大气环境化学.pptx
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1、环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:421第一节第一节 大气的组成及其主要污染物大气的组成及其主要污染物Contents 大气的主要成分 One大气层的结构 Two大气中的主要污染物 Three环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:422一、大气的主要成分一、大气的主要成分N2O2Ar&CO2H2O稀有气体稀有气体大气固体悬大气固体悬浮物浮物0%20%40%60%80%100%78.09%20.95%0.943%+0.0314%0.10.5%0%降尘降尘(大于大于10um)、飘尘、飘尘(小于小于10um)环境化学第二章大气环境化学2024/3/
2、26 周二 13:423第一节第一节 大气的组成及其主要污染物大气的组成及其主要污染物Contents 大气的主要成分 One大气层的结构 Two大气中的主要污染物 Three环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:424二、大气层的结构二、大气层的结构对流层:对流层:是大气的底层,其平均厚是大气的底层,其平均厚度为度为12km。该层内气温随高度的增。该层内气温随高度的增加而降低,空气垂直对流运动强烈,加而降低,空气垂直对流运动强烈,污染物的迁移转化过程也主要发生污染物的迁移转化过程也主要发生在对流层在对流层。原因如下原因如下:从污染源排放出来的污:从污染源排放出来的污染物几
3、乎都直接进入对流层;该层染物几乎都直接进入对流层;该层内含有全部大气质量内含有全部大气质量3/4的大气和几的大气和几乎所有的水汽、空气的运动;该层乎所有的水汽、空气的运动;该层有风、雨、雷电和冷暖转变等天气有风、雨、雷电和冷暖转变等天气现象。现象。对流层顶部温度低,水汽变冰,对流层顶部温度低,水汽变冰,防防止氢的逸失止氢的逸失。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:425二、大气层的结构二、大气层的结构很适合高空飞行?很适合高空飞行?空气主要做水平运动,对流微弱,气流平稳,空气主要做水平运动,对流微弱,气流平稳,几乎没有水蒸气和尘埃,透明度好,极少云几乎没有水蒸气和尘埃,透
4、明度好,极少云雨等天气现象,因此,超高速飞机多在平流雨等天气现象,因此,超高速飞机多在平流层底部飞行,既平稳又安全。层底部飞行,既平稳又安全。平流层:平流层:位于对流层之上,无对流;空气稀位于对流层之上,无对流;空气稀薄,水汽、尘埃甚微;在薄,水汽、尘埃甚微;在30km30km以下的低层,以下的低层,气温随着高度的增加保持不变,从气温随着高度的增加保持不变,从30-50km30-50km,有有臭氧层臭氧层。高层臭氧优先吸收紫外辐射而使。高层臭氧优先吸收紫外辐射而使得温度增加。该层内气体状态非常稳定。污得温度增加。该层内气体状态非常稳定。污染物进入平流层后,它会由此而形成一薄层,染物进入平流层后
5、,它会由此而形成一薄层,使污染物遍布全球。使污染物遍布全球。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:426二、大气层的结构二、大气层的结构中间层:中间层:臭氧层消失,气温随高度臭氧层消失,气温随高度增加而降低,顶部可达增加而降低,顶部可达-92-92左右。左右。对流运动非常激烈。对流运动非常激烈。热层(电离层):热层(电离层):气温随高度的增气温随高度的增加而迅速上升,紫外线绝大部分被加而迅速上升,紫外线绝大部分被吸收。吸收。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:427第一节第一节 大气的组成及其主要污染物大气的组成及其主要污染物Contents 大气的主
6、要成分 One大气层的结构 Two大气中的主要污染物 Three环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:428三、大气中的主要污染物三、大气中的主要污染物一次污染物一次污染物:指直接从污染源排放的污染物质,如:指直接从污染源排放的污染物质,如COCO、SOSO2 2等等;二次污染物:二次污染物:指由一次污染物经化学反应形成的污染物质,如指由一次污染物经化学反应形成的污染物质,如O3、硫酸盐颗粒物等;、硫酸盐颗粒物等;大气污染物按照化学组成还可以分为:大气污染物按照化学组成还可以分为:含硫化合物含硫化合物 sulfur containing compounds 含氮化合物含氮化
