第二章大气环境化学-课件.ppt
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- 第二 大气环境 化学 课件
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1、大大 气气 环环 境境 化化 学学 第二章第二章 天然大气化学 大气污染化学第一节、大气环境化学的基础知识第一节、大气环境化学的基础知识 覆盖在地球表面并随地球引力而旋转的大气层叫做大气圈。地球上的大气是自然环境的组成部分。人类一刻也离不开大气,大气又是人类极其重要的自然资源。在环境保护中,对特定场所或区域,供人和动植物生存的气体称为“空气”。而以大区域或全球性的气流为研究对象时,则采用“大气”一词。一、大气的组成一、大气的组成 大气总质量约为5.31018,相当于地球质量的1 106倍,其质量的99.9(99%)集中在50km(29km)以下范围内。包括:N2(78.08)、O2(20.95
2、)、Ar(0.934)、CO2(0.0314)。希有气体:He、Ne、Kr、Xe的含量相对也是较高的。上述气体约占空气总量的99.9 以上。水的含量一般在13范围内变化。除此之外,还包括很多痕量组分,如H2、CH4、CO、SO2、NH3、NO2、O3等。二、大气层结构二、大气层结构 划分依据:大气组成状况及在垂直高度上的温度变化。大气的垂直分层大气的垂直分层对流层对流层平流层平流层对流旺盛近地面,纬度不同厚度变;高度增来温度减,只因热源是地面;天气复杂且多变,风云雨雪较常见气温初稳后升热只因层中臭氧多水平流动天气好高空飞行很适合上冷下热上冷下热高空对流高空对流电电离离层层高高层层大大气气电离层
3、能反射无线电波,对无线电通讯有重要作用大气圈被分为五层大气圈被分为五层 a a、对流层、对流层tropospheretroposphere平均厚度平均厚度12km12km 特点:一是密度大,含有全部大气质量34的大气和几乎所有的水汽;二是温度随高度上升而降低(因受地面辐射影响),大约每升高100m,温度降低0.6(绝大部分空气组分不能直接吸收太阳能,只能吸收地面辐射能,因此,对流层温度随高度的增加而降低)-下热上冷下热上冷。吸收地表热量,低层空气先被加热,而后热量被传递到高层;由于海、陆、昼、夜及纬度、地形的差别,低层空气的温度差异很大,形成了垂直和水平方向的对流,此为对流层的重要特性之一。思
4、考题:为什么污染物的迁移转化主要发生在对流层?(human being)对流层顶层的气体温度特别低,水分子到达这一层后迅速地被转化成冰,从而阻止水分子进入平流层,否则,一旦进入会发生光解产生H,其会脱离大气,从而造成大气氢的损失。天气现象、污染物生成b b、平流层、平流层 stratospherestratosphere(同温层)高度约(同温层)高度约在在17-55 17-55 之间之间 在25km以下的低层,随高度增加气温保持不变或稍有上升。从25km开始,气温随高度的增加而升高。-上热下冷,上热下冷,空气垂直对流运动很小,只能随地球自转而产生平流运动,所以该层内气体非常稳定,污染物停留时间
5、长。臭氧层在平流层15-35高度范围内,该层集中了地球大气中大部分的臭氧,由于臭氧能强烈地吸收太阳的紫外线辐射而光解,当它们又重新化合为臭氧时,便可释放出大量的热能,因此,温度随高度的增加而上升。O3h O2O O2O+M O3 h 问题:飞机多在平流层底部飞行的原因?c c、中间层、中间层 mesosphere mesosphere(过渡层(过渡层85Km)85Km)这一层空气变得较稀薄,同时由于臭氧层的消失,温度随高度增加而降低,降至-92,-上冷下热上冷下热,空气垂直运动相当强烈。d d、热层、热层 thermosphere thermosphere 约约800km800km 该层空气更
