環(huán)境化學(xué)第二章大氣環(huán)境化學(xué).ppt

第二章大氣環(huán)境化學(xué)當(dāng)前三大全球環(huán)境問題 氣候變化 酸沉降 臭氧層損耗都發(fā)生在大氣圈內(nèi) 第一節(jié)大氣的結(jié)構(gòu) 組成和性質(zhì)第二節(jié)污染物在大氣中的遷移第三節(jié)大氣中污染物的轉(zhuǎn)化第四節(jié)大氣顆粒物 1 污染物在大氣中的轉(zhuǎn)化1 光化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)2 自由基反應(yīng)和來源3 氮氧化物和碳?xì)浠衔?硫氧化合物的轉(zhuǎn)化2 幾種代表性的大氣環(huán)境污染問題1 酸雨 光化學(xué)煙霧 硫酸煙霧型污染2 溫室效應(yīng)3 臭氧層破壞3 大氣顆粒物1 粒徑分布2 三模態(tài)3 化學(xué)組成 重點(diǎn)內(nèi)容 第一節(jié)大氣結(jié)構(gòu) 組成和性質(zhì) 一 大氣垂直分層 二 大氣的組成 三 大氣中的主要污染物 一 大氣垂直分層 通常把靜態(tài)大氣的溫度和密度在垂直方向上的分布 稱為大氣溫度層結(jié)和大氣密度層結(jié) 平均厚度12km 赤道19km 兩極8 9km 云雨主要發(fā)生層 夏季厚 冬季薄 特點(diǎn) 1 氣溫隨高度升高而降低 2 空氣密度大 3 有三小層 天氣復(fù)雜多變 4 對流運(yùn)動強(qiáng)烈 一 對流層 每升高100m降低0 65 特點(diǎn) 1 空氣基本無對流 平流運(yùn)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) 厚度約20km的臭氧層 二 平流層對流層頂?shù)郊s50km 三 中間層從平流層頂?shù)郊s85km的高度 特點(diǎn) 1 空氣更稀薄2 無水分3 溫度隨高度增加而降低 中間層頂 氣溫最低 100 4 對流運(yùn)動強(qiáng)烈 5 中間層中上部 氣體分子 O2 N2 開始電離 四 熱層從80km到約500km的高度 特點(diǎn) 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 五 逸散層特點(diǎn) 1 500km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 二 大氣的組成 氣體組分和大氣顆粒物 一 氣體組分及分布 1 氣體組分 1 氮 78 08 氧 20 95 氬 0 934 CO2 0 0314 99 9 2 稀有氣體 H2 CH4 SO2 NH3 CO O3等 0 1 3 水 正常范圍1 3 二 大氣組分的停留時(shí)間 1 停留時(shí)間 某種組分在大氣中存在的平均時(shí)間 用 表示 P為該物質(zhì)的總質(zhì)量生成速率 I為該物質(zhì)的總質(zhì)量流入速率 R為該物質(zhì)的總質(zhì)量去除速率 O為該物質(zhì)的總質(zhì)量流出速率 假定大氣中某種組分的總量為M 那么其速率變化可表示為 dM dt P I R O 總的輸入速率 總的輸出速率 2 主要組分分布特點(diǎn) 1 N2一直延伸到100km 最大濃度出現(xiàn)在50Km N主要50 100km2 O2主要在低于60km O高于60km3 CO2主要在低于50km 集中2km4 水蒸汽主要在低于10km 集中6km 二 大氣組分的停留時(shí)間 當(dāng)大氣處于穩(wěn)定態(tài)條件下時(shí) P I R O 平均停留時(shí)間 二 大氣組分的停留時(shí)間 例如 含硫化合物在對流層的平均濃度為1 g kg 而對流層空氣總質(zhì)量為4 1021g 而硫的天然和人為源總貢獻(xiàn)為200 106t a 求硫停留時(shí)間 S總質(zhì)量M 4 1021 1 g kg 4 106t 4 106t 200 106t a 7 3d 二 大氣組分的停留時(shí)間 2 按停留時(shí)間對大氣組分分類 準(zhǔn)永久性氣體 可變化組分 強(qiáng)可變組分 準(zhǔn)永久性氣體 a N2 106 Ar 107 Ne 107 Kr 107 可變組分 