政史地《大气污染及其防治》选修六课件

第二章大气污染及其防治 第一节大气结构和组成 一 大气的结构根据大气在垂直方向上温度 化学成分 荷电等物理性质的差异 同时考虑到大气的垂直运动状况 可将大气圈分为对流层 平流层 中间层 热成层和散逸层 对流层 主要成分 紧贴地面的一层 整个大气质量的3 4和几乎全部的水汽都集中在这一层 高度范围 从地面到12km 低纬度17 18km 高纬度8 9km 主要特点 1气温随高度的增加而递减 平均递减率为0 6 100m 2空气对流运动显著 3天气现象复杂多变 平流层 主要成分 臭氧范围 对流层顶50 55km主要特点 1随高度增加而升高 2气流以平流运动为主 天气晴朗 能见度好 有利于飞机飞行 3人类生存环境的天然屏障 散逸层 对流层 平流层 中间层 热成层 上冷下热高空对流 二 大气的组成 一 大气的恒定组分 二 大气的可变组分 三 大气的不定组分 一 大气的恒定组分大气的恒定组分是指大气中的O2 N2和稀有气体 在近地层大气中这些气体组分地含量几乎可认为使不变的 它们约占大气总量的99 96 二 大气的可变组分主要指CO2和H2O g 这些气体组分受不同地区气候 季节等多种因素的影响而发生变化 正常状况下 H2O g 约占0 4 CO2约占0 033 由恒定组分和可变组分所组成的大气称为洁净大气 三 大气的不定组分大气中的尘埃 硫化物 氮氧化物 硫氧化物等是大气中的不定组分 当它们进入大气后 可能造成大气污染 成云致雨的必要条件 主要成分 次要成分 水汽 固体杂质 生物体的基本成分 维持生物活动的必要物质 植物光合作用的原料 对地面保温 吸收紫外线 使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害 成云致雨的必要条件 对地面保温作用 干洁空气 O3 N2 O2 CO2 大气各组成成分的作用 第二节大气污染及污染源 一 大气污染的概念由于人类活动或自然过程引起某种物质进入大气中 呈现出足够的浓度 达到了足够的时间并因此而危害了人 动植物及物体的现象 叫大气污染 大气污染按影响范围可分为 1 局部地区大气污染2 区域性大气污染3 广域性大气污染4 全球性大气污染 指温室效应与全球气候变暖 酸雨 臭氧层空洞 二 大气污染源 按发生类型分 一 工业污染源 二 农业污染源 三 生活污染源 四 交通运输污染源 一 工业污染源由火力发电 钢铁 化工和硅酸盐等工矿企业在生产过程中所排放的煤烟 粉尘及有害化合物等形成的污染源 此类污染源由于不同工矿企业的生产性质和流程工艺的不同 其所排放的污染物种类和数量大不相同 但有一个共同的特点是 排放源集中 浓度高 局地污染强度高 是城市大气污染的罪魁祸首 二 农业污染源主要是不当施用农药 化肥 有机粪肥等过程产生的有害物质挥发扩散 以及施用后期NOX CH4 挥发性农药成分从土壤中逸散进入大气等形成的污染源 三 交通运输污染源由汽车 飞机 火车和轮船等交通运输工具运行时向大气中排放的尾气 这类污染源属流动污染源 主要污染物是烟尘 碳氢化合物 NOX 金属尘埃等 是城市大气环境恶化的主要原因之一 四 生活污染源是指居民日常烧饭 取暖 沐浴等活动 燃烧化石燃料而向大气排放烟尘 SO2 NOX等污染物 这类污染源属固定源 具有分布广 排放量大 污染浓度低等特点 是一些城市大气污染不可忽视的污染源 但是 随着城市电气化的推进 城市生活污染源将从根本上得到遏制 按污染源存在的形式分为 固定源和流动源两类 固定源就是位置和地点固定不变的污染源 主要指工矿企业在生产中排放的大量污染物 冶金 钢铁 建材等工业企业都是对大气环境污染严重的固定源 流动污染源是指交通工具在行驶时向大气中排放的有害气体而形成的污染源 大气污染源 按排放空间高度分 1 高架源 在距地面一定高度排放污染物 如电厂烟囱等 2 低架源 在地面上或离地面高度很低的排放源 大气污染源 