6、加稀薄,大气质量仅占总质量的0.5。同时,由于太阳所发出的紫外线绝大部分都被这一层的物质所吸收,使得大气温度随高度的增加而迅速增加。在太阳紫外线和宇宙射线作用下,该层空气处于高度电离状态,因此也称为电离层。问题:为什么夜间的无线电收音特别清晰?e e、外逸层、外逸层 exoatmospheexoatmosphe(逸散层)(逸散层)800Km800Km 逸散层空气空气极为稀薄,其密度几乎与太空密度相同,故又常称为外大气层。关于该层的上界到哪还没有一致的看法。由于空气受地心引力极小,气体及微粒可从这一层飞出地球重力场而进入太空。该层的温度随高度增加而略有增加。三、大气温度层结三、大气温度层结a.a
7、.气温垂直递减率气温垂直递减率r=-dT/dZ T(r=-dT/dZ T(热力学温度热力学温度,K)Z(,K)Z(高度,高度,m)m)r r0 气温随高度的增加而递减(气温随高度的增加而递减(10000)米)米r r0 气温随高度的增加而增加气温随高度的增加而增加r=0 r=0 气温不随高度的变化而变化气温不随高度的变化而变化 (等温层)(等温层)b.b.辐射逆温层辐射逆温层 近地面层的逆温多由于热力条件而形成,以辐射逆温为主。辐射逆温是地面因强烈辐射而冷却降温所形成的。这种逆温多发生在距地面100-150米的高度内。最有利于辐射逆温发展的条件是平静而晴朗的夜晚。有云和有风都能减弱逆温。c.c
8、.气块的绝热过程气块的绝热过程绝热过程:干过程:固定质量的气块所经历的不发生水相变化的过程。没有液态水或固态水的出现。干气块在绝热上升过程中,温度降低;相反,在绝热下降过程中,温度升高。四、四、大气稳定度大气稳定度气块在大气中的稳定度与大气垂直递减率(r)和干绝热垂直递减率(rd)两者有关。rd=0.98/100m=1/100mrrd,大气是稳定的;rrd,大气是不稳定的;r=rd,大气处于平衡状态。r越大,气块越不稳定;反之,越稳定。五 对流层的组成和性质 气温:1.5m P14 湿度:水汽质量/干空气 空气中水汽的绝对量P15 露点 气 液 气-固 活性微粒(自由基)六、影响大气污染物迁移
9、的因素六、影响大气污染物迁移的因素 1、气象动力因子的影响(1)风气块在水平方向的规则运动产生风。a、风速:由于地表摩擦作用,越近地面,风速越低;高度越高,风速越大,单位时间内污染物被输送的距离越远,混合空气量越大,污染物浓度越低。风速大小直接决定了某一地区污染物的大气稀释能力。b、风向:风吹来的方向。风使污染物向下风向扩散,但风向一年四季里随时在变化。风向频率:某方向的风占全年风向总和的百分率,决定了污染物被风吹向下风向的时间长短。(2)湍流(乱流)a、动力乱流:地表不均一、粗糙程度不同,有规律水平运动的气流受到地形扰动形成。通常所谓湍流即指动力乱流。b、热力乱流(又称对流):地表与其附近温
10、 度不均,近地面空气受热膨胀上升,随之上面的冷空气下降,形成对流。热力乱流和动力乱流往往同时存在,主次难分,因此乱流的强弱取决于二者的共同作用。但是,在气温的垂直分布上,呈现上冷下热时,热力乱流起主要作用;上热下冷时,动力乱流起主要作用。风和湍流共同作用,影响大气中污染物的分散,但湍流影响为主。湍流扩散速度比气体分子扩散速度快数十万倍。污染物在大气中的迁移,水平运动方向上污染物在大气中的迁移,水平运动方向上取决于风的平流输送,垂直方向上的扩散取取决于风的平流输送,垂直方向上的扩散取决于大气的湍流运动。决于大气的湍流运动。2、天气形势和地理地势的影响 A.天气形势和地理地势的概念天气形势和地理地
