大氣的組成及其主要污染物

1、第二章 大氣環(huán)境化學(xué)重點內(nèi)容（1）污染物在大氣中的遷移氣象基礎(chǔ)：大氣垂直分層、氣象要素、氣溫絕熱變化、大氣穩(wěn)定度污染物遷移影響因素：地形、逆溫、山谷風(fēng)、海陸風(fēng)等污染物遷移的數(shù)學(xué)模式：推導(dǎo)與應(yīng)用（2）污染物在大氣中的轉(zhuǎn)化 光化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ) 自由基反應(yīng)和來源 氮氧化物和碳氫化合物、硫氧化合物的轉(zhuǎn)化（3）幾種代表性的大氣環(huán)境污染問題酸雨，光化學(xué)煙霧，溫室效應(yīng)，全球變暖臭氧層破壞第一節(jié)、大氣的組成及其主要污染物一、大氣的主要成分N2(78.08 %) 、O2(20.95 %) 、Ar(0.934 %) 、CO2(0.0314 %)二、大氣層的結(jié)構(gòu)對流層平流層中間層熱層逸散層熱層中間層頂中間層平流層頂對流

2、層頂平流層對流層100806040200160200240280T(K)Z(km)1、對流層平均厚度12 km,赤道19 km，兩極8-9 km，云雨主要發(fā)生層，夏季厚，冬季薄。特點: （1）氣溫隨高度升高而降低。 （2）空氣密度大。 （3）天氣復(fù)雜多變。 （4）對流層下部湍流。2、平流層對流層頂?shù)郊s50 km的地方特點：（1）空氣基本無對流，平流運動占顯著優(yōu)勢。（2）空氣比下層稀薄，水汽、塵埃含量很少，很少有天氣現(xiàn)象，透明度極高。（3）在15-35km的范圍內(nèi)（平流層上層），厚度約20km的臭氧層。3、中間層從平流層頂?shù)郊s85 km的高度。特點：（1） 空氣更稀?。?）無水分（3） 溫度隨高

3、度增加而降低，中間層頂，氣溫最低 （-100）（4） 中間層中上部，氣體分子（O2、N2）開始電離。 4、熱（成）層從80km到約800 km的地方特點： (1)溫度隨高度增加迅速增高； (2)大氣更為稀薄; (3)大部分空氣分子被電離成為離子和自由電子，又稱電離層，可以反射無線電波.5、逸散層 （1）800 km以上高空 （2）空氣稀薄，密度幾乎與太空相同 （3）空氣分子受地球引力極小，所以氣體及其微粒可以不斷從該層逃逸出去三、大氣中的主要污染物從18世紀末至20世紀初，是大氣污染的形成時期。上世紀50年代至70年代，工業(yè)發(fā)達國家石油、化石燃料使用量迅速上升，大氣污染物含量迅速上升，致使大氣

4、污染加劇。80年代以來，由于酸雨、臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)等問題的加劇，大氣污染問題已成為全球性環(huán)境問題，嚴重威脅著人類生存和發(fā)展。 一、含硫化合物硫化合物主要包括H2S、SO2、SO3、H2SO4、MSO3、 MSO4和有機硫化合物等。其中最主要的是SO2 、 H2S和 H2SO4。1.SO2討論 SO2的危害?人類的哪些活動，使大量SO2進入大氣?SO2濃度特征SO2的日變化在城區(qū)表現(xiàn)為雙峰型。SO2日變化曲線說明北京地區(qū)大氣中的主要來源于采暖過程影響分SO2分布的因素風(fēng)速、風(fēng)向大氣穩(wěn)定度和低層逆溫湍 流2.H2S討論來源消除人為來源天然來源與自由基反應(yīng)COS、CS2與HO反應(yīng)火山噴發(fā)海水浪