7、合物 nitrogen containing compounds 含碳化合物含碳化合物 carbon containing compounds 含卤素化合物含卤素化合物 halogen containing compounds环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:429大气中的含硫化合物主要包括:氧硫化碳大气中的含硫化合物主要包括:氧硫化碳(COS)、二硫化碳、二硫化碳(CS2)、二甲基硫、二甲基硫(CH3)2S、硫化氢、硫化氢(H2S)、二氧化硫、二氧化硫(SO2)、三、三氧化硫氧化硫(SO3)、硫酸、硫酸(H2SO4)、亚硫酸盐、亚硫酸盐(MSO3)和硫酸盐和硫酸盐(M
8、SO4)等。等。(1)二氧化硫()二氧化硫(sulfur dioxide,SO2)I.SO2的危害:刺激性气体的危害:刺激性气体,呼吸道危害;植物危害;酸雨呼吸道危害;植物危害;酸雨II.SO2的来源与消除:有的来源与消除:有60来自煤的燃烧,来自煤的燃烧,30左右来自左右来自 石油燃烧和炼制过程;有石油燃烧和炼制过程;有50%会转化形成硫酸或硫酸根,会转化形成硫酸或硫酸根,另外另外50%可以通过干湿沉降从大气中被消除。可以通过干湿沉降从大气中被消除。III.SO2的浓度特征:本底浓度一般在的浓度特征:本底浓度一般在0.210L/m3之间,之间,停留时间停留时间36.5天。天。环境化学第二章大
9、气环境化学2024/3/26 周二 13:4210环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4211西安地区西安地区SOSO2 2的质量浓度是变化曲线的质量浓度是变化曲线早、晚早、晚SO2排放量大,且逆温层排放量大,且逆温层低,空气稳定,排放的低,空气稳定,排放的SO2不易不易扩散。扩散。影响因素包括:影响因素包括:高度、污染源位高度、污染源位置与风向、风速、大气稳定度、置与风向、风速、大气稳定度、低层逆温、湍流低层逆温、湍流为什么说:早晚不宜进行为什么说:早晚不宜进行室外活动?室外活动?环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4212大气中存在的含量比较高的
10、氮的氧化物主要包括氧化亚氮大气中存在的含量比较高的氮的氧化物主要包括氧化亚氮(N2O)、一氧化氮()、一氧化氮(NO)和二氧化氮()和二氧化氮(NO2)。其中氧化)。其中氧化亚氮(亚氮(N2O)是低层大气中含量最高的含氮化合物,其主要)是低层大气中含量最高的含氮化合物,其主要来自于天然源、即由土壤中硝酸盐(来自于天然源、即由土壤中硝酸盐(NO3-)经细菌的脱氮作)经细菌的脱氮作用而产生:用而产生:由于在低层大气中由于在低层大气中N2O非常稳定,是停留时间最长的氮的氧非常稳定,是停留时间最长的氮的氧化物,一般认为其没有明显的污染效应。化物,一般认为其没有明显的污染效应。主要讨论一氧化氮(主要讨论
11、一氧化氮(NO)和二氧化氮()和二氧化氮(NO2),用通式),用通式NOx表示。表示。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4213NO和NO2是大气中主要的含氮污染物,它们的人为来源主要是燃料的燃烧。一般有2/3来自汽车等流动源的排放,1/3来自固定源的排放。NO占90以上;NO2占0.5到10。NOx最终将转化为硝酸和硝酸盐微粒经湿沉降和干沉降从大气中去除。其中湿沉降是最主要的消除方式。(1)NOx的来源与消除的来源与消除环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4214a NO的生物化学活性和毒性都不如的生物化学活性和毒性都不如NO2,可与血红蛋白结,
12、可与血红蛋白结合,并减弱血液的输氧能力合,并减弱血液的输氧能力b NO2使肺部损伤使肺部损伤c 植物毒性植物毒性d NOx是导致大气光化学污染的重要污染物质是导致大气光化学污染的重要污染物质(2)NOx的危害的危害环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4215(1)一氧化碳)一氧化碳CO是一种毒性极强、无色、无味的气体I.CO的人为来源:燃料不完全燃烧,CO氧化为CO2的速率极慢,80是由汽车排放出来的,家庭炉灶、工业燃煤锅炉、煤气加工等工业过程也排放大量的CO。II.CO的天然来源:主要包括甲烷的转化、海水中的CO的挥发、植物的排放以及森林火灾和农业废弃物焚烧。其中以甲烷
