成•2、理解大气污染的类型及其来源•3、理解常见大气污染物的性质及危害•4、了解室内空气污染物及其危害自然地理学将受地心引力而随地球旋转的大气层称为大气圈，具体地，大气圈指地面到大约1400km高度处的大气层。•一、大气圈及其组成•臭氧对流层（～10km左右）集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温0.65℃强烈对流作用，大气污染也主要发生在这一层，特别是在靠近地面1-2Km的近地层更易造成污染。温度和湿度等各气象要素水平分布不均大气圈垂直结构平流层（对流层顶～50~55km）同温层——对流层顶到30km左右，气温-55℃左右同温层以上，气温随高度增加而增加，亦称逆温层。集中了大部分臭氧。没有对流运动，污染物停留时间很长。大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想的飞行区域。中间层（平流层顶～85km）气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈，垂直混合明显。暖层（中间层顶～800km）气温随高度升高而增高气体分子高度电离－电离层。发电报是靠这层反射回来。存在着大量的离子和自由电子，能反射无线电波，可进行远距离通讯，如发射人造卫星等。散逸层（暖层以上）气温很高，空气稀薄。星际空间内每m3空间有数十个离子存在。空气粒子可以摆脱地球引力而散逸到星际空间。有利于宇宙火箭的飞行。•电离层:极光•极光是来自太阳活动区的带电高能粒子(可达1万电子伏)流使高层大气分子或原子激发或电离而产生的。大气的组成大气是由多种气体组成的混合物，其中除含有多种气体和化合物外，还有许多杂质。干洁空气：大气中除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。氮、氧、氩占大气总体积的99％。水汽：主要来自海洋、江河、湖泊以及其他潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾。大气中的水汽在云、雾、雨、霜、露等各种天气现象的演变中起到主要作用。大气中的水汽具有很强的吸收长波辐射的能力，对地面的保温起到重要作用。固体杂质：悬浮于大气中的烟粒、尘埃、盐粒等。•大气污染的定义国际标准化组织（ISO）认为：大气污染，通常指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。•有自然因素（如森林火灾、火山爆发等）和人为因素（如工业废气、生活燃煤、汽车尾气、核爆炸等）两种，且以后者为主，尤其是工业生产和交通运输所造成的。•二、大气污染自然灾害包括火山爆发排出的火山灰、二氧化硫、硫化氢，煤田和油田自然逸出的煤气和天然气，腐烂的动植物尸体放出有害气体等。其污染多为暂时的、局部的。人为因素是造成大气污染的主要原因，其延续时间长、范围广、影响大。成因大致分为三类：燃料燃烧、工业生产过程和交通运输。污染的主要来源:发电站,工厂,交通,日常烹饪,植物秸秆焚烧等等大气污染来源（1）按存在形式分1）固定污染源：位置固定，如工厂的排烟2）移动污染源：在移动过程中排放废气，如汽车等（2）按空间分布分•点源：燃烧化石燃料的发电厂和大城市的供暖锅炉；•线源：汽车、火车、飞机等在公路、铁路、跑道或航空线附近构成的大气污染；•面源：石油化工区或居民住宅区的众多小炉灶构成的大气污染。•（3）按排放时间分1）连续源：污染物连续排放，如化工厂的排气筒2）间断源：污染物排放时断时续，如取暖锅炉的烟囱3）瞬时源：污染物排放时间短暂，如工厂的事故排放•（4）按排放空间分1）高架源：在距地面一定高度处排放污染物，如高烟囱2）地面源：在地面上排放污染物，如煤炉、锅炉•（5）按污染物产生的类型划分1）工业污染源：主要是燃料燃烧排放的污染物，生产过程中排出的废气和各类矿物、金属粉尘等等。2）生活污染源：主要来自家庭炉灶，取暖设备，以及城市垃圾在堆放过程中由于厌氧分解产生的二次污染物、垃圾焚烧过程中产生的废气等3）交通污染源：主要是汽车、飞机、火车和船舶等交通工具排放的尾气。