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大氣污染物的遷移

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上一篇：大氣污染與控制工程

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環境化學
冶金科學與工程學院
環境工程研究所

周康根
第二章  大氣環境化學
第一節   大氣的組成及其主要污染物
第二節   大氣中污染物的遷移
第三節   大氣中污染物的轉化
第四節   大氣顆粒物
第一節   大氣的組成及其主要污染物
一、大氣的主要成分
主要成分:    N2 (78.08%),  O2 (20.95%), 			       Ar (0.934%),  CO2(0.0314%)
稀有氣體:   He、Ne、Ke、Xe
水:  1%-3%（可變）
痕量組分:   H2,CH4,CO,SO2,NH3,N2O,NO2,O3
二、大氣層的結構
由于地球旋轉作用以及距地面不同高度的各層次大氣對太陽輻射吸收程度上的差異，使得大氣的溫度、成分、電荷性質等氣象要素在垂直方向上呈不均勻的分布。
1. 對流層
特點
大氣層的底層，平均厚度為12km；
對流層內大氣的重要熱源是來自地面的長波輻射，氣溫隨高度的增加而降低(0.6℃/100m)；
有發生氣體的垂直對流運動；
對流層可分為
摩擦層	自由大氣層	對流層頂層
海拔＜1～2km，大氣污染物一般停留在此層	海拔＞1～2km，大氣中絕大多數天氣現象都發生在這層	溫度低，水分子結冰，可阻止水分子進入平流層

2.平流層
指對流層頂部到50km的大氣空間; 
高度增加→氣溫升高(平流層頂部約0℃)。
在15-35km處存在臭氧層，可吸收太陽中的紫外線,使此層溫度隨高度升高而升高。
O3 + 紫外線 →　O2 + O → O3 + 熱量
平流層垂直對流運動很小，只有因地球自轉而產生的平流運動
3.中間層
處于50～80km高度。
氣溫隨高度的增加而降低。
垂直分布特征與對流層相似。
該層內空氣垂直運動相當強烈。

4.熱層(電離層)
在80～800km之間。
溫度隨高度的增加而迅速上升。
空氣稀薄，在紫外線和宇宙射線的輻射下，空氣高度電離。

5.逸散層
位于800km以上，空氣更為稀薄，大氣質點不斷地向星際空間逃逸。
三、大氣中的主要污染物
分類
按物理狀態分類：氣態污染物、顆粒物
按形成過程分類：
一次污染物：直接從污染源排放的污染物質   （CO, SO2, NO）
二次污染物：一次污染物經化學反應形成的污染物質（O3、硫酸鹽顆粒物）
按化學組成分類：含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物、含鹵素化合物
1. 含硫化合物
大氣中的主要含硫化合物
COS、CS2、
二甲基硫【(CH3)2S】
H2S
SO2、SO3、H2SO4
亞硫酸鹽、硫酸鹽。

