搜索
1环境化工(大气污染控制)授课教师：沈美庆教授电话：27892301E-mail：mqshen@tju.edu.cn教学参考书：1.郝吉明，马广大主编，大气污染控制工程(第二版)，高等教育出版社2.NoeldeNeversedit,AirPollutionControlEngineering(SecondEdition)影印版，清华大学出版社2第一章大气污染控制概论本章基本要求：•掌握有关大气污染的定义、主要大气污染问题、大气污染的危害及大气污染相关的标准等基础知识；•结合实际建立有关大气污染控制的基本概念，了解目前存在的主要大气污染问题。3化学与化工是物质合成、提取与制造的科学与技术，可以合成地球已有物质，亦可制造地球没有的功能物质，是21世纪实现可持续发展策略，解决资源、能源以及环境危机，提高人类生存质量和保证国家与民众安全的核心基础科学与技术，是国民经济支柱及高科技产业的支撑，在21世纪将继续发挥核心科学的作用，并被时代发展赋予了新的时代特征。人类实现可持续发展所面临的资源、能源以及环境危机，大部分是由于化学工业造成；迄今为止，利用化工技术进步也解决了一些资源、能源以及环境问题；21世纪化学与化工被时代发展赋予了新的时代特征：资源节约和环境保护－－绿色化学与清洁生产。第一节：绪论二十一世纪化学化工的地位、作用与挑战4各国政府推动绿色化学的措施（1）★美国1990年美国颁布了《污染防治条例》，将污染的防治定为国策；1991年，绿色化学由ACS提出并成为EPA的中心口号；1996年，美国设立并每年颁发一次“总统绿色化学挑战奖”，这是化学领域唯一的总统级科学奖；1999年，世界上第一本《绿色化学》杂志诞生；2000年，美国化学会出版了第一本绿色化学教科书。5各国政府推动绿色化学的措施（2）★日本制订“21世纪重建绿色地球”的新阳光计划，设立“为地球创新技术的研究院”★欧盟各国德国1991年制订“为环境而研究的计划”英国2000年设立“JerwoodSalters环境奖”荷兰制订“清洁生产手册”6各国政府推动绿色化学的措施（中国）1992年联合国环境与发展大会通过了《21世纪议程》，中国政府作出了履行《21世纪议程》等文件的庄严承诺。1994年3月25日，《中国21世纪议程》经国务院第十六次常务会议审议通过。中国21世纪议程管理中心于1994年3月25日经中央机构编制委员会办公室批准成立《中国21世纪议程》:可持续发展总体战略与政策；社会可持续发展；经济可持续发展；资源的合理利用与环境保护。7环境化学与环境化工造成环境污染的因素可分为物理的、化学的及生物学的三方面，而其中化学物质引起的污染约占80%－90%；环境化学：从化学的角度出发，探讨由于人类活动而引起的环境质量的变化规律，以及保护和治理环境的方法原理。主要研究环境污染物的检测方法和原理、探讨环境污染和治理技术中的化学、化工原理，研究环境中化学污染物的发生起源、迁移分布、相互作用、转化机制、状态结构的变化、污染效应和最终归宿。环境化工：灵活运用化工技术来解决环境污染治理问题的一门交叉学科。820世纪40～50年代——稀释废物20世纪60～80年代——废物后处理20世纪90年代——从源头消除污染源(绿色化学GreenChemistry，环境无害化学、环境友好化学、清洁化学)新设计化学合成方法和化工产品来根除污染源。环境化工技术解决环境污染问题包括两个层次。环境治理的历史回顾9第二节全球气候变化与温室效应10全球气候变化问题近代南北半球及全球平均温度的变化111全球气候变化问题气温20世纪增加了0.60.2oC海平面20世纪上升了10～20cm大气中CO2含量工业化以前280ppm目前360ppm预计21世纪中叶540～970ppm121.1温室效应机理13温室效应机理14温室效应机理温室效应：大气中的二氧化碳和其它微量气体如甲烷、氧化亚氮、臭氧、氟氯碳、水蒸气等，可以使太阳短波几乎无衰减地通过，但却可以吸收地表的长波辐射，由此引起全球气温升高的现象。