按排放形式分 1 线源沿着一条线排放污染物 如汽车 火车等2 面源在一个大范围内排放污染物 如煤田自燃的煤堆 密集而低矮的居民住宅烟囱群等3 点源 集中在一点或在可当作一点的小范围内排放污染物 如烟囱等 三 大气中主要污染物 一 颗粒物 二 含硫化合物 三 氮氧化物 四 碳氧化物 五 光化学氧化剂 六 碳氢化合物 一 颗粒物 1 颗粒物是指大气中弥漫着的固态和液态物质 成份较复杂 1 总悬浮颗粒物 用标推大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量 通常称为总悬浮颗粒物 用TSP表示 其粒径多在100um以下 尤以10um以下的为最多 2 飘尘 颗粒物粒径小于10um的颗粒物称为飘尘 它们能长时间地悬浮于大气中而不沉降下来 3 降尘 颗粒物粒径大于10um的颗粒物叫降尘 它们在重力的作用下能很快降落到地面 4 可吸入粒子 易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子 目前目际标准化组织建议将其定为粒径 10um 大气飘尘的危害 1 影响大气的物理性质 2 使建筑物 金属制品等受到腐蚀 3 对人 动植物产生危害 4 与其它大气污染物协同作用形成大气污染 时间飘尘浓度SO2浓度死亡人数 mg m3 mg m3 1952 124 463 84000多19563 251 61000多19572 401 84001962 122 84 1750 近年来 人们认识到大气悬浮颗粒中的可吸入颗粒物对人体健康的危害远比粗颗粒大 而且是引起城市大气酸雨 光化学烟雾 能见度降低的重要因素 许多研究已经揭示出PM10对人体健康的严重危害和对气候的重要影响 有研究表明 PM10每上10 g m3 每日总死亡率上升1 呼吸系统疾病上升3 4 心血管病上升1 4 哮喘病上升3 肺功能下降0 1 二 含硫化合物 污染大气的含硫化合物有H2S SO2 SO3 硫酸酸雾及硫酸盐气溶胶等 但在大气中主要是SO2 大气中的SO2主要来源于矿物燃料的燃烧 据估计 全世界每年由于人类活动排放到大气中的SO2可能超过一亿五千万吨 其中2 3来自于煤的燃烧 1 3来自石油的燃烧 矿物燃料燃烧时 主要生成SO2 所以人类活动排放到大气中的硫氧化物主要是SO2 SO2是无色 有刺激性和窒息性的气体 对呼吸道有刺激作用 能引起呼吸道和心血管疾病 值得注意的是SO2与飘尘的协同作用将使其毒性大大增强 使得大气污染加剧 大气中的SO2可以通过均相或非均相氧化生成SO3 SO3一经形成 便迅速与大气中的水蒸气作用生成硫酸 因此大气中SO3的含量十分低微 生成的硫酸是严重危害健康的物质 其毒性远大于SO2 三 氮氧化物 对流层中危害较大的氮氧化物是NO和NO2 统称为总氮氧化物 NOx 当矿物燃料高温燃烧时 空气中的N2与O2结合而生成NO 温度越高 生成NO的速度和量越大 由这种方式生成的NOx称为热NOx 另一类是因燃料中含有吡啶 氨基化合物等含氮化合物 在燃烧的过程中生成了NOx 这种方式数生成的NOX称为燃料NOx 另外一些工厂 如生产硝酸或使用硝酸 氮肥厂等 的生产过程中排放到大气中的NOx NO是无色 有刺激性气味不活泼的气体 它能与血红蛋白结合生成亚硝基血红蛋白而引起中毒 并可产生缺氧症状和中枢神经受损 NO氧化后生成红棕色 有刺激性的NO2 它的毒性较强 能迅速破坏肺细胞 可能是引起肺气肿和肺癌的病因 NO2又是一吸光物质 易发生光化学反应 是形成光化学反应的元凶 由此产生的二次污染物的危害更大 四 碳氧化物 1 一氧化碳大气中CO来源于燃料的燃烧 而由汽车尾气中的CO造成的大气污染已引起世界各国的重视 值得注意的是一氧化碳的另一人工源是吸烟排出的烟气 吸烟者吸入的CO远高于不吸烟者 尤其是吸过滤嘴香烟的人 CO的主要危害是妨碍体内氧气的传输 它与血红蛋白的亲和力比氧大二百多倍 