5、花生物活動二、含氮化合物主要含氮化合物為N2O、NO、NO2、N2O5、NH3、硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽等。1. N2ON2O是無色氣體，稱為“笑氣”,是低層大氣中含量最高的含氮化合物,也是停留時間最長的氮氧化物.主要來源于自然界中土壤中硝酸鹽經(jīng)細菌的脫氮作用;是目前已知的溫室氣體之一，含量約為0.3 ppm。NO3-+2H2+H+ 1/2N2O+5/2H2O2.NOX的來源與消除無色無味的NO和刺激性的紅棕色NO2均是大氣中的重要污染物，通常用NOx表示。 通過閃電、微生物固定及NH3的氧化等各種天然源和污染源進入大氣。大氣中的氮在高溫下能氧化成一氧化氮，進而轉(zhuǎn)化為二氧化氮。火山爆發(fā)和森林大火

6、等都會產(chǎn)生氮氧化物。人為污染源是各種燃料在高溫下的燃燒以及硝酸、氮肥、炸藥和染料等生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的含氮氧化物廢氣造成的，其中以燃料燃燒排出的廢氣造成的污染最為嚴重。燃燒過程中NOX的形成機理途徑二:空氣中的N2在燃燒過程中被氧化生成NOX途徑一:含氮化合物在燃燒過程中氧化生成NOX3.燃燒過程中影響NOX形成的因素燃燒溫度高溫既能產(chǎn)生較高的NO含量,又有助于NO的快速生成.空燃比完全燃燒化學(xué)計量空燃比“富”燃料“貧”燃料空燃比與汽車尾氣中NOX排放量的關(guān)系，參考圖2-104. NOX的危害NOX是導(dǎo)致大氣光化學(xué)污染的重要污染物.NO2濃度較高,會引起肺炎,支氣管炎甚至死亡;同時會破壞植物組織

7、。NO能與血紅蛋白結(jié)合,減弱血液的輸氧能力.(CO;NO;NO2-)三、含碳化合物 主要包括:CO、CO2 、有機碳氫化合物、含氧烴類1.CO CO是一種毒性極強、無色、無味的氣體,是排放量最大的大氣污染物之一.(1)CO的人為來源:燃料不完全燃燒 燃料的燃燒過程是城市大氣中CO的主要來源,據(jù)估計,在全球范圍內(nèi),80 %的CO人為來源是由汽車排放出來的.(2) CO的天然來源:甲烷的轉(zhuǎn)化,海水CO的揮發(fā),植物的排放,森林火災(zāi),農(nóng)業(yè)廢棄物焚燒.1.CO(3) CO的去除A 土壤吸收B 與HO自由基反應(yīng)1.CO(4) CO的危害?2.CO2CO2是一種重要的溫室氣體.(1)來源 人為來源天然來源礦

8、物燃料的燃燒海洋脫氣甲烷轉(zhuǎn)化動植物呼吸腐敗作用燃燒作用(2) CO2的環(huán)境濃度目前人們普遍認為:大氣CO2濃度的增加是全球溫室效應(yīng)的主要原因.人類活動的直接大量排放砍伐森林等使植被日趨減少陸地植被對CO2濃度變化的作用一:通過熱帶雨林地區(qū)土地利用方式的改變向大氣釋放CO2,加速溫室效應(yīng)的進程.二:溫帶林或北方森林通過吸收大氣中的CO2,減緩溫室效用的進程.陸地植被與大氣CO2濃度的關(guān)系還表現(xiàn)在植被對大氣CO2時空分布格局的顯著影響上。除了植被的影響,大氣-海洋之間的CO2交換量的變化也能對大氣CO2濃度的季節(jié)變化產(chǎn)生一定的影響.(3) CO2的危害CO2的危害?CO2如何引起溫室效應(yīng)? 溫室效

9、應(yīng) 所謂溫室效應(yīng)，就是太陽短波輻射可以透過大氣射入地面，而地面增暖后放出的長波輻射卻被大氣中的二氧化碳等物質(zhì)所吸收，從而使大氣變暖的效應(yīng)。大氣中的二氧化碳就像一層厚厚的玻璃，把地球變成了一個大暖房。據(jù)估計，如果沒有大氣，地表平均溫度就會下降到23，而實際地表平均溫度為15，這就是說溫室效應(yīng)使地表溫度提高38。 溫室效應(yīng)使氣溫升高，兩極冰川將熔化。 溫室效應(yīng)使海平面上升1米多 。由于氣溫升高，引起海水體積膨脹，海平面可能升高0.2-1.4米。海平面升高會淹沒許多城市和港口。 3.碳氫化合物碳氫化合物通常指C1C10的可揮發(fā)的碳氫化合物，包含烷烴、烯烴、炔烴、脂肪烴和芳香烴等，它們是形成光化學(xué)煙霧

