无机化学论文-化学与大气环境污染

化学与大气环境污染前言大气环境污染是指由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适，健康和福利或危害了环境的现象。大气污染是当前人类面临的最严峻的生态危机之一，它的表现形式也有很多，如温室效应，酸雨，光化学烟雾，臭氧层空洞，以及至今我们最熟悉又正在经历的雾霾现象等等。造成大气污染的原因有两方面：自然过程和人类活动。所谓自然过程是指火山运动，山林火灾，海啸，土壤和岩石的风化及大气圈中空气运动等。所谓人类活动不仅包括生产活动，也包括生活活动，如做饭，取暖，交通等。其中，以人类活动的影响最为显著。为了弄清大气污染源的由来，大气污染表现形式及其形成原理以及应对大气污染的措施，特撰写本文。关键词大气污染，大气污染源，天然污染源，人为污染源，温室效应，光化学烟雾，臭氧层空洞，雾霾天气，大气污染的表现形式及其形成原理，大气污染的危害，应对大气污染的措施。正文一 大气污染源1 天然污染源大气污染物的天然源主要有：火山喷发、森林火灾、自然尘、森林植物释放、海浪飞沫等来源，这些污染源都会想大气中排放大量的SO2、H2S、CO2、CO、CO、CO2、SO2、NO2、HF、火山灰等颗粒物、风砂、土壤尘、稀类碳氢化合物、硫酸盐与亚硫酸盐等对大气质量有严重影响的物质。 自然界中某些自然现象向环境排放有害物质或造成有害影响的场所，是大气污染物的一个很重要的来源。2 人为污染源人为污染源主要有燃料燃烧、工业生产过程排放、交通运输过程中排放、农业活动排放等几大类。 首先燃料的燃烧，煤、石油、天然气等的燃烧过程是向大气输送污染物的重要发生源。煤燃烧时除产生大量烟尘外，在燃烧过程中还会形成一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、有机化合物及烟尘等有害物质。其次是工业生产过程的排放，工业生产过程中排放到大气中的污染物种类多，数量大，是城市或工业区大气的主要污染源。例如石油化工企业排放的二氧化硫和氮氧化物的气体对大气的臭氧层有严重的影响。其次是有色金属冶炼工厂排放的二氧化硫、氯化氢、和各种酸性气体等会造成酸雨等现象。第三是现代交通运输工具的污染。主要是汽车、飞机、轮船等使用汽油、柴油等化石染料后的排放尾气造成大气的污染。在这些尾气中含有大量的氮氧化物、碳氢化合物、涵养有机化合物和含铅的化合物等很多种有害物质。又因为近年来世界的交通工具的数量越来越庞大，使用建平率也越来越频繁，因此造成了排放污染物的量也逐年增加。最后是农业的农药和化肥的使用，在农业中使用农药和化肥是为了提高农业产量的作用。但是其中使用的过程中也对环境带来了污染，也成为了大气的重要污染源。二 大气污染的表现形式，形成原理及危害 温室效应1.概述：温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。2.原理：太阳辐射主要是短波辐射而地面辐射和大气辐射则是长波辐射。大气对长波辐射的吸收力较强，对短波辐射的吸收力较弱。白天：太阳光照射到地球上，部分能量被大气吸收，部分被反射回宇宙，大约47%的能量被地球表面吸收。夜晚：晚上地球表面以红外线的方式向宇宙散发白天吸收的热量，其中也有部分被大气吸收。随着人口的急剧增加，工业的迅速发展，排入大气中的二氧化碳等吸热性强的温室气体相应增多；又由于森林被大量砍伐，大气中应被森林吸收的二氧化碳没有被吸收，由于二氧化碳逐渐增加，温室效应也不断增强。下面详细介绍几种主要温室气体的特性：表一：几种主要温室气体的特性温室气体源汇对气候的影响二氧化碳(CO2)1) 燃料2) 改变土地的使用 （砍伐森林）1) 被海洋吸收2) 植物的光合作用吸收红外线辐射，影响大气平流层中O3的浓度甲烷(CH4)1) 生物体的燃烧2) 肠道发酵作用3) 水稻1) 和OH起化学作用2) 被土壤內的微生物吸取吸收红外线辐射，影响对流层中O3及OH的浓度，影响平流层中O3和H2O的浓度， 产生CO2一氧化二氮(N2O)1) 生物体的燃烧2) 燃料3) 化肥1) 被土壤吸取2) 在大气平流层中被光线分解与及和O起化学作用吸收红外线辐射，影响大气平流层中中O3的浓度臭氧(O3)光线令O2产生光化作用与NOx，ClOx及HOx等化合物的催化反应。