2.1大氣的組成及其主要污染物

1、第二章 大氣環(huán)境化學第一節(jié)、大氣的組成及其主要污染物二、大氣層的結構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層頂平流層對流層100806040200160200240280T(K)Z(km)1.2.1 大氣質量在鉛直方向的分布 大氣質量在鉛直方向的分布是極不均勻的。高度h(km)5123080質量W(%)50909999.9991、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

2、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（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）

3、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?？梢圆粩鄰脑搶犹右莩鋈ピ搶觾葰鉁仉S高度的增加而降低，因為對流層內大氣的重要熱源是來自地面的長波輻射。大氣垂直遞減率：隨高度升高氣溫的降低率，通常用下式表示： = -dT/dz式中：T：絕對溫度，K； z：高度。 在對流層中，平均dT/dz0且0. 6/100m。 對流層 (troposphere) 每升高100m，氣溫降低0.6-0.65大氣中絕大多數(shù)天氣現(xiàn)象都發(fā)生在對流層中。這一層內含有全部大氣質量3/4的大氣和幾乎所有的水汽，加之空氣的運動會造成風、雨、雷電和冷暖轉變等復雜的天氣現(xiàn)象，對天氣分析和預報具有重要意義。

4、 從污染源排放出的污染物幾乎都直接進入對流層，因而這些污染物的遷移轉化過程也主要發(fā)生在這一層內。大氣的組分恒定組分：氮78.09、氧20.95、氬0.93，這三者共占空氣總體積的99.97，加上微量的氖、氦、氪、氙、氡等稀有氣體，這一組分的比例，在地球表面上任何地方幾乎是可以看作不變的?？勺兊慕M分:空氣中的二氧化碳和水蒸氣。在通常情況下二氧化碳的含量為0.020.04，水蒸氣的含量為4以下，這些組分在空氣中的含量是隨季節(jié)和氣象的變化以及人們的生產和生活活動的影響而發(fā)生變化的。不定組分：塵埃、硫、硫化氫、硫氧化物、氮氧化物、鹽類及惡臭氣體。大氣或空氣是多種氣體的混合物，就其組成可以分為恒定的、可

5、變的和不定的三種組分。二、大氣中的主要污染物 含有上述恒定組分和可變組分的空氣，我們認為是純凈的空氣。氣 體濃度 (ppmv)氣 體濃度 (ppmv)氮780,900氪1.0氧209,400一氧化氮0.5氬9,300氫0.5二氧化碳315氙0.08氖18二氧化氮0.02氦5.2臭氧0.010.04甲烷1.01.2正常（干燥）空氣的氣體成分大氣污染的形成和污染源原因：人對能源的利用 城市人口的增加空氣污染始于取暖和煮食，到了14世紀，燃煤釋放的煙氣已成為主要問題。18世紀產業(yè)革命后，工業(yè)用的燃料更多，燃煤對空氣的污染更加嚴重了。空氣污染的危害，主要取決于污染物在空氣中的濃度，而不僅是它的數(shù)量。由

6、于城市人口集中，使局部空氣中污染物的濃度提高，而且不容易稀釋和分散到廣大地區(qū)中去。按照國際標準化組織（ISO）作出的定義：通常指人類活動和自然過程引起某些物質進入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達到了足夠的時間，并因此而危害了人體的舒適、健康和福利或危害了環(huán)境。舒適健康：包括了從對人體正常的生活環(huán)境和生理機能的影響引起慢性疾病、急性病以致死亡這樣一個范圍。福利：指與人類協(xié)調共存的生物、自然資源、財產以及器物等。大氣污染的定義大氣自凈能力大氣對污染物的容納和消化能力是有一定限度的，這個限度就是大氣的自凈能力。主要依靠大氣的稀釋、擴散、氧化等物理化學作用，能使進入大氣的污染物質逐漸消失。例如，排入大氣的

7、一氧化碳，經(jīng)稀釋擴散，濃度降低，再經(jīng)氧化變?yōu)槎趸?，被綠色植物吸收后，空氣成分恢復原來的狀態(tài)。充分掌握和利用大氣自凈能力，可以降低污染物濃度，減少污染的危害。大氣自凈能力與當?shù)貧庀髼l件、污染物排放總量及城市布局等諸因素有關。有某一區(qū)域內，綠化植樹，多種風景林，增加綠地面積，直至建立自然保護區(qū)。不僅能美化環(huán)境、調節(jié)氣候，而且能截留粉塵、吸收有害氣體，從而大大提高大氣自凈能力，保證環(huán)境質量。 一次污染物和二次污染物一次污染物是指直接從污染源排放的污染物質，如二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳、顆粒物等。它們又可分為反應物和非反應物，前者不穩(wěn)定，在大氣環(huán)境中常與其它物質發(fā)生化學反應，或者作催化劑促進其它