(1) SO2
SO2的危害
危害人體呼吸道：它能刺激呼吸道增加呼吸阻力，造成呼吸困難，體積分數達到500×10-6就致人死亡。
危害植物的生長：高含量的SO2對植物也有危害，長期接觸會造成缺綠病和黃萎。
形成硫酸煙霧和酸雨：SO2在污染的大氣中易被氧化成SO3，與水結合形成硫酸分子，參與硫酸煙霧和酸雨的形成。
②SO2的來源與消除。
來源
全球范圍：由人為源和天然源排放到自然界的含硫化合物的數量相當。
大城市及其周圍地區：大氣中的SO2主要來源于含硫燃料的燃燒。
全世界每年由人為源排入大氣的SO2約為146×106t其中約有60%來自煤的燃燒，30%來自石油的燃燒和煉制。
消除
約有50%會轉化成硫酸或硫酸根
另外50%可以通過干、濕沉降從大氣中排除
SO2的城市濃度的變化規律
日變化規律：冬季早晨與傍晚高
 影響SO2濃度的天氣因素
風向：與SO2的關系主要表現為對SO2的水平輸送作用，高值污染體積分數常出現在大污染源的下風向。
風速大?。汉痛髿庀♂寯U散能力的大小存在著直接的對應關系。不管哪個高度上SO2的體積分數與風速基本上成反比的關系
湍流強弱：大氣穩定度對污染物的遷移擴散起重要作用。
逆溫現象：逆溫使污染物的擴散層高度降低
⑵ H2S
天然來源（ 100×106t/a，不包括火山活動排放）
火山噴發：SO2為主、少量H2S、(CH3)2S)
生物活動：動植物機體的腐爛時，機體中的硫酸鹽經微生物的厭氧還原產生
COS、CS2等的光化學轉化
人為來源（3×106t/a）
消除：通過自由基反應
HO·+ H2S→H2O+·SH
SH+·SH→H2S+S
2、含氮化合物
大氣中的主要氮氧化物：N2O、NO、NO2
（1）NOx的來源與消除
N2O：低層大氣中主要的含氮化合，主要來自于天然源（NO3-的反硝化）， 在低層大氣中很穩定，沒有明顯的污染效應。
NO和NO2：大氣中主要的含氮污染物，他們的人為來源主要是燃料的燃燒。城市大氣中的氮氧化物有2/3來自汽車等流動燃燒源的排放，1/3來自固定燃燒源的排放。且主要都是以NO的形式排放的。
消除方式：轉化成硝酸或硝酸鹽，經干沉降或濕沉降消除
（2）燃料燃燒過程中NOx的形成機理
①燃料中的含氮化合物在燃燒過程中產生NOx
   含氮化合物+O2→NOx
②燃燒過程中的N2在高溫（＞2100℃）條件下氧化生成NOx
O2→O·+ O·(極快)
O·+N2→NO+N·(極快)
N·+ O2→NO+ O·(極快)
N·+·OH→NO+H·(極快)
NO+ O2→NO2(慢)
（3）燃燒過程中影響NOx形成的因素
①燃燒溫度。燃燒溫度越高，形成的NO的數量越多。
②空燃比
（4）NOx的危害
NO可與血紅蛋白結合，減弱血液運輸能力
NO2對呼吸系統的損傷
體積分數為(50~100)×10-6時，吸入時間幾分鐘到一小時就會引起6~8周肺炎
體積分數為(150~200)×10-6時就會造成纖維組織變性性細支氣管炎，不及時治療將在中毒3~5周后死亡
? NO2的植物毒性：
NO2的體積分數達到10-6級時，植物葉片產生斑點，植物組織遭破壞
? NOx是導致大氣光化學污染的重要污染物質
3.含碳化合物
   大氣中的含碳化合物主要包括CO、CO2以及有機碳氫化合物和含氧烴類，如醛、酮、酸等。
（1） CO
人為來源 ：主要是燃料的不充分燃燒產生的。CO的人為來源約為(600~1250)×106，其中80%是由汽車排放的。
②天然來源：
主要來自甲烷的光化學轉化、海水中CO的揮發、植物的排放、以及森林火災和農業廢棄物焚燒，其中甲烷的轉化最為重要。
③CO的去除 
土壤吸收：土壤中生活的細菌能將CO代謝為CO2和CH4
	CO+ O2→CO2
	CO+3H2→CH4+H2O
與HO·反應：與自由基反應是大氣中CO的主要消除途徑，可去除大氣中50%的CO
	CO+ HO·→CO2+H·
	H·+O2+M→HO2·+M
	CO+ HO2·→CO2+ HO·
④ CO的危害
阻礙人體氧氣輸送，造成人體缺氧、窒息；
參與光化學煙霧的形成；
CO+ HO·→CO2+H·
H·+O2+M→HO2·+M
NO+ HO2·→NO2+ HO·
CO本身也是一種溫室氣體，可以導致溫室效應；
CO還可以通過消耗HO·自由基使甲烷積累而間接導致溫室效應的發生。
（2） CO2 
CO2是一種無毒、無味的氣體，對人體沒有顯著的危害作用。但它是重要的溫室氣體。

①  CO2的來源
人為來源：化石燃料的燃燒
天然來源：海洋脫氣、甲烷轉化、動植物呼吸、及腐敗作用和燃燒作用

②CO2的環境濃度
人類的許多活動都直接將大量的CO2排放到大氣中，同時，由于人類大量砍伐森林、毀滅草原，使地球表面的植被日趨減少，以致減少了整個植物從大氣中吸收CO2的數量。

③CO2危害
大氣CO2濃度自19世紀至今以每年（0.5-1.5）×10-6的體積分數增長，平均上漲幅度約為0.7×10-6。
人類活動產生的額外CO2有三條可能的出路：
一是進入海洋，使海水變酸；
二是進入生物圈；
三是停留在大氣圈，增加大氣CO2的含量。
  