吸收紫外光及红外线辐射一氧化碳(CO)1) 植物排放2) 人工排放（交通 运输和工业）1) 被土壤吸取2) 和OH起化学作用影响平流层中O3和OH的循环，产生CO2氯氟碳化合物(CFCs)工业生产在对流层中不易被分解，但在平流层中会被光线分解和跟O产生化学作用吸收红外线辐射，影响平流层中O3的浓度二氧化硫(SO2)1) 火山活動2) 煤及生物体的燃烧1) 乾和濕沉降2) 与OH产生化学作用形成悬浮粒子而散射太阳辐射 3. 危害： 对环境的影响：全球变暖，地球上的病虫害增加，海平面上升，气候反常，土地沙漠化，缺氧。 对经济的影响：农业减产；破坏海洋生态，贝壳类数量减少，淡水鱼的品种数目减少；农地积水疟疾肆虐；亚马逊雨林逐渐消失；新的冰川期来临；温室气体排放达临界值.（二）酸雨1.概述：一般地将pH值小于5.6的降水称为酸雨。2.原理：酸雨的形成是个由多种因素综合作用的十分复杂的过程。形成酸雨的物质有硫氧化物、氮氧化物、气溶胶等。这些污染物在不利气象条件下的聚积,就使降水酸化。硫氧化物及氮氧化物，被空气中的氧气氧化后再与空气中的水蒸气结合生成硫酸和硝酸等强酸性物质，使得雨水的pH 值降低，最后降落到地面形成所谓的“酸雨”。其化学反应过程可表示为： (1) SO2 + H2O = H2SO3 (2) 2H2SO3 + O2 = 2H2SO4 (3) 2NO + O2 = 2NO2 (4)2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 （5）2HNO2 + O2 = 2HNO3。3. 危害：酸雨可导致土壤酸化；酸雨可对森林植物产生很大危害；酸雨能使非金属建筑材料（混凝土、砂浆和灰砂砖）表面硬化水泥溶解，出现空洞和裂缝，导致强度降低，从而建筑物损坏。(三）光化学烟雾 概述:汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）等一次污染物，在阳光的作用下发生化学反应，生成臭氧、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯（PAN)等二次污染物。参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物（其中有气体污染物，也有气溶胶）所形成的烟雾污染现象，称为光化学烟雾。 原理：光化学烟雾的形成条件是大气中有氮氧化物和碳氧化物存在，大气温度较低，而且有强烈的阳光照射，这样在大气中就会一系列复杂的反应，生成出一些二次污染物，如O3、醛、PAN、H2O2等。 光化学烟雾是一个链式反应，其中关键性的反应可以简单地分成3组： NO2的光解导致O3的生成：链引发反应主要是NO2的光解，反应如下：NO2 +hvNO +O O +O2 +MO3 +M NO +O3 NO2 +O2.(HC)氧化生成了具有活性的自由基，如HO、HO2、RO2等。在光化学反应中，自由基反应占很重要的地位，自由基的引发反应主要是由NO2和醛光解引起的：NO2 +hvNO +O RCHO +hvRCO +H 碳氢化合物的存在是自由基转化和增殖的根本原因RH +O R +HO RH + HO R +H2O H+ O2 HO2 R + O2RO2 RCO+ O2RC（O）O2 其中：R烷基；RO2过氧烷基；RCO酰基；RC（O）O2过氧酰基。通过以上途径生成的HO2、RO2、RC（O）O2均可将NO氧化成NO2。NO +HO2 NO2 +HO NO +RO2NO2 +RO RO +O2 HO2 +RCHO NO + RC（O）O2NO2 + RC（O）O RC（O）OR +CO2 其中：RO烷氧基；RCHO醛。 