•大气污染物由于人类活动所产生的某些有害颗粒物和废气进入大气层，给大气增添了许多种外来组分，这些物质称为大气污染物。凡是能使空气质量变坏的物质都是大气污染物。大气污染物的种类按污染物存在的形态可分为两大类：1.气体状态的污染物2.气溶胶状态（颗粒态）的污染物主要气态污染物：含硫化合物（以SO2为主）、含氮化合物（以NO和NO2为主）、碳氧化合物（CO和CO2）、有机化合物及卤素化合物等。•二氧化硫SO2：人为排放源有：以煤和石油为燃料的火力发电厂、工业锅炉、垃圾焚烧、生活取暖、柴油发动机、金属冶炼厂、造纸厂等。•主要危害：形成工业烟雾,高浓度时使人呼吸困难,是著名的伦敦烟雾事件的元凶；进入大气层后，氧化为SO3并与水结合形成硫酸（H2SO4）在云中形成酸雨，对建筑、森林、湖泊、土壤危害大；形成悬浮颗粒物，又称气溶胶,随着人的呼吸进入肺部,对肺有直接损伤作用。•碳氧化物主要有两种物质，即CO和CO2。•CO主要由含碳物质不完全燃烧产生，天然排放较少。人为产生的CO约有70％来自机动车的尾气排放。CO是无色、无臭的有毒气体，其化学性质稳定，在大气中不易与其它物质发生反应，可以在大气中停留很长时间。CO不仅会对植物造成危害，对人体危害也较大。•CO2是大气的“正常”成分，参与地球上的碳平衡，主要来自呼吸作用和化石燃料的燃烧。CO2对地面长波辐射具有高度的吸收性能，而对太阳的短波辐射具有高度的透过性，因此大气中CO2的浓度的不断增高，会导致温室效应。•挥发性有机化合物指的是一系列有机化合物，包括碳氢化合物（烷烃、烯烃和芳烃）、含氧有机物（醇、醛、酮、酸、醚）以及含有卤素的有机物（甲基氯仿，三氯乙烯）。•挥发性有机化合物来自燃料的不完全燃烧，机动车辆燃料箱和汽化器内未燃烧的汽油的蒸发，燃料在输送、储存和分配过程中的泄漏等。•挥发性有机化合物能促进臭氧类光化学氧化剂的形成。在活泼的氧化物，如原子氧、臭氧、氢氧基等自由基作用下，碳氢化合物会发生一系列链式反应，最终生成光化学烟雾的重要二次污染物——臭氧、醛、过氧乙酰硝酸脂（PAN）。•有毒微量有机污染物（如：多环芳烃、多氯联苯、二噁英）人为排放源有：垃圾焚烧、焦炭生产、烧煤等。主要危害：有致癌作用；有环境激素（也叫环境荷尔蒙）的作用。•多氯代联苯，二噁英的一种，二噁英毒性十分大，是氰化物的130倍、砒霜的900倍，有“世纪之毒”之称•颗粒物：按粒径的差异，可以把颗粒物分为降尘和飘尘两类。降尘：粒径大于10μm，在重力作用下可降落的颗粒物。飘尘：粒径小于10μm的煤烟、烟气和雾等颗粒物。飘尘粒径小、质量轻，在大气中呈悬浮状态，且分布极广。我国环境空气质量标准中，按颗粒大小分为：1.总悬浮颗粒物(TSP，TotalSuspendedParticles)：指悬浮在空气中的空气动力学直径≤100μm的颗粒物。2.可吸入颗粒物(PM10，InhalableParticles)：指悬浮在空气中的空气动力学直径≤10μm的颗粒物。悬浮颗粒物的危害•可吸入颗粒物因粒小体轻，能在大气中长期漂浮，漂浮范围从几千米到几十千米，可在大气中不断蓄积，使污染程度逐渐加重。可吸入颗粒物成分很复杂，并具有较强的吸附能力。例如可吸附各种金属粉尘、吸附病原微生物等。可吸入颗粒物随人们呼吸空气而进入肺部，以碰撞、扩散、沉积等方式滞留在呼吸道的不同部位，引起呼吸系统疾病。•悬浮颗粒物还能直接接触皮肤和眼睛，阻塞皮肤的毛囊和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎或造成角膜损伤。•此外，悬浮颗粒物还能降低大气透明度，减少紫外线对地面的辐射强度。•光化学烟雾•主要是大气中的氮氧化物和碳氢化物，主要来自汽车尾气、石油和煤燃烧的废气、及大量使用挥发性有机溶剂等在太阳紫外线的作用下，产生化学反应，生成臭氧和醛类等二次污染物。通常是棕色的，会剌激眼睛。最初出现在美国洛杉矶市，因此也称为洛杉矶烟雾。•日光辐射强度是形成光化学烟雾的重要条件。