温室气体：二氧化碳、氟氯碳等引起温室效应的气体。151.2人类活动对气候的影响CO2CH4N2OCFC-11HCFC-22CF4工业化前的浓度280ppmv700ppbv275ppbv0001994年的浓度358ppmv1720ppbv312ppbv268pptv110pptv72pptv最近的浓度变化率1.5ppmv/yr(0.4%/yr)10ppbv/yr(0.6%/yr)0.8ppbv/yr(0.25%/yr)0ppvb/yr(0%/yr)5pptv/yr(0%/yr)1.2pptv/yr(2%/yr)大气寿命中的（年）b50-200c12120501250000appmv＝每百万体积中的份额；ppbv＝每十亿体积中的份额；pptv＝每万亿体积中的份额。b初始质量以指数形式衰减到其初始值的1/e＝0.368所需的时间。c对于CO2，不能确定其唯一的大气寿命。因为不同的汇，其吸收速率不同。资料来源：IPCC，1996a。1850年以来大气中温室气体浓度的增加16人类活动的影响：温室气体的浓度变化大气中CO2、CH4、N2O和CFCs的浓度变化趋势。在过去的一个世纪里，人类活动导致所有温室气体的浓度迅速增加。（资料来源：IPCC,1990）17人类活动的影响CO2年排放量（MtC/年）（a）人均CO2排放量（tC/人）（a）美国中国俄罗斯日本印度德国英国加拿大意大利韩国美国加拿大俄罗斯德国英国日本南韩意大利世界平均中国印度1997年10个CO2排放量最大的国家的总年排放量（a）和各国人均年排放量（b）（资料来源：Marlandetal.,1999）18据联合国发布的数据，2006年中国人均排放二氧化碳4.6吨，美国人均排放二氧化碳19吨：中国人均碳排放仅约为美国的五分之一19人类活动的影响以单位GDP（$）的总能量消耗表示的各国的能源强度。所有数据均为1998年的，GDP以1990的US$表示。（资料来源：USDOE,2000）20CO2emissionbyenergytypeinChina,199604008001200160020002400CoalCokeOil,etc.N.Gas,etc.Mt-CO2Thermalpower&heatOtherenergyindustryIndustrResidentialCommerce,service,etc.Transport&communiAgriculture,etc.Construction74.9%8.3%13.1%3.6%211.3气候变化对人类的影响海平面上升部分岛国消失30%-70%物种灭绝热带病扩散史前病毒复活极端天气事件频发冰川消失淡水资源流失22海平面上升部分岛国消失•上世纪，全球气温平均升高0.7摄氏度。联合国气候委员会说，本世纪海洋会升高18至59厘米，未来几个世纪还会持续上升。•如果海平面上升多1米，一些岛国，比如马尔代夫便会被淹没•面临危机的这43个国家包括了从太平洋到印度洋的低地环礁岛国，它们说应把地球气温限制在比工业革命之前高1.5摄氏度的水平。•欧盟提出的目标是，比工业革命前高2摄氏度。2330%-70%物种灭绝•在全球范围内，如果气温上升2.5摄氏度，30%的物种将灭绝；•如果上升3.5摄氏度，则将有70%的物种消失。•在过去5.2亿年中，地球的4次大灭绝，和热带海洋变暖有关。24热带病扩散史前病毒复活疟疾、黄热病等热带疾病将向较冷地区传播，被冰封十几万年的史前病毒可能重见天日25极端天气事件频发极端天气气候事件(厄尔尼诺、干旱、洪涝、风暴、高温等)频发、强度增加26冰川消失淡水资源流失如世界几大山脉上的冰盖不断消褪，山下居民将面临淡水资源危机272影响气候变化的大气成分28CO2292影响气候变化的大气成分30氟利昂CFCs因破坏臭氧层而臭名昭著，但是，由于其光谱吸收处于地球辐射光谱最强的波段，它是温室效应极强的温室气体。CFCs浓度显著低于其它气体，但对温室效应的贡献率达到20％。