    CO對大氣圈的影響最大，表現為吸收紅外熱輻射，造成地面大氣變暖，從而影響全球氣候。
（3）碳氫化合物
大氣中以氣態形式存在的碳氫化合物的碳原子數主要為1-10，包括可揮發性的所有烴類，它們是形成光化學煙霧的主要參與者，其他碳氫化合物主要以氣溶膠的形式存在。
主要包括烷烴、烯烴和芳香烴
在大氣污染研究中，常根據光化學反應活性的大小，把烷烴化合物區分為甲烷和非甲烷烴。
①甲烷
無色氣體，性質穩定，在大氣中的濃度僅次于二氧化碳，占碳氫化合物總量的80%-85%。
可吸收波長為7.7μm的紅外輻射，是一種重要的溫室氣體，每個甲烷分子導致溫室效應的能力比二氧化碳大20倍。
a 大氣中CH4的來源
無論是天然來源，還是人工來源，產生甲烷的機制都是厭氧細菌的發酵過程。

b.大氣中CH4的消除。
主要通過與 自由基反應而被消除：
CH4+ HO·→CH3·+H2O

少量的CH4（<15%）會擴散進入平流層，與氯原子反應：
CH4+ Cl·→CH3·+HCl
c. 大氣中CH4的濃度分布特征
   大氣中CH4增加的原因
CH4排放量的增加（70%）；
CO增加引起的大氣中+ HO·自由基的減少

②非甲烷烴
全球大氣中的非甲烷烴的來源包括煤、石油、植物等。
天然來源：以植被產生的為主
乙烯是植物散發出來的最簡單有機化合物之一
植物散發出來的大多數烴類屬于萜烯類化合物，約占非甲烷烴類總量的65%。
人為來源：汽油燃燒(38.5%);焚燒(28.3%);溶劑蒸發（11.3%）;石油蒸發和運輸損耗(8.8%) ;廢棄物提煉等(7.1%)。
消除：烷烴可通過光化學反應或轉化生成有機氣溶膠而去除
4、含鹵素化合物
簡單的鹵代烴
甲基氯（CH3Cl）、甲基溴（CH3Br）和甲基碘（CH3I）
它們主要由天然過程產生，主要來自海洋。
CH3Cl和CH3Br在對流層中，可以和 自由基反應，壽命較長。而CH3I在太陽作用下會發生光解，產生原子碘
由于許多鹵代烴是重要的化學溶劑，也是有機合成工業重要的原料和中間體，如三氯甲烷、氯乙烯等，均可通過生產和使用過程揮發進入大氣，成為大氣污染物。
鹵代烴的消除
在對流層中，三氯甲烷等可與 自由基反應轉化為HCl，然后經降水去除，如：

b. 氟氯烴類
①來源。
氟氯烴化合物是指同時含有元素氯和氟的烴類化合物，其中比較重要的是一氟三氯甲烷（CFC-11或F-11）和二氟二氯甲烷（CFC-12或F-12）。
大氣中的氟氯烴化合物主要是通過它們的生產和使用過程進入大氣的。
②消除方式
氟氯烴類化合物在對流層大氣中的性質非常穩定，難以被HO·氧化，也不易被降水清除，其最有可能的消除途徑是擴散進入平流層。

③危害
進入到平流層的氟氯烴類化合物，在強烈的紫外線作用下，產生Cl，最終使得O3層遭到破壞
氟氯烴類化合物也是溫室氣體，特別是CFC-11和CFC-12，大氣中每增加一個氟氯烴類化合物分子，就相當于增加了104個CO2分子。

第二節   大氣中污染物的遷移
大氣中污染物的遷移是指由污染源排放出來的污染物由于空氣的運動使其傳輸和分散的過程。
遷移過程可使污染物濃度降低。
大氣圈中空氣的運動主要是由于溫度差異而引起的。
第二節   大氣中污染物的遷移
一、輻射逆溫層
二、氣塊的絕熱過稅程和干絕熱遞減率
三、大氣穩定度
四、影響大氣污染物遷移的因素
第二節   大氣中污染物的遷移
一、輻射逆溫層
在對流層中，氣溫一般隨高度增加而降低。但在一定條件下有反?，F象. 定義大氣溫度垂直遞減率Γ=-dT/dz，當Γ=0時,稱為等溫氣層;當Γ<0時稱為逆溫氣層。
近地面層的逆溫以輻射逆溫為主。
逆溫對大氣的垂直運動有阻礙作用。

逆溫
近地面層的逆溫
自由大氣的逆溫

輻射逆溫
平流逆溫
融雪逆溫
地形逆溫

亂流逆溫
下沉逆溫
鋒面逆溫
 圖2-3：輻射逆溫
輻射逆溫的形成
因地面強烈輻射而冷卻降溫所形成
一般發生在平靜而晴朗的夜晚，距地面100-150米高度內。
 二、氣塊的絕熱過程和干絕熱遞減率
氣塊：在大氣中的空氣微團。

絕熱過程：假設氣塊與周圍的環境間沒有發生熱量交    
                         換，那么它的狀態變化過程就可以認為是
                         絕熱過程。