10、的主要參與者;其中CH4是主要的碳氫化合物。甲烷是一種重要的溫室氣體;在大氣中的濃度僅次于CO2;可以吸收波長為7.7m的紅外輻射,每個CH4分子導(dǎo)致溫室效應(yīng)的能力是CO2分子的20倍;而且甲烷以1 %/a的速率增加.CH4的來源化石燃料；反芻類動物； 稻田；稻田是中國大氣中的最大排放源.其產(chǎn)甲烷機制是厭氧細菌的發(fā)酵過程。CH4的消除 因此：大氣中HO的減少會導(dǎo)致CH4濃度的增加,因此,大氣中CO等消耗HO的物質(zhì)的增加,會使HO的濃度降低,從而會導(dǎo)致大氣中CH4濃度的增加.CH4+HO CH3+H2OCO是間接溫室氣體4.含鹵素化合物有機鹵代烴、無機氯化物、氟化物等.(1)簡單的鹵代烴:甲烷的

11、衍生物(2)高級的鹵代烴:有機氯農(nóng)藥DDT 、六六六;PCB等(以氣溶膠形式存在)(3)氟氯烴類:同時含有氟和氯的烴類化合物.比較重要的是一氟三氯甲烷(CFC-11)和二氟二氯甲烷(CFC-12). 它們可以用作制冷劑、氣溶膠噴霧劑、電子工業(yè)的溶劑、塑料的泡沫發(fā)生劑和消防滅火劑等.氟氯烴的功與過鹵代烴中氟氯烴的研究是一個重大的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，它極大地改變了人類的生活質(zhì)量，但同時又造成了較明顯的污染問題。1928 年Midgley T 成功得到CCl2F2，這一成果在化學(xué)界引起了極大的反響，是氟化學(xué)發(fā)展過程中的一個里程碑。氟氯代烴的商品名又稱氟里昂(Freon)，二氟二氯甲烷(CCl2F2)則是其中

12、一種，CCl2F2是無色、無臭的氣體，沸點-29.8C。氟里昂類氣體是最常見的致冷劑，它們具備加壓容易液化，氣化熱大，安全性高，不燃，不爆、無嗅、無毒等優(yōu)良性能。利用它們不同的沸點可用于不同的致冷設(shè)備。如家用冰箱用CCl2F2 ，冷庫用CClF3和CHF3，空調(diào)器用CClF2CClF2等。氟氯烴的功與過氟里昂的另一大用處是作氣溶劑，將殺蟲劑和除草劑與適當?shù)姆锇航M成的混合物加壓溶解罐裝，使用時氟里昂溶劑在大氣壓下膨脹蒸發(fā)，其中含有殺蟲劑等溶質(zhì)形成極為分散的細小粒子，使用效果極佳。因此，廣泛用于香水、化妝品、農(nóng)藥、涂料、頭發(fā)噴霧劑等。由于氟里昂化學(xué)性能穩(wěn)定，不易分解，殘留在大氣中并不斷上升，故引起了人們對其最終去向的注意。1985 年的一份研究報告指出，地球表面臭氧濃度正以每年1%以上的速度降低，到1987 年，南極上空則已出現(xiàn)了臭氧空洞。1999 年9 月，南極上空臭氧層的濃度只有往年常量的2/3。人們發(fā)現(xiàn)，除了有同樣破壞臭氧層作用的氮氧化物外，這些不會分解的氟里昂是臭氧層的主要破壞者。它們到達臭氧層后,吸收3260nm波長以下的陽光，分解出氯自由基，使之與臭氧作用生成ClO自由基，引發(fā)鏈反應(yīng)，一個Cl原子可以破壞許多個O3分子從而造成了對臭氧層的破壞作用。貼近地面的臭氧是一種污染，但是高高浮在臭氧層的臭氧可以吸收200-300nm波長的紫外光。臭氧層