危害：损害任何动物的健康，人和动物受到主要伤害是眼睛和粘膜受刺激、头痛、呼吸障碍、慢性呼吸道疾病恶化、儿童肺功能异常等；影响植物生长，臭氧影响植物细胞的渗透性，可导致高产作物的高产性能消失，甚至使植物丧失遗传能力；对建筑材料的破坏，因平流层臭氧损耗导致阳光紫外线辐射的增加会加速建筑、喷涂、包装及电线电缆等所用材料，尤其是聚合物材料的降解和老化变质；降低大气的能见度光化学烟雾的重要特征之一是使大气的能见度降低，视程缩短。光化学烟雾还会加速橡胶制品的老化和龟裂，腐蚀建筑物和衣物，缩短其使用寿命等。（四） 臭氧层空洞 概述：臭氧层是大气平流层中臭氧浓度最大处，是地球的一个保护层，太阳紫外线辐射大部被其吸收。臭氧层空洞是大气平流层中臭氧浓度大量减少的空域。 原理：人类生产生活产生大量氟利昂是造成臭氧层空洞的主要原因。氟利昂被广泛应用于制冷系统、发泡剂、洗净剂、杀虫剂、除臭剂、头发喷雾剂等。氟利昂化学性质稳定，易挥发，不溶于水。但进入大气平流层后，受紫外线辐射而分解产生CI原子，CI原子则可引发破坏O3循环的反应： CIO3CIOO2 CIOOCIO2 由第一个反应消耗掉的CI原子，在第二个反应中又重新产生，又可以和另外一个O3起反应，因此每一个CI原子能参与大量的破坏O3的反应，这两个反应加起来的总反应是：O3O2O2 反应的最后结果是将O3转变为O2，而CI原子本身只作为催化剂，反复起分解O3的作用。O3就被来自氟利昂分子释放出的CI原子引发的反应而破坏。 另外，大型喷气机的尾气和核爆炸烟尘的释放高度均能达到平流层，其中含有各种可与O3作用的污染物，如NO和某些自由基等。人口的增长和氮肥的大量生产等也可以危害到臭氧层。在氮肥的生产中去向大气释放出各种氮的化合物，其中一部分可能是有害的氧化亚氮（N2O），它会引发下列反应： N2OON2O2 N2O22NO NOO3NO2O2 NO2ONOO2 O3O2O2 NO按后两个反应式循环反应，使O3分解。 3.危害：（1）对生态的影响：农产品减产及其品质下降。减少渔业产量。紫外线辐射可杀死10米水深内的单细胞海洋浮游生物。破坏森林。（2）对人类的影响： 鳞状细胞癌和基底细胞癌 是最常见的皮肤癌，和被高能量的紫外线辐照关系非常密切。 恶性黑色素瘤 。 白内障 实验研究证明紫外线和白内障的发病率有关。 对流层臭氧增加 臭氧由于其强氧化性，对人体有毒害作用，紫外线作用到汽车尾气也会产生臭氧。（五） 雾霾天气 概述：所谓灰霾天气,就是指由于空气中含有的氮氧化物、颗粒物的总量过大,导致空气能见度偏低,大气中出现浑浊。霾的本质则是“细粒子污染”,形成的主要原因则是工业废气,汽车尾气中的污染物质经过一系列化学反应,造成二次污染,散播到大气中的尘埃、硫酸颗粒、硝酸颗粒、有机碳氢化合物等粒子悬浮在空中,从而使大气变得混浊,造成人们视野模糊,能见度偏差,如果水平能见度小于10000m时,将这种粒子物组成的气溶胶系统造成的视觉障碍称为霾或灰霾。 原理：雾是指大气中因悬浮的水汽凝结、能见度低于1公里时的天气现象；而灰霾的形成主要是空气中悬浮的大量微粒和气象条件共同作用的结果，其成因有三：（1）在水平方向 现象增多。城市里大楼越建越高，阻挡和摩擦作用使风流经城区时明显减弱。静风现象增多，不利于大气中悬浮微粒的j静风散稀释，容易在城区和近郊区周边积累；（2）垂直方向上出现逆温。逆温层好比一个锅盖覆盖在城市上空，这种高空的气温比低空气温更高的逆温现象，使得大气层低空的空气垂直运动受到限制，空气中悬浮微粒难以向高空飘散而被阻滞在低空和近地面。（3）空气中悬浮颗粒物的增加。随着城市人口的增长和工业发展、机动车辆猛增，导致污染物排放和悬浮物大量增加，直接导致了能见度降低。 实际上，家庭装修中也会产生粉尘“雾霾”，室内粉尘弥漫，不仅有害于工人与用户健康，增添清洁负担，粉尘严重时，还给装修工程带来更多的隐患！3.危害：上呼吸道感染；支气管哮喘；肺癌；结膜炎；小儿佝偻病；雾霾致癌；影响生殖或致胎儿畸形。三 应对措施谈到应对大气污染的措施，人们会想到很多很多，例如植树造林，开发新能源，加强立法等等，这里主要从化学的角度介绍几种针对大气污染的解决措施。（1） 开发清洁能源1.核能技术：核能有核裂变能和核聚变能两种。