11、势的概念(1 1)天气形势)天气形势局部地区的气象条件(风、雨、雪等),受大的天气形势的影响。(2 2)地理地势)地理地势特定地形与特殊的天气状况往往共同决定了某一地区空气污染物的扩散和分布。如逆温现象,使污染物长时间积累在逆温层中难以扩散。B.B.影响因素影响因素 (1)山谷风山区往往山坡受热强,谷地受热弱,使得地表受热不均,引起局部气流有规律的变化(周期一昼夜),产生山风和谷风。山谷风转换时往往造成严重的空气污染。(2)海陆风海洋由于大量水的存在,温度变化缓慢,陆地表面温度变化剧烈,因此,在白天和夜间分别形成不同方向的空气流动。即海陆风。(Q:风向?)影响:循环作用,往返作用 (3)(3)
12、热岛效应(城郊风)热岛效应(城郊风)“热岛”指某个地区的气温显著高于周围地区,象大海中的孤岛,形成温度的“孤岛”。城市由于人口众多、工业发达,生活、生产排放大量热量;且建筑物集中、自然通风堵塞,使得城市低层空气温度比郊区高,该现象被称为热岛效应。城区空气受热上升,而郊区的冷空气向城市流动,形成热岛环流,导致城市本身排放的烟尘等污染物积聚在城市上空,形成烟幕,加剧大气污染。可能的治理可能的治理/预防措施预防措施 建筑物使用隔热材料和浅色涂装,推行楼顶绿化,增强日光反射;道路采用保湿性铺装,使雨水储存在路面内,保持一定湿度,从而降低路面温度;城市规划中注意留出“风道”,即合理布局道路、公园、建筑物
13、等,使城市周围的冷空气不受阻碍地进入市区,减少城市与周围地区的温度差;采取各种措施,尽可能减少向空气中的人工排热。区域大气化学:森林天然氧吧 P26-28 海面-天然降水的酸性组分(沼泽地及草地:硫酸、硝酸 海面:盐酸-盐雾试验)都市-燃烧 小环烃 气溶 胶 转化为有机酸;取代芳烃转化为酚 大气中的水循环:自由基反应 光反应 P22-24 胶体的通性:粒度活性、溶解性 电性 吸附性 气溶胶的性质及运移特点 P20 表面沉积 加速腐蚀 酸雨 引发感冒、支气管炎等人体疾病-粒度 浓度 化学组成 P21 降尘 飘尘IP/PM10 TSP 生态城市弗莱堡中随处可见天然植被生态城市弗莱堡中随处可见天然植
14、被给城市降温立体绿化给城市降温立体绿化 习题P48 1 2 6 7大气污染化学 空气质量标准:SO2 NOx PM10(particle matter 10um)TSP CO O3 API(1-50 51-100 101-150 151 200)酸雨 光化学烟雾 污染物单项污染指数/占标率,污染物的污染分指数,最大者为首要污染物-API-确定空气等级(1)光化学反应 photochemical reactions 由一个原子、分子、自由基或离子吸收一个光子所引发的反应,分为初级过程和次级过程。最容易发生光化学反应的:OH-、H2O2、O3等 Ah A+h:光子能量 1ev10ev 对应波长 1
15、00nm800nm h=普朗克常数6.62610-34焦/秒摩 频率 秒-1第二节第二节 大气污染大气污染 一 分类 污染源:点 一台机械 2010.12.01 CCTV-1 午间 13:00 走进科学“夺命井、”讲述云南一个边远小村,居住少数民族,特别信奉,一天上午,壮年男子吴某正用小型柴油机泵从井中抽水浇灌菜地,突见井边其衣服、手表及鞋,不见该人,仔细搜寻,在井中发现尸体。人们建议用此泵将井中水抽干以便打捞。村民下井打捞时又死1人,受伤4人。.新华网太原3月29日电(记者 叶健)记者从山西省介休市政府获悉,29日13时24分,介休市安泰集团25兆瓦电厂9号锅炉检修中发生一氧化碳中毒事故。当
16、班检修人员15人,事故发生后,又有2人进入现场抢救,现场人员共17人。截止到14时20分,已经确定9人死亡,8人正在紧急治疗中。事故发生后,介休市委市政府主要领导及时赶往第一现场指挥抢险。目前,事故处理正在处置中。一个企业、渣场及烟道 线:公路面:工业园区 污染物:CxOy,CxHyOn,NxOy二二 大气中污染物的转化大气中污染物的转化 物理方式:p36 扩散 沉积 化学途径:微生物:细菌作用 大气光化学反应A A 光化学反应有三种情况:光化学反应有三种情况:分子接受光能后,可能产生三种能量跃迁 a.电子的 UV-vis b.振动的 IR c.转动的 NMR a、电子被激发跃迁,并产生反应(
