大气环境化学迁移

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2020年09月30日

  大气环境化学迁移_环境科学/食品科学_工程科技_专业资料。第一篇 大气环境化学 ? 第一章 ? 第二章 ? 第三章 ? 第四章 大气中污染物的迁移过程 大气污染物的光化学转化过程 酸沉降的化学转化过程 气溶胶化学 第一章 大气中污染物的迁移过程 ?

  第一篇 大气环境化学 ? 第一章 ? 第二章 ? 第三章 ? 第四章 大气中污染物的迁移过程 大气污染物的光化学转化过程 酸沉降的化学转化过程 气溶胶化学 第一章 大气中污染物的迁移过程 ? 第一节 大气圈 ? 一、 大气圈的结构 ? 二.大气的组分 ? 三.大气中的重要污染物 ? 四. 温室效应及温室气体 ? 五.大气中化合物的半衰期和寿命 ? 第二节 大气中污染物的迁移过程 ? 一.逆温现象 ? 二.扩散 ? 三.干沉降 ? 四.湿沉降 第一节 大气圈 地球上一切生命赖以生存的气体环境: ? 每天呼吸10~12 m3空气,摄取食物的10倍; ? 吸收来自太阳和宇宙的大部分高能宇宙射线和紫 外辐射. ? 是地球维持热量平衡的基础; (地表大气的平均压力为1个大气压 ) 按照大气在垂直方向上温度、密度的变化, 可分为对流层、平流层、中间层、热层。 大气温度的垂直分布 大气密度的垂直分布 对流层,污染物的迁移转化过程主要在这一层。 特点1:. 对流层(troposphere) (1)气温随高度升高而降低。大约每上升100 m, 温度降0.6℃。 (2)空气的垂直对流运动强烈。气体垂直上升 速度可高达30~40m·s-1,有利于污染物扩散。 但逆温时易发生污染事件。 (3)空气密度大。平均厚度10~12km。仅是大 气层厚度的1%,但是大气总质量的3/4以上。 (4)天气现象复杂多变。云、雨、雪、冰雹和 雷电等气候现象都发生在对流层中。 2. 平流层(stratosphere) 从对流层顶开始到50 km,称为平流层。特点: (1) 在下层(12~20km),随高度的增加,气温几乎 不变化。然后,气温随高度增加而升高。原因是重 新反应生成臭氧时,释放出大量的热。臭氧具有吸 收太阳短波紫外线的能力,可防止地球表面遭受高 能辐射的伤害。 (2)空气垂直对流运动很小,只能平流运动。故污 染物会形成一薄层,遍布全球。 (3)空气稀薄得多,水汽、尘埃的含量极少,很少出 现天气现象。大气透明度好,利于超高速飞机飞行, 然而,会破坏臭氧层。 3. 中间层(mesosphere) 从平流层顶(50 km)至85 km。更为稀 薄,气温随高度的增加而降低, 热源仅靠其 下的平流层,垂直运动相当强烈。在约60 km的高空,受到阳光照射的大气分子开始 电离,所以在60~80 km之间是均质层转向 非均质层的过渡层。 4. 热层(thermosphere) 85~700 km为热层。在80~90km的区域, 气温基本不变,随后温度随高度增加而迅 速上升。大部分分子发生电离,也称电离 层。可用于远距离无线电通讯。 Ionosphere: Northern light (1) 二、大气的组分 ? 主要成分:氮、氧、氩,三者之和为 99.96 %,加上二氧化碳为99.995 %。 ?次要成分:惰性气体及微量有毒气体 (NO、NO2、CO、SO2、H2S)。其天 然本底值一般小于百万分之一。 ? 在90 km以下大气层中空气密度随高度 的增加而减小,但大气主要成分的组成 比例几乎是不变的,称为均匀层。 表 干洁大气组分 主 要 成 次 分 要 成 分 次 要 成 分 三、大气中的重要污染物 1. 物理状态:气态污染物(约占90%)和颗粒态污染 物(约占10%)。 ? 气态污染物是指常温下是气体或蒸汽(gases and vapors),就是以气态方式输入并停留在大气中的 污染物,包括SOx、NOx、COx、HC等; ? 大气颗粒物是指液体或固体微粒均匀地分散在气体 中形成的相对稳定的悬浮体系,也称气溶胶。云的 形成和湿沉降(雨、雪、雹和雾等)过程。能散射 太阳光。表面积大(催化),化学反应床。 2.形成过程: ? 