8、污染物之間的反應，后者則不發(fā)生反應或反應速度緩慢。一次污染物和二次污染物二次污染物是指由一次污染物在大氣中互相作用經(jīng)化學反應或光化學反應形成的與一次污染物的物理、化學性質完全不同的新的大氣污染物,其毒性一般比一次污染物還強。最常見的二次污染物如硫酸及硫酸鹽氣溶膠、硝酸及硝酸鹽氣溶膠、臭氧、光化學氧化劑Ox，以及許多不同壽命的活性中間物（又稱自由基），如HO2、HO等。 一、揮發(fā)二、干沉降和濕沉降 二、干沉降和濕沉降1. 干沉降 (Dry Deposition)大氣中的污染氣體和氣溶膠等物質隨氣流的對流、擴散作用，被地球表面的土壤、水體和植被等吸附去除的過程。重力沉降與植物、建筑物或地面(土壤)

9、碰撞而被捕獲(被表面吸附或吸收)的過程斯托克斯定律(重力沉降速度)考慮：相互平衡的自身重力和靜止空氣浮力的作用 二、干沉降和濕沉降 空氣黏度1 粒子密度；2 空氣密度； g 重力加速度； r 粒子半徑滯留時間()H：高度當H 5000m時，粒經(jīng)為1.0 m的粒子的沉降時間為3年11個半月。而對于10 m的粒子，沉降時間僅需19 d 2. 濕沉降 (Wet Deposition)大氣中的物質通過降水而落到地面的過程。濕沉降對氣體和顆粒物都是最有效的大氣凈化機制。雨除(Rainout)沖刷(Washout) 二、干沉降和濕沉降雨除(或雪除)：氣溶膠粒子中有相當一部分細粒子，特別是粒徑小于0.1 m

10、的粒子，可以作為形成云的凝結核。云滴不斷增長形成雨滴或雪晶。粒徑小于0.05 m的粒子，由于布朗運動可以使其黏附在云滴上或溶解于云滴中。雨滴(或雪晶) 降落到地面上。沖刷：雨滴(或雪晶、雪花)不斷地將大氣中的微粒挾帶、溶解或沖刷下來。這種方式去除氣溶膠粒子的效率隨著粒子直徑的增大而增大。通常，雨滴可將粒徑大于2 m的氣溶膠粒子沖刷下來。主要的空氣污染物煙塵：化石燃料和秸稈、木材等燃燒產物，主要是CO2和 碳粒，單位mg/m3總懸浮顆粒物(TSP)可吸入懸浮顆粒物(浮塵)氮氧化物（NOx）硫氧化物（SOx）一氧化碳CO臭氧O3揮發(fā)性有機化合物（VOC）一、含硫化合物硫化合物主要包括H2S、SO2

11、、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分布的因素風速、風向大氣穩(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COS、CS2與HO反應火山噴發(fā)海水浪花生物活動二、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

12、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，進而轉化為二氧化氮?；鹕奖l(fā)和森林大火等都會產生氮氧化物。人為污染源是各種燃料在高溫下的燃燒以及硝酸、氮肥、炸藥和染料等生產過程中所產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

13、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排放量的關系，參考圖2-104. NOX的危害NOX是導致大氣光化學污染的重要污染物.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。NO能與血紅蛋白結合,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

14、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,80 %的CO人為來源是由汽車排放出來的.(2) CO的天然來源:甲烷的轉化,海水CO的揮發(fā),植物的排放,森林火災,農業(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1.CO(4) CO的危害?極易與血液中運載氧的血紅蛋白結合, 結合速度比氧氣快250倍，因此，在極低濃度時就能使人或動物遭到缺氧性傷害。輕者眩暈, 頭疼, 重者腦細胞受到永久性損傷, 甚至窒息死亡； 對心臟病、貧血和呼吸道疾病的患者傷害性大； 引起胎兒生長受損和智力低下

15、2.CO2CO2是一種重要的溫室氣體.(1)來源 人為來源天然來源礦物燃料的燃燒海洋脫氣甲烷轉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)變化產生一定的影響

16、.(3) CO2的危害CO2的危害?CO2如何引起溫室效應?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，它們是形成光化學煙霧的主要參與者;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分子導致溫室效應的能力是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的減少會導致CH4濃度的增加,因此,大氣中CO等消耗HO的物質的

17、增加,會使HO的濃度降低,從而會導致大氣中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:甲烷的衍生物(2)高級的鹵代烴:有機氯農藥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量，但同時又造成了較明顯的污染問題。1928 年Mi

18、dgley T 成功得到CCl2F2，這一成果在化學界引起了極大的反響，是氟化學發(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備。如家用冰箱用CCl2F2 ，冷庫用CClF3和CHF3，空調器用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、農藥、涂料、頭發(fā)噴霧劑等。由于氟里昂化學性能穩(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。