17、电激发态分子)b、多原子分子或双原子分子的键断裂(均裂产生自由基,异裂产生离子)c、电子被激发而脱离母体,产生光电离(离子)只有电子跃迁才可能产生光化学反应,对应:100800nmB 电激发态分子 electronically excited molecules 基态分子接受光能,被激发到高能量的激发态 NO2 h NO2*激发态分子丢失能量回到基态的主要形式:a、放热 O2*M O2M热 Mthird body=另一种分子或原子 b、分解 O2*OO(热电离层的主要反应)c、发光 发荧光、磷光等 NO2*NO2h d、分子内部能量转换 XY*XY+转换成另一种激发态 e、不同分子间能量转换
18、O2*Na O2Na*f、异构化 g、光离子化 N2*N2+e-光化学激发和各种可能的退激过程光化学激发和各种可能的退激过程有机化合物分子C hv 电激发态分子C*物理过程 化学过程a,以减少振动能方式释热,热量传递 a,光离解或光分解 给另一物质的分子、离子或原子 b,与其他物质发生反应b,以发生荧光或磷光的方式释能 c,光电离c,将能量转移给另一物质的分子、d,分子内重排 离子或原子,引起其发生反应 e,脱去H原子(光敏作用)。f,异构化 g,聚合 h,发生电子迁移C C 大气中常见的自由基及其反应大气中常见的自由基及其反应a、HO自由基 hydroxyl radicalsb、HO2自由基
19、 hydroperoxyl radicalsc、其它自由基:醛,酮,过氧自由基大气中存在的重要自由基有:HO、HO2、R(烷基)、RO(烷氧基)、RO2(过氧烷基),其中HO、HO2更为重要。1)1)大气中大气中HO的来源的来源清洁大气中,主要来自O3的光离解O3 +h O +O2O+H2O2HO污染大气中有HNO2和H2O2存在时,其光离解也产生HOHNO2 +h HO+NOH2O2 +h 2HO H2O +h HO+H HOHO的的反应:反应:HO +CO CO2 +HHO +HNO2 HNO3HO +CH4 CH3+H2O南半球的南半球的HO高出北半球的高出北半球的20%2)2)大气中大
20、气中HO2的来源及其反应的来源及其反应主要来源于醛类,尤其是甲醛的光解H2CO +h H+HCOH+O2 +M HO2+MHCO+O2 HO2+CO HO+CO CO2+H H+O2 HO2 任何光解过程只要有H 和HCO自由基生成,都可以与空气中的O2结合而生成HO2自由基。HOHO2 2的反应的反应HOO+NO HO+NO2HOO+O3 2O2+HO3)3)其他自由基的来源其他自由基的来源RH +O/HO R+HO/H2O 烷基自由基CH3ONO +h CH3O+NO 烷氧基自由基R+O2 RO2 过氧烷基自由基(4 4)氮氧化物的转化氮氧化物的转化(1)通式NOx表示NO和NO2 对流层
21、中危害大,引起酸雨和引发光化学烟雾 天然源天然源:闪电、火灾、大气中NH3,NO2的氧化 人为源:人为源:HNO3厂,氮肥厂,染料厂,煤气,抽烟,汽车尾气等 自然去除:自然去除:NOO3 NO2O2 NO2HOM HNO3M NO2O3 NO3O2 H2O NO2NO3 N2O5 2HNO3 HNO3NH3 NH4NO3 NOxNOx的治理的治理 减少NOx产生:烟道气回流,降低燃烧温度 对NOx回收净化:还原法、吸收法(NaOH+Na2S,NaOHNa2SO3,HNO3)、吸附法(分子筛,沸石,活性炭)(5 5)碳氢化合物的转化碳氢化合物的转化a a、天然有机污染物、天然有机污染物(1)甲烷
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