•阳光的照射，悬浮粒子的催化，大量污染物的存在，都是构成光化学烟雾的理想条件。•废气中的二氧化氮吸收阳光，转化为一氧化氮和活泼的氧原子，氧原子继而与汽车废气中的烃及大气中的氧进行一连串的复杂反应，生成臭氧、醛类和催泪性物质如过乙酰硝酸酯等。所以光化学烟雾的成份比较复杂，是由众多污染物混合而成的，包括悬浮粒子、氮的氧化物、臭氧、醛类、过乙酰硝酸酯和烃等。•其中有害物质不仅是直接从污染源排放出来的污染物，而且更重要的有二级污染物。•光化学烟雾对眼睛的剌激作用特别强，浓度大约0.1ppm时，短时间的接触就能使人流泪不止。当浓度增加至1ppm时，眼睛发痛难睁，并有头痛和呼吸困难征状。长期吸入，会引起咳嗽和气喘。光化学烟雾浓度达50ppm时，人将有死亡危险。前面提到的洛杉矶光化学烟雾，当时浓度过0.65ppm，两天内死亡400余人。•光化学烟雾还能使橡胶和纤维变质，令农作物失收。•光化学烟雾形成机理•（1）光化学形成的主要反应•A、NO2的光解是光化学烟雾形成的主要起始反应，并生成O3：NO2+hν→NO+O（1）O+O2+M→O3+M（2）•O3+NO→NO2+O2（3）•所产生的O3要消耗在NO的氧化上而无剩余，所以要产生光化学烟雾必需有碳氢化合物存在。•B、碳氢化合物(HR)被·OH、O和O3氧化，产生醛、酮、醇、酸等产物以及中间产物RO2·、HO2·、RC·O等重要的自由基：•RH+O→RO2·(4)RH+O3→RO2·+O(5)RH+·OH→RO2·+H2O(6)•RCHO与·OH反应如下：•RCHO+·OH→RC·O(酰基)+H2ORC·O+O2→RC(O)O2·(过氧酰基)•丙烯的氧化反应为：•C、过氧自由基引起NO向NO2转化，并导致O3和PAN等氧化剂的生成(自由基传递形成稳定的最终产物，使自由基消除而终止反应)：•RO2·+NO→NO2+RO·(RO2·包括HO2·)(7)·OH+NO→HNO2(8)·OH+NO2→HNO3(9)•RC(O)O2·+NO2→RC(O)O2NO2(10)•过氧乙酰硝酸酯(PAN)•（2）光化学烟雾形成机理•预防措施：制定法规，监测废气排放，改良汽车排气系统和提高汽油质量及减少挥发性有机物如油漆、涂料的使用等。•曼哈顿•巴黎•依据大气污染物的形成过程，可将其分为一次污染物和二次污染物。•一次污染物是直接从各种污染源排放到大气中的有害物质。常见的主要有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、颗粒物等。颗粒物中包含苯并(a)芘等强致癌物质、有毒重金属、多种有机和无机化合物等。•二次污染物是一次污染物在大气中相互作用或它们与大气中的正常组分发生反应所产生的新污染物。这些新污染物与一次污染物的化学、物理性质完全不同，多为气溶胶，具有颗粒小、毒性一般比一次大等特点。常见的二次污染物有SO3、硫酸盐、硝酸盐、臭氧、醛类(乙醛和丙烯醛等)、过氧乙酰硝酸酯(PAN)等。•一次污染物和二次污染物•大气污染的危害•1.大气污染对人体健康的影响•2.大气污染对植物的影响•3.大气污染对材料的影响•4.大气污染对大气环境的影响•对人体健康的影响•对人体健康的影响•煤烟：引起支气管炎、尘肺等疾病；•硫酸烟雾：对皮肤、眼结膜、鼻粘膜、咽喉等均有强烈刺激和损害；•铅：引起红血球碍害等慢性中毒症状，高浓度时可引起强烈的急性中毒症状；•二氧化硫：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；•氧化氮：对深部呼吸道、粘膜、神经系统以及造血系统均有损害，吸入高浓度氧化氮时可出现窒息现象；•对人体健康的影响NO2对人体健康的影响•NO2（10-6）•对人体健康的影响•1•闻到臭味•5•闻到强臭味•10～15•10min眼、鼻受到刺激•50•1min内人呼吸困难•80•3min感到胸痛、恶心•100～150•在30～60min内死亡•250•很快死亡•一氧化碳：引起严重缺氧症状即煤气中毒；•臭氧：轻病表现肺活量少，重病为支气管炎等；•硫化氢：可使人嗅觉疲劳，高浓度时可引起全身碍害而死亡；•对人体