而生成的羰基血红蛋白的解离速度比氧合血红蛋白小三千六百多倍 因此一旦生成羰基血红蛋白就很难解离 导致输氧能力降低 造成机体缺氧 危害人体健康 体内缺氧时对所有的器官都有影响 而最敏感的是中枢神经系统和心肌 2 CO2CO2是无色 无毒的气体 目前由于人类活动排放到大气中的CO2的量不断增加 而吸收CO2的森林反遭到严重破坏 使得大气中CO2的浓度不断增加 据测定 一个世纪前 大气中CO2的含量约为284ppm 目前已达到379ppm CO2浓度的增加 可能对全球的气候产生影响 因而是目前环境科学上颇为注意的问题之一 主要大气污染物的来源 部分 五 光化学氧化剂 1 光化学反应和光化学烟雾在太阳紫外线作用下 大气中的某些污染物发生反应 生成新的污染物 这种反应叫光化学反应 由此产生的烟雾称为光化学烟雾 2 光化学烟雾形成的条件 1 充足的阳光 无风 2 出现逆温 3 大气含有一定浓度的NO2和碳氢化合物 3 光化学反应机理 1 污染空气中NO2的光解是光化学烟雾形成的起始反应NO2 hv 430nm NO2 NO2 NO OO O2 M O3 MO3 NO O2 NO2 2 碳氢化合物与O O3 OH NO等自由基作用生成醛 酮 酸以及RO2 HO2 RCO 等自由基 3 过氧自由基引起NO向NO2转化 并导致O3和过氧乙酰硝酸脂 PAN 等生成 4 光化学烟雾的危害 1 对人体健康的影响光化学烟雾最明显的危害是对人眼的刺激作用 出现眼流泪 发红 俗称红眼病 除眼外 对鼻 咽 气管和肺均有明显的刺激作用 对老人 儿童和病弱者尤为严重 污染严重时 会引起哮喘发作 导致上呼吸道疾病恶化 使视觉敏感度和视力降低 受害严重者 呼吸困难 胸痛 头晕 发烧 呕吐 以致血压下降 昏迷不醒 长期慢性伤害 可引起肺机能衰退 支气管炎 甚至发展成肺癌等 据资料统计 美国加里福尼亚洲由于光化学烟雾的作用 曾使该州3 4的人发生了红眼病 日本东京1970年发生的光化学污染时期有20000人患了红眼病 1952年洛杉矾事件发生时 两天内就使65岁以上的老人死亡400余人 2 对植物的伤害光化学烟雾能使植物叶片受害变黄以致枯死 据资料统计 仅加利福尼亚州1959年由于光化学污染引起的农作物减产损失已达800万美元 使大片树木枯死 葡萄减产60 以上 柑橘也严重减产 对光化学烟雾敏感的植物还有棉花 烟草 甜菜 番茄 菠菜 某些花卉和多种树木 四 大气污染的类型 大气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某种物质进入大气中 呈现出足够的浓度 达到足够的时间 危害了人体的舒适 键康和福利或危害了环境的现象 一 根据污染物的化学性质及其存在的大气状况 可将大气污染分为还原型大气污染和氧化型大气污染 二 根据燃料性质和污染物的组成 可将大气污染分为煤炭型 石油型 混合型和特殊型四类 五 中国大气污染的特征 煤烟型污染是污染的普遍问题 主要污染物是烟尘和二氧化硫 汽车尾气污染明显增加 并逐渐上升为城市大气主要污染源 总悬浮颗粒物或可吸入颗粒是影响城市空气质量的主要污染物 酸雨分布区域性 季节性明显 污染物成分特点突出 多以硫酸酸雨为主 工业 三废 任意排放是目前大气污染的罪魁祸首 但农业引发的大气污染仍不容忽视 第三节大气污染的危害 一 大气污染对人体健康的影响大气污染物的种类繁多 排放量大 污染范围广 对人体健康的危害是多方面的 如呼吸道疾病 中枢神经系统受损 癌症等 大气污染对人体健康的影响与污染物的种类 性质 暴露时间及个体敏感性有关 1 急性中毒如印度帕博尔农药厂甲基异氰酸酯泄露 直接危害人体 发生了2500人丧生 十多万人受害的惨剧 2 慢性中毒近年来我国城市居民肺癌发病率很高 其中最高的是上海市 城市居民呼吸系统疾病明显高于郊区 3 致癌作用 二 大气污染对气候的影响 一 大气污染对城市气候的影响大气污染使得城市气温高于农村 