一次污染物是直接来自污染源的污染物,如 CO、SO2、NO等。 ? 二次污染物是指由一次污染物经化学反应或 光化学反应形成的污染物质。如O3、硫酸盐 颗粒物、光化学氧化剂Ox(臭氧、过氧乙酰 硝酸酯(PAN)、醛类、过氧化氢等刺激性、 氧化性的物质,即光化学烟雾)。 染图 物 的 产 生 和 相 互 关 系 一 次 污 染 物 和 二 次 污 3. 按化学类型分为 含硫化合物[SO2、H2S、(CH3)2 S、H2SO4]; 含N氮2O化)合;物(NO、NO2、N H3、HNO2、 碳氧化物(CO、CO2); 碳、氢、氧化合物(烃类、醛、酮等); 光化学氧化剂(O3、PAN、H2O2等); 含卤素化合物(HF、HCl和CFCS等); 颗重粒金物属(元H2素SO等4、)S;O42-、NO3-、多环芳烃及 放射性物质。 4. 按影响波及范围分为: ? 地区性污染物(100 km内),如颗粒物、 一氧化碳、光化学烟雾等; ? 全球性污染物,如二氧化碳、酸雨、沙尘 暴、氯氟烃类化合物等。 全球范围普遍发生的(按优先顺序)有: 非沉降性尘、SOx和硫酸盐、O3、NOx、Pb、 COx、石棉、反应性烃。尘污染是全球性和 全年性的。CO2导致温室效应。 温室效应和温室气体 (可参见光化学烟雾及酸沉降双语版课件) 器的C作O2用如。温室的玻璃一样,起着单向过滤 ? 大气中的CO2吸收了地面辐射出来的红外 光,从而使大气温度升高,这种现象称为 温室效应。它就会使地表面和大气的平衡 温度升高,对整个地球的生态平衡会产生 巨大影响。 ? 能够引起温室效应的气体,称为温室气体。 五.大气中化合物的半衰期和寿命 ? 大气中化合物的反应速度是该化合物在给定条 件下反应进行快慢的量度。 ? 半衰期(t1/2)定义为反应物浓度降到其初始 浓度一半时所需要的时间。 ? 寿命τ 定义为反应物浓度降到其初始浓度的 1/e时所需要的时间。它们都与反应速率常数 和反应级数有关 表 一、二、三级反应的反应速率 常数、半衰期和寿命之间的关系 过氧乙酰基硝酸酯(PAN)的寿命 ? PAN是由碳氢化合物经一系列光化学和化学反 应而生成的光化学烟雾特征物质,它具有热不 稳定性,其热分解反应为一级反应: ?τ 已PA知N=1/kk1=1=13/.(63×.61×0-14s0--14,)=则2.78×103(s) =46 (min) t1/2 =0.693/k1 =1.93×103(s) =32 (min) ?还在与二参、加三反级应反的应其中它,物质t1/2的或浓τ 度不有仅关与。k值有关, 第一节 大气中污染物的迁移过程 污染物的迁移转化是大气环境具有 自净能力的表现。 污染物在迁移过程的影响因素: ? 空气的机械运动,如风力和气流, ? 天气形势和地理地势造成的逆温现象 ? 污染物本身的特性等。 一、逆温现象 在对流层中,气温一般是随高度增加而降低 的。但在一定条件下会出现反常现象,即 气温随高度增加而增加。这种逆温现象常 发生在较低气层中。 根据逆温形成的过程,可分为近地面层的逆 温和自由大气的逆温两种。近地面层的逆 温有辐射逆温、平流逆温、融雪逆温?和 地形逆温等;自由大气的逆温有乱流逆 温?、下沉逆温和锋面逆温?等。 辐射逆温 是地面因强烈辐射而冷却降温所形成。 多发生在距地面100~150m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。 如风速超过2~3 m/s时,辐射逆温就不易形成了。 图 辐射逆温 白天的分布曲线为ABC, 夜晚的变为FEC,其中FE 段为逆温层。 清晨达到最厚(DB段)变 为DBC。 日出后:自下而上逐渐变 薄,最后完全消失。 下沉逆温 ? 局部地区的扩散条件受大型的天气形势 的影响。 ? 例如,当大气压分布不均,在高压区里 存在着下沉气流,该气流受压而变热, 使气温高于下层的空气,而形成上热下 冷的下沉逆温。 城郊风引起的逆温 市区的温度比郊区高,这个现象称为城 市热岛效应。 热岛上暖而轻的空气上升,四周郊区的 冷空气向城市流动,于是形成城郊环流。同 时也发生逆温现象。 导致市区大气污染加剧。 有山谷风引起的逆温 白天受热山坡上的空气,温度高,比 重轻,就上升。