a CO2 5 15 CH4 2 5 8 N2O 10 O2 10 強(qiáng)可變組分 d CO 73 185 H2O 10 SO2 2 NOx 10 三 大氣組分濃度表示法 1 體積濃度表示法 一百萬體積的空氣中所含污染物的體積數(shù) ppm ppb ppt 2 質(zhì)量濃度表示法 每立方米空氣中所含污染物的質(zhì)量數(shù) mg m3 g m3 表示為10 6 10 9 10 12 ppm和mg m3之間的換算 原因是有些大氣污染物的濃度是用ppm表示的 有些是用mg m3表示的 例1 求在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 30mg m3的氟化氫的ppm濃度 解 氟化氫的分子量為20 則 c 30 22 4 20 33 6ppm例2 已知大氣中二氧化硫的濃度為5ppm 求以mg m3表示的濃度值 解 二氧化硫的分子量為64 c 5 64 22 4mg m3 14 3mg m3 3 個(gè)數(shù) cm3 超微量組分 HO 分子 原子 一些自由基濃度為ppt級 經(jīng)常用每立方厘米中的分子個(gè)數(shù)來表示 這時(shí)可以有換算關(guān)系 標(biāo)態(tài)下 T 0 P 101 325Pa n 1mol V 22 4Ln V 2 46 1019個(gè)分子 cm3常溫下 T 25 P 101 325Pa n 1mol V Ln V 2 68 1019個(gè)分子 cm3則 1ppm相當(dāng)于2 46 1013個(gè)分子 cm31ppt相當(dāng)于2 46 107個(gè)分子 cm3 三 大氣中的主要污染物 按物理狀態(tài) 氣態(tài)污染物和顆粒物 按形成過程 一次污染物和二次污染物 按化學(xué)組成 含硫化物 含氮化合物 含碳化合物 含鹵素化合物 光化學(xué)氧化劑 5類 一次污染物 直接從污染源排放的污染物 二次污染物 由一次污染物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成的污染物 1 SO21 危害 一 含硫化合物的來源和演變 人呼吸道 損傷葉組織 造成缺綠病或黃萎 硫酸煙霧和酸性降水 1 SO22 來源 天然來源 火山噴發(fā) 土壤厭氧微生物與植物釋放 陸地上降雨 風(fēng)吹起的海鹽 人為來源 礦物燃料燃燒 硫化礦冶煉 3 清除 干濕沉降 1 SO24 濃度特征 1 SO24 濃度特征 夏季低 一天變化不大 冬季濃度高且變化大 隨高度增加而增加 隨風(fēng)向變化 2 H2S1 來源 主要天然來源 含硫有機(jī)物的分解 以及硫酸鹽在厭氧環(huán)境被反硫化細(xì)菌還原 2 清除 1 N2O 二 含氮化合物的來源和演變 天然來源 土壤硝酸鹽經(jīng)細(xì)菌脫氮 難溶于水 壽命長 穩(wěn)定在低層大氣中 但可在平流層發(fā)生光解 NO NO2 N2O NH3 2 NOx 二 含氮化合物的來源和演變 NO NO2 通式NOx 與血紅蛋白結(jié)合 肺炎 損傷葉組織 造成斑點(diǎn) 光化學(xué)煙霧 1 危害 2 NOx 二 含氮化合物的來源和演變 NO NO2 通式NOx 2 來源 人為污染 燃料高溫燃燒 主要 氮肥 炸藥 天然來源 光化學(xué)反應(yīng) 閃電 微生物固化 火山爆發(fā)森林失火 3 清除 干濕沉降 二 含氮化合物的來源和演變 NO NO2 通式NOx 4 燃料燃燒過程中NOx形成機(jī)理 N2在高溫下 2000 結(jié)論 燃燒過程中排放的氮氧化物主要為NO 占90 以上 其次才為NO2 僅占10 左右 1 CO 三 含碳化合物的來源和演變 CO CO2 CHx 含氧烴等 參與光化學(xué)煙霧形成 阻礙體內(nèi)氧氣輸送 1 危害 溫室氣體 導(dǎo)致溫室效應(yīng) 1 CO 三 含碳化合物的來源和演變 CO CO2 CHx 含氧烴等 2 來源 人為污染 燃料不完全燃燒 天然來源 海洋中生物作用 植物葉綠素的分解 森林火災(zāi) 甲烷光化學(xué)氧化 3 清除 土壤吸收 與HO 自由基反應(yīng) 主要途徑 1 CO 4 濃度特征 城市多于非城市 一天中峰值出現(xiàn)在早晚交通量大時(shí) 隨高度 緯度變化 北高南低 2 CO2 