核裂变能是指重元素（如铀、钍）的原子核发生分裂反应时所释放的能量，通常叫原子能。核聚变能是指轻元素（如氘、氚）的原子核发生聚合反应时所释放的能量。核能产生的大量热能可以发电，也可以供热。核能的最大优点是无大气污染，集中生产量大，可以替代煤炭、石油和天然气燃料。2.生物质能技术：这是利用动植物有机废弃物（如木材、柴草、粪便等）的技术。热化学转换技术，把木材等废料通过气化炉加热转换成煤气，或者通过干馏将生物质变成煤气、焦油和木炭；生物化学转换技术，主要把粪便等生物质通过沼气池厌气发酵生成沼气，沼气的主要成分是甲烷。沼气技术在我国农村得到较好应用，工业沼气技术也开始应用。生物质压块成型技术，把烘干粉碎的生物质挤压成型，变成高密度的固体燃料。 3.氢能：氢能是氢的化学能，氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，二次能源。工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。它是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。（二）大气污染物的化学处理方法1.有机废气治理的常用方法 1、冷凝回收法：把有机废气直接导入冷凝器经吸附、吸收、解析、分离，可回收有价值的有机物，该法适用于有机废气浓度高、温度低、风量小的工况，需要附属冷冻设备，主要应用于制药、化工行业，印刷企业较少采用。 2、 吸收法：一般采用物理吸收，即将废气引入吸收液进行净化，待吸收液饱和后经加热、解析、冷凝回收；本法适用于大气量、低温度、低浓度的废气，但需配备加热解析回收装置，设备体积大、投资较高。 3、燃烧法（直接燃烧法和催化燃烧法） a.直接燃烧法：利用燃气或燃油等辅助燃料燃烧，将混合气体加热，使有害物质在高温作用下分解为无害物质；本法工艺简单、投资小，适用于高浓度、小风量的废气，但对安全技术、操作要求较高。 b.催化燃烧法：把废气加热经催化燃烧转化成无害无臭的二氧化碳和水；本法起燃温度低、节能、净化率高、操作方便、占地面积少、投资投资较大，适用于高温或高浓度的有机废气。 4、 吸附法：利用吸附剂的表面力把有机废气吸附在吸附剂表面，以净化生产过程中排出的废气。常用的吸附剂有活性炭、硅胶、离子交换树脂等。吸附法有直接吸附法法、吸附-回收法、新型吸附-催化燃烧法。 2. 恶臭废气治理常见方法恶臭物质有4000多种，其中对人体影响较大的八大恶臭物质是：硫化氢、氨、三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳、苯乙烯、二甲二硫。 （1）燃烧法：采用将废气升温至800度以上，使废气中的有机成分燃烧分解的方法解决废气污染问题。 （2） 氧化法：采用投加氯、臭氧、过氧化氢、高锰酸钾等强氧化剂将废气中的污染物分解，从而达到废气中产生恶臭的物质被分解成无机小分子，或转化成味小或转化成无味的物质，从而达到消除恶臭的目的，该法比较适合于浓度较低，具有特殊异味的废气治理工程中。其缺点是净化效率不高，氧化剂投加量难以控制。 （3） 吸收法：利用污染物质的物理和化学性质，使用水或化学吸收液对废气进行吸收去除的方法。该方法在设计操作合理的情况下去除效率很高，运转管理方便，但对设备及运行管理要求极高，而且只有能溶解于吸收液或能与吸收液反应的污染物才能被有效去除。 （4） 吸附法：采用活性炭等具有较大吸附能力的物质对废气进行吸附分离，从而达到空气净化的目的。该方法设备简单，去除效果好，多用于净化工艺的末级处理。该方法也存在对高浓度废气处理效率低、占地面积大、气阻大、吸附剂需经常更换或再生等缺点，特别是吸附剂脱附后的气体难于收集而最终又排回大气中，是一种不彻底的解决途径。 （5） 生物过滤法：生物过滤法处理过程是由天然滤料来吸附和吸收恶臭气流中的臭气，然后由生长在滤料中的细菌和其它微生物来氧化降解。 补充理由：环评中经常会遇见这类行业。如垃圾处理厂、污水处理厂、肉类加工厂、屠宰厂、畜禽养殖厂、造纸厂、制药厂、焦化厂、化工厂、食品加工厂、涂料厂、染料厂等