干過程：固定質量的氣塊所經歷的不發生水相變化的過
                    程，通常稱為干過程。它也是一個絕熱過程，
                    因而稱為干絕熱過程。
干氣塊在升降過程中的溫度變化
絕熱上升過程中,氣塊溫度降低。
由于外界壓力減小而膨脹,就要抵抗外界壓強而作功,這個功只能依靠消耗本身的內能來完成

從高處絕熱下降時，氣塊溫度升高。
由于外界壓強增大，就要對其壓縮而作功，這個功便轉化為這塊空氣的內能
20℃ 
21 ℃
100m
三、大氣穩定度
指大氣中某一高度上的氣塊在垂直方向上的相對穩定的程度。
氣塊的穩定性與大氣溫度垂直遞減率的關系
Γ（大氣溫度垂直遞減率）<Γd（干絕熱垂直遞減率），>Γd ，大氣不穩定；
Γ= Γd，大氣處于平衡狀態；
大氣溫度垂直遞減率越大，氣塊越不穩定；如果垂直遞減率很小，甚至形成等溫  或逆溫狀態，這時對大氣垂直對流動形成巨大的障礙。
大氣穩定度與氣溫垂直遞減率的關系
逆溫
、
絕對穩定

弱穩定

等溫變化
、
穩定
遞減率大
、
不穩定

干絕熱變化
、平衡狀態

不穩定
   穩定
   穩定
  圖2-5：未飽和空氣的三種不同穩定度
五、影響大氣污染物遷移的因素
影響因素

機械運動（風和湍流）

天氣形式和地理地勢造成的逆溫現象
污染源本身的性質
1. 風和大氣湍流的影響
自由大氣
(有規則運動)

摩擦層
(無規則運動)

風：速度的水平
方向分量
對流層中的
大氣運動

：亂流(湍流、對流)
鉛直運動: 速度
的垂直方向分量
污染物遷移的因素
①風: 可使污染物向下風向遷移;
②湍流:可使污染物向各方向遷移
③濃度梯度: 可使污染物發生質量擴散。
摩擦層中的亂流
從地面至1000~1500m高度間的具有亂流特征的氣層
摩擦層中大氣穩定度較低，污染物可自排放源向下風向遷移，從而得到稀釋。   
亂流起因：

動力亂流
（湍流）

熱力亂流
（對流）
是由于有規律水平運動的氣流遇
    到起伏不平的地形擾動所產生的。
是由于地表面附近的溫度不均一
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。

氣塊浮力加速度
用理想氣體方程代替:
氣塊會上升至T’與T相等為止(最大混合層高度)
最大混合層高度，垂直運動程度越大，用于稀釋污染物的
   大氣容積越大

圖2-6：不同情況下的最大混合層高度
2. 天氣形勢和地理地勢的影響
(1) 天氣形勢
天氣形勢指大范圍氣壓分布的狀況；
不利的天氣形式和地理特征結合在一起可使污染程度加劇
如高壓區的下沉逆溫，持續時間長，范圍分布廣，厚度大，容易造成大的污染事件
(2)地理地勢
由于不同地形地面之間的物理性質存在著很大差異，從而引起熱狀況在水平方向上分布不均勻。
熱力差異在弱的天氣系統條件下就有可能產生局地環流。
主要有:海陸風、城郊風和山谷風等
（1）海陸風
海洋由于有大量水其表面溫度變化緩慢，而大陸表面溫度變化劇烈。
白天陸地上空的氣溫比海面上空高，在海陸之間形成指向大陸的氣壓梯度，較冷的空氣從海洋流向大陸而生成海風。
夜間海面的溫度較陸地高，在海陸之間形成指向海洋的氣壓梯度，于是陸地上空的空氣流向海洋而生成陸風。

(1) 海陸風
海陸風對空氣污染的影響作用：
	①循環作用
		污染物可循環積累達到較高濃度
	②往返作用
	     在海陸風轉換時，污染物可往返于海陸間
（2）城郊風
在城市中大量燃料的燃燒，造成了市區溫度比郊 區高，這個現象稱為城市熱島效應。這樣，城市熱島上暖而輕的空氣上升，四周郊區的冷空氣向城市流動，形成城郊環流。
城郊風對空氣污染的影響：
    在城郊環流作用下，城市本身排放的煙塵等污染物聚積在城市上空，形成煙幕，導致市區大氣污染加劇。
（3）山谷風
是山坡和谷地受熱不均而產生的一種局地環流。
白天形成由谷底流向山坡的谷風。
夜間山坡上的冷空氣沿坡下滑形成山風。
夜間冷空氣沿坡下滑，在谷底聚積，往往造成嚴重空氣污染

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