同时谷底中的冷空气沿坡 爬升补充,形成谷风。发生逆温现象。 因地形阻挡,山谷和凹地的风速很小, 更有利于逆温。因此山区全年逆温天数多, 逆温层较厚,逆温强度大,持续时间也较 长。 二、扩散 污染物扩散取决于三个因素: ? 风可使污染物向下风向扩散, ? 湍流可使污染物向各方向扩散, ? 浓度梯度可使污染物发生质量扩散。 其中风和湍流起主导作用。 其速度在水平方向的分量称为风,铅直方 向上的分量称为对流。污染物可作水平运动, 自排放源向下风向迁移,从而得到稀释(风 力扩散) 。也可随空气的铅直对流运动使污 染物升到高空而扩散(气流扩散) 。 1.风力扩散 在风力影响下,进入大气的污染物具有 自然的扩散稀释和浓度趋于均一的倾向。 风力是有大小又有方向的一个矢量。 ? 风力大小用风速表示,是单位时间内空气 团块所移动的水平距离,常用m/s作计值单 位。风力越大,污染物沿下风向扩散稀释 得越快。 ? 风向与污染物走向直接有关,习惯上将风 的来向定为风向,用16个方向表示之(如 东风、东南风、南东南?风等)。 2. 气流扩散 ? 气流关系到污染物在上下方向的扩散。 气流的强弱与大气稳定度有关。大气稳 定度越差,气流越剧烈,则污染物在纵 向的扩散稀释越快。 ? 低层大气中污染物的分散在很大程度上 取决于对流与湍流的混合程度。垂直运 动程度越大,用于稀释污染物的大气容 积量越大。 对于一静态平衡大气的流体元,有: (1-1) 式中:P——大气压; ρ——大气密度; g——重力加速度; z——高度; 对于受热而获得浮力,正进行向上加速运 动的气块,有 (1-2) 式中:dv/dt——气块加速度; ρ?——受热气块密度。 由于该气块与周围空气的压力是相等的,将(1-1 )式的dP代到(1-2)式中,则有: 分别写出向上加速运动的气块与周围空气的 理想气体状态方程,并考虑到压力相等,有: P =ρRT =ρ?RT? 用温度代替密度,可得: 式为由温差而造成气块获得浮力加速度的方程 由此可见,受热气块会不断上升,直到T? 与T相等为止。这时气块与周围达到中性平衡。 这个高度定义为对流混合层上限,或称最大 混合层高度(MMD)。 图 不同情况下的最大混合层高度 图中T0----地面温度,实线----(dT/dz)env。气块 的温度T?,它将会沿干绝热(虚)线膨胀而上升,相 交处是最大混合层高度。图b---逆温时,最大混合层 高度明显低。 三.干沉降 ? 干沉降是指粒子在重力作用下或与地面及 其他物体碰撞后,发生沉降而被去除。干 沉降又称为干去除。 ? 干沉积速度以在某一特定高度内污染物的 降下速度表示,用“长度/时间”作为量 纲。 ? 相应予该特定高度内污染物平均浓度与干 沉积速度之乘积称为干沉积率,用“质量 /(面积·时间)”作为量纲。 ? 沉降速率与颗粒的粒径、密度、空气运动 对较大粒径的大气悬浮颗粒物,其干沉积速度可 用斯托克斯定律表述(式2.6);一般通过实测 “灰尘自然沉降量”来求得主要是直径大于30 mp 的颗粒物的干沉积率,即“降尘量”参数 式中 ν——沉降速率,cm·s-1; g——重力加速度,cm·s-2 Dp——粒子直径,cm; ρ1, ρ2 ——分别为粒子和空气的密度,g·cm-3; η-一空气粘度,Pa·s。 干沉降对于去除大颗粒悬浮物是 一个有效的途径。只占总悬浮颗粒物 (TSP)量的10%~20%左右。因此, 干燥的大陆悬浮颗粒物可以传输到很 远距离的下风地区。 四、湿沉降 湿沉降: 1.雨除 悬浮颗粒物中有相当一部分细粒子可以作为 形成云的凝结核,通过凝结过程和碰撞过程,云滴 不断增长成雨滴;在适当的气象条件下,雨滴(或 雪晶)会进一步长大而形成雨(或雪),降落到地 面上,则悬浮颗粒物也就随之从大气中去除,此过 程称之为雨除(或雪除)。 ? 2. 冲刷 在降雨(或降雪)过程中,雨滴(成雪晶、 雪片)不断地将大气中的微粒携带、溶解或冲刷下 来,使大气悬浮颗粒及污染物含量减少。 湿沉降过程始发于气体在大气水物质中的溶解。 由图还可看出,中等程度大小颗粒的消除 是较难发生的。

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