13、的转化最为重要。CH4经HO自由基氧化可形成CO环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4216III.CO的去除的去除 土壤吸收:细菌能将土壤吸收:细菌能将CO代谢为代谢为CO2和和CH4 与与HO自由基的反应,该途径可去除大气中约自由基的反应,该途径可去除大气中约50的的COIV.CO的停留时间及浓度分布:约的停留时间及浓度分布:约0.4年年V.CO的危害:使人体缺氧窒息;参与光化学烟雾,适量的危害:使人体缺氧窒息;参与光化学烟雾,适量CO的的存在可以促进存在可以促进NO向向NO2的转化,从而促进了的转化,从而促进了臭氧臭氧的积累。的积累。环境化学第二章大气环境化学202
14、4/3/26 周二 13:4217 CO本身也是一种本身也是一种温室气体温室气体,可以导致温室效应;大气,可以导致温室效应;大气中中CO的增加,将导致大气中的增加,将导致大气中HO自由基减少自由基减少,这使得可与,这使得可与HO自由基反应的物种如甲烷得以积聚。自由基反应的物种如甲烷得以积聚。甲烷甲烷是一种是一种温室气温室气体体,可吸收太阳光谱的红外部分。因此,一氧化碳还可以通,可吸收太阳光谱的红外部分。因此,一氧化碳还可以通过消耗过消耗HO自由基使甲烷积累而间接的导致自由基使甲烷积累而间接的导致温室效应温室效应的发生。的发生。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4218(
15、2)二氧化碳)二氧化碳CO2是一种无毒、无味的气体,对人体没有是一种无毒、无味的气体,对人体没有显著的危害作用。温室气体。显著的危害作用。温室气体。I.CO2的来源:大气中的来源:大气中CO2的来源也包括的来源也包括人为来源人为来源和和天然来天然来源源两种。两种。CO2的人为来源主要是来自于的人为来源主要是来自于矿物燃料的燃烧过程矿物燃料的燃烧过程。CO2的天然来源主要包括:的天然来源主要包括:海洋脱气海洋脱气、甲烷转化甲烷转化、动植物动植物呼吸呼吸和和腐败作用腐败作用以及以及燃烧作用燃烧作用。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4219II.CO2的环境浓度的环境浓度的
16、环境浓度的环境浓度人类的许多活动都直接将大量的人类的许多活动都直接将大量的CO2排放到大气中;同排放到大气中;同时,由于人类大量砍伐森林、毁灭草原,使地球表面的植时,由于人类大量砍伐森林、毁灭草原,使地球表面的植被日趋减少,以致减少了整个植物界从大气中吸收被日趋减少,以致减少了整个植物界从大气中吸收CO2的数的数量的数量。量的数量。过去过去250250年来大气中年来大气中COCO2 2体积分数的变化体积分数的变化60 年代年代:0.8 mL/m3 80 年代的年代的:1.6 mL/m3环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4220III.CO2的危害的危害温室效应:温室效应
17、:CO2分子对可见分子对可见光几乎完全透过,但是对光几乎完全透过,但是对红外热辐射,特别是波长红外热辐射,特别是波长在在1218m范围内的红外范围内的红外热辐射,则是一个很强的热辐射,则是一个很强的吸收体,因此低层大气中吸收体,因此低层大气中的的CO2能够有效地吸收地面能够有效地吸收地面发射的长波辐射,造成温发射的长波辐射,造成温室效应,使近地面大气变室效应,使近地面大气变暧。暧。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4221(3)碳氢化合物)碳氢化合物 碳氢化合物是大气中的重要污染物碳氢化合物是大气中的重要污染物。大气中以气态存在的碳氢化合物的碳原子数主要在大气中以气态存
18、在的碳氢化合物的碳原子数主要在1至至10之之间,包括可挥发性的所有烃类。它们是形成间,包括可挥发性的所有烃类。它们是形成光化学烟雾光化学烟雾的主要的主要参与者。其他碳氢化合物大部分以气溶胶形式存在于大气中。参与者。其他碳氢化合物大部分以气溶胶形式存在于大气中。烷烃;烯烃;芳香烃烷烃;烯烃;芳香烃 人们常常根据烃类化合物在光化学反应过程中活性的大小,人们常常根据烃类化合物在光化学反应过程中活性的大小,把烃类化合物区分为甲烷(把烃类化合物区分为甲烷(CH4)和非甲烷烃()和非甲烷烃(NMHC)两类。)两类。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4222I.甲烷甲烷methane
19、 甲烷是无色气体、性质稳定。它在大气中的浓度仅次于甲烷是无色气体、性质稳定。它在大气中的浓度仅次于二氧化碳,二氧化碳,大气中的碳氢化合物有大气中的碳氢化合物有8085%是甲烷是甲烷。甲烷是。甲烷是一种重要的温室气体,可以吸收波长为一种重要的温室气体,可以吸收波长为7.7m的红外辐射,的红外辐射,将辐射转化为热量,影响地表温度。将辐射转化为热量,影响地表温度。每个每个CH4分子导致温室分子导致温室效应的能力比效应的能力比CO2分子大分子大20倍倍;而且,目前甲烷以每年;而且,目前甲烷以每年1%的速率增加,增加速度之快在其他温室气体中是少见的。的速率增加,增加速度之快在其他温室气体中是少见的。环境