313应对措施与策略3.1控制温室气体的排放3.2增加温室气体的吸收3.3国际行动323.1控制温室气体的排放改变能源结构提高能源转换效率、提高能源使用效率降低能源所消耗减少森林植被的破坏控制水田和垃圾填埋场的甲烷排放33不同燃料燃烧单位GJ的CO2排放量不同燃料燃烧单位GJ的CO2排放量9574645700102030405060708090100煤油液化气天然气生物质CO2排放量/kg/GJ343.2增加温室气体的吸收植树造林采用固碳技术CO2分离、回收，注入深海或地下化学、物理、生物方法固定适应气候变化培养新农作物品种，调整产业结构等353.3国际行动1992年，联合国环境与发展大会《气候变化框架公约》：基于“共同但又有所区别的原则”，提出到20世纪90年代末，发达国家温室气体年排放量控制在1990年水平。1997年，《京都议定书》，明确各发达国家削减温室气体排放的比例，引入清洁发展机制，倡导发达国家、发展中国家之间的合作。2009.12哥本哈根世界气候大会《哥本哈根协议》36国家2008－2012年的排放限值a保加利亚，捷克，爱沙尼亚，欧盟（15个国家），拉脱维亚，列支敦士登，摩纳哥，罗马尼亚，斯洛伐克，斯洛文尼亚，瑞士削减8％美国削减7％加拿大，匈牙利，日本，波兰削减6%克罗地亚削减5％新西兰，俄罗斯，乌克兰不变挪威增加1％澳大利亚增加8%冰岛增加10％a相对于CO2、CH4和N2O的1990年的排放量，和相对于PFCs、HFCs和SF6的1995年的排放量。《京都议定书》规定的温室气体排放限值37哥本哈根世界气候大会（2009.12.7－18）39第三节臭氧层破坏问题40大气层(atmosphere)在地球引力作用下，大量气体聚集在地球周围，形成数千公里的大气层（大气层上面就是星际空间了）。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上，但没有明显的界限，探空火箭在3000公里高空仍发现有稀薄大气，有人认为，大气层的上界可能延伸到离地面6400公里左右。据科学家估算，大气质量约6000万亿吨，差不多占地球总质量的百万分之一，其中包括：氮78%、氧21%、氩0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%，以及其它的稀有气体（氦气、氪气、氙气、氡气），此外还有水汽和尘埃等。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，根据各层大气的不同特点（如温度、成分及电离程度等），从地面开始依次分为对流层、平流层、中间层、热层（电离层）和外大气层。41大气层的组成对流层：紧靠地球表面、厚度10至20千米的大气层，空气对流很明显，故称对流层。对流层的大气受地球影响较大，云、雾、雨等现象都发生在这一层内，水蒸气几乎都在这一层内存在。对流层气温随高度的增加而降低，每升高1000米，温度下降5～6℃。平流层：距地球表面20至50千米。平流层的空气比较稳定，大气是平稳流动的，故称为平流层。在平流层内水蒸气和尘埃很少，并且在30千米以下是同温层，其温度在－55℃左右。中间层：大约距地球表面50至85千米，这里的空气已经很稀薄，突出的特征是气温随高度增加而迅速降低，空气的垂直对流强烈。暖层：大约距地球表面100至800千米。暖层最突出的特征是当太阳光照射时，太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收，因此温度升高，故称暖层。散逸层在暖层之上，为带电粒子所组成。42臭氧层和电离层除此之外，还有两个特殊的层，即臭氧层和电离层：臭氧层距地面20至30千米，实际介于对流层和平流层之间。这一层主要是由于氧分子在阳光中紫外线的光化作用下变成了臭氧，约占当地空气含量的1/105厚度单位DU（Dobsonunit）－273K，1atm下，10-3cm厚的O3层称为一个DU（1DU＝10-3atmcm＝2.69×1016molecules