三 含碳化合物的來源和演變 CO CO2 CHx 含氧烴等 1 危害 溫室氣體 導(dǎo)致溫室效應(yīng) 2 來源 人為污染 礦物質(zhì)燃料燃燒 森林破壞 天然污染 海洋脫氣 甲烷轉(zhuǎn)化 動植物呼吸 腐敗 森林火災(zāi) 2 CO2 三 含碳化合物的來源和演變 CO CO2 CHx 含氧烴等 3 清除 植物光合作用 海水吸收后以碳酸鹽形式存在 3 CHX 氣態(tài)存在于大氣中的是碳原子數(shù)在1 10 包括可揮發(fā)性的所有烴類 烯烴 芳香烴 是形成光化學(xué)煙霧的主要參與者 相比較而言 開放程度大的鏈烯烴活性高于較為封閉的環(huán)烯烴 含有氧原子的碳?xì)浠锘钚愿哂阪溚闊N 甲烷 1 危害 溫室氣體 導(dǎo)致溫室效應(yīng) 2 來源 燃料燃燒過程 原油以及天然氣的泄漏 厭氧細(xì)菌發(fā)酵為主 溫室效應(yīng)比CO2大20倍 3 清除 主要 4 濃度特征 夏低冬高 北半球高 四 鹵代烴的來源和演變 1 來源 人為污染 有機(jī)化學(xué)溶劑揮發(fā) 天然污染 海洋 四 鹵代烴的來源和演變 2 氟氯烴類 1 危害 破壞臭氧層 溫室氣體 通式CnH2n x yFxCly 通式x y 2n 2 CFC 四 鹵代烴的來源和演變 2 氟氯烴類 2 來源 主要來自人為污染源 3 清除 五 光化學(xué)氧化劑的來源和演變 臭氧 過氧化物 過氧?；跛狨?臭氧產(chǎn)生途徑很多 大氣光化學(xué)反應(yīng) 森林火災(zāi) 電解硫酸 過氧乙酰硝酸酯 PAN 第二節(jié)大氣中污染物的遷移 一 輻射逆溫層 二 大氣穩(wěn)定度 三 大氣污染數(shù)學(xué)模式 四 影響大氣污染物遷移的因素 一 輻射逆溫層 對流層大氣的重要熱源是來自地面的長波輻射 故離地面越近氣溫越高 離地面越遠(yuǎn)氣溫越低 隨高度升高氣溫的降低率稱為大氣垂直遞減率 dT dz對流層中 dT dz 0 0 65K 100m一定條件下出現(xiàn)反?，F(xiàn)象當(dāng) 0時(shí) 稱為等溫層 當(dāng) 0時(shí) 稱為逆溫層 這時(shí)氣層穩(wěn)定性強(qiáng) 對大氣的垂直運(yùn)動的發(fā)展起著阻礙作用 2 自由大氣的逆溫 根據(jù)逆溫形成的過程不同 可分為兩種 1 近地面層的逆溫 輻射逆溫產(chǎn)生特點(diǎn) 是地面因強(qiáng)烈輻射而冷卻降溫所形成的 這種逆溫層多發(fā)生在距地面100 150m高度內(nèi) 有云和有風(fēng)都能減弱逆溫 風(fēng)速超過2 3m s 逆溫就不易形成 最有利于輻射逆溫發(fā)展的條件是平靜而晴朗的夜晚 T 100 150m 平靜而晴朗的夜晚 下圖白天的層結(jié)曲線為ABC夜晚近地面空氣冷卻較快 層結(jié)曲線變?yōu)镕EC 其中FE為逆溫層 以后隨著地面溫度降低 逆溫層加厚 在清晨達(dá)到最厚 如DB段 日出后地面溫度上升 逆溫層近地面處首先破壞 自下而上逐漸變薄 最后消失 輻射逆溫的生消過程 大氣某些性質(zhì)與大氣污染的關(guān)系 1 風(fēng)和大氣湍流的影響1 影響污染物在大氣中擴(kuò)散的三個(gè)因素 風(fēng) 氣塊規(guī)則運(yùn)動時(shí)水平方向速度分量 使污染物向下風(fēng)向擴(kuò)散 豎直方向的為鉛直運(yùn)動 大尺度 系統(tǒng)性鉛直運(yùn)動 小尺度 對流湍流 使污染物向各個(gè)方向擴(kuò)散 濃度梯度 使污染物發(fā)生質(zhì)量擴(kuò)散 三種作用中風(fēng)和湍流起主導(dǎo)作用 四 影響大氣污染物遷移的因素 2 摩擦層底部與地面接觸 具有亂流特征的氣層 也稱亂流混合層 厚度1000到1500米之間 污染物主要在該層擴(kuò)散 動力亂流 也稱為湍流 起因于有規(guī)律水平運(yùn)動的氣流遇到起伏不平的地形擾動所產(chǎn)生的 熱力亂流 又稱對流 起因于地表面溫度與地表面附近溫度不均一 近地面空氣受熱膨脹而上升 隨之上面的冷空氣下降 從而形成對流 兩種形式的亂流常并存 3 氣體污染物的擴(kuò)散 很大程度取決于對流混合的程度 垂直運(yùn)動程度越大 用于稀釋污染物的大氣容積量也就越大 1 天氣形勢 指大范圍氣壓分布的狀況 局部地區(qū)的氣象