20、化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4223(a)大气中)大气中 CH4的来源的来源 天然源:天然源:CH4主要是由厌氧细菌的发酵过程。如沼泽、泥塘、湿冻土主要是由厌氧细菌的发酵过程。如沼泽、泥塘、湿冻土 带、海洋微生物等产生。带、海洋微生物等产生。人为源:人为源:化石燃料(煤、石油、天然汽)、反刍类家畜、水田、生化石燃料(煤、石油、天然汽)、反刍类家畜、水田、生物质燃烧、废弃物填埋、动物排泄物、下水道处理。物质燃烧、废弃物填埋、动物排泄物、下水道处理。中国是一个农业大国,其水稻田面积约占全球水稻田面积的中国是一个农业大国,其水稻田面积约占全球水稻田面积的1/3。因。因 而水
21、稻田成为中国大气中甲烷的最大的排放源。而水稻田成为中国大气中甲烷的最大的排放源。(b)大气中)大气中CH4的消除的消除 甲烷在大气中主要是通过与甲烷在大气中主要是通过与HO自由基反应被消除:自由基反应被消除:CH4在大气中的寿命约为在大气中的寿命约为11年。近年。近200年来大气中甲烷浓度的增加,年来大气中甲烷浓度的增加,70是由于直接排放的结果,是由于直接排放的结果,30则是由于大气中则是由于大气中HO自由基浓度的下自由基浓度的下降所造成的。降所造成的。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4224II.非甲烷烃非甲烷烃(nonmethane hydrocarbons,N
22、MHC)全球大气中非甲烷烃的来源包括煤、石油和植物等。非全球大气中非甲烷烃的来源包括煤、石油和植物等。非甲烷烃的种类很多,因来源而异。甲烷烃的种类很多,因来源而异。(a a)天然来源产生的非甲烷烃)天然来源产生的非甲烷烃 植被最重要,其他天然来源则包括微生物、森林火植被最重要,其他天然来源则包括微生物、森林火灾、动物排泄物及火山喷发。灾、动物排泄物及火山喷发。乙烯萜烯类化合物约占非甲烷烃总量的乙烯萜烯类化合物约占非甲烷烃总量的6565环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4225(b)非甲烷烃的人为来源)非甲烷烃的人为来源 汽油燃烧汽油燃烧 焚烧焚烧 溶剂蒸发溶剂蒸发 石油
23、蒸发和运输损耗石油蒸发和运输损耗 废物提炼废物提炼 以上五种来源产生的非甲烷烃的数量约占碳氢化合物以上五种来源产生的非甲烷烃的数量约占碳氢化合物人为来源的人为来源的 95.8(c)非甲烷烃的去除途径)非甲烷烃的去除途径 大气中的非甲烷烃可通过化学反应或转化生成有机气大气中的非甲烷烃可通过化学反应或转化生成有机气溶胶而去除。非甲烷烃在大气中最主要的化学反应是与溶胶而去除。非甲烷烃在大气中最主要的化学反应是与 HO自由基的反应。自由基的反应。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4226(1 1)简单的卤代烃如甲基氯(CH3)Cl、甲基溴(CH3)Br和甲基碘(CH3)I。它们
24、主要由天然过程产生,主要来自于海洋。CH3Cl和和CH3Br寿命较长,可以扩散进入平流层。而CH3I在对流层大气中,主要是在太阳光作用下发生光解,产生原子碘:该反应使得CH3I在大气中的寿命仅约8 天。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4227 许多卤代烃是重要的化学溶剂,也是有机合成工业的重要的原料和中间体,因此,三氯甲烷(CHCl3)、三氯乙烷(CH3CCl3)、四氯化碳(CCl4)和氯乙烯(C2H3Cl)等可通过生产和使用过程挥发进入大气,成为大气中常见的污染物。它们主要是来自于人为来源。在对流层中,三氯甲烷和氯乙烯等可通过与HO自由基反应,转化为HCl,然后经降
25、水而被去除。如:环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4228(2 2)氟氯烃类一氟三氯甲烷(CFCl3,CFC-11或F-11)二氟二氯甲烷(CF2Cl2,CFC-12或F-12)它们可以用做致冷剂,气溶胶喷雾剂,电子工业的溶剂,制造塑料的泡沫发生剂和消防灭火剂等。环境化学第二章大气环境化学2024/3/26 周二 13:4229II.II.消除方式消除方式 氟氯烃类化合物在对流层大气中性质非常稳定。氟氯烃类化合物在对流层大气中性质非常稳定。由于它们能透过波长大于由于它们能透过波长大于290nm290nm的辐射,故在的辐射,故在对流层对流层大气中不发生光解反应;大气中不发
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