城市的能见度较农村低 云 雾 降雨比农村多 二 对全球气候的影响目前对地表气温上升的真正原因还未证实 提得较多的是 温室效应 的确 人类的活动已使得大气中二氧化碳的含量有所升高 因此不得不引起人们的高度重视 三 大气污染对臭氧层的破坏 一 平流层中臭氧的形成O2 hv 2O 3P O2 O M O3 M同时臭氧也会因光解而破坏 O3 hv O2 O此外臭氧也能与O作用 O3 O 2O2通常情况下 臭氧的形成和分解达到平衡 臭氧保持一定浓度 约为10ppm 结果在平流层中上部形成臭氧层 二 平流层中臭氧层对地球生命的重要性以紫外线对人体效应为依据 按照波长的顺序将紫外线分为紫外线A 320 400nm 紫外线B 290 320nm 紫外线C 190 290nm 尽管紫外线C的危害最大 但它几乎全部被臭氧层吸收 即使是平流层中臭氧浓度大大降低 紫外线C也几乎不能到达地球 紫外线B能强烈影响人类的基因物质脱氧核糖核酸而导致皮肤衰老 产生晒斑 形成皮肤癌 而且这种波长的紫外线的能量足以破坏C H键 对地球上的生命及有机物均有破坏作用 正是由于臭氧层能吸收 330nm的紫外线 因而对地球上的生物起了保护作用 但紫外线B的吸收与臭氧的浓度密切相关 随着臭氧层中臭氧浓度大大降低 到达地面的紫外线的量大大增加 给人类的生存带来极大威胁 同时 危害农作物和水生生物 所以臭氧层的破坏已引起全世界的广泛重视和关注 三 大气污染物对臭氧层的破坏 1 NOx对臭氧层的破坏作用平流层中破坏臭氧层的主要NOx是NONO O3 NO2 O2NO2 O NO O2总反应为 O O3 2O2平流层中NO的来源有N2O及超音速飞机排放的NOx 2 HO自由基对臭氧的破坏作用HO O3 HO2 O2HO2 O3 HO 2O2或HO2 O HO O2总反应 2O3 3O2或O3 O 2O2平流层中HO主要来源于H2O g CH4 H2与O的作用H2O O 2HOCH4 O CH3 HOH2 O HO H 3 氟氯烃类对臭氧的破坏O3 Cl ClO O2ClO O Cl O2总反应 O3 O 2O2一个氯原子可使10万个O3分子被破坏 因此其危害相当大 Cl来源于氟氯烃 在对流层中氟氯烃具有无毒 不燃烧且有较高的稳定性等特点而被广泛用作制冷剂 25万吨 年 喷雾剂 30万吨 年 溶剂 18万吨 年 及制作泡沫塑料 26万吨 年 等 全世界估计年产量在100多万吨 目前世界上许多国家对禁止使用氟氯烃持积极支持的态度 但就算目前全世界都禁止使用氟氯烃 已经散发到环境中的氟氯烃对臭氧层的破坏作用仍将持续下去 第四节气象条件和下垫面对大气污染的影响 一 气象条件对大气污染的影响1 风和湍流对大气污染的影响 1 整体输送 2 冲淡稀释风速愈大 湍流愈强 污染物的稀释扩散速率愈快 大气污染物浓度就愈低 因此风和湍流是决定污染物大大气中稀释扩散的最直接因子 也是最本质的因子 2 大气稳定度对大气污染的影响3 辐射和云对大气污染的影响4 降水对大气污染的影响5 天气形势对大气污染的影响天气形势指大范围的气压分布状况 二 下垫面对大气污染的影响 1 城市下垫面对大气污染的影响2 山区下垫面对大气污染的影响3 水陆交界区对对大气污染的影响 第五节大气污染综合治理 一 减少污染物的排放量1 改革能源结构 逐步用二次能源代替一次能源 开发无污染能源 对燃料进行脱硫处理 2 改革燃烧装置和燃烧方式 提高热效率 3 采用无污染或低污染生产工艺 4 利用余热 余气 提高能源利用率 二 治理主要污染物 三 种植树木草坪 四 掌握气象变化规律 充分利用环境自净能力五 加强城镇规划 搞好环境功能分区 二 治理主要污染物 一 颗粒物的治理 大气中的颗粒物主要来自于矿石燃料的燃烧 因此减少颗粒物的方法主要有两种 一种是改变能源结构或对燃煤进行加工利用 另一种是在废气排放前先将颗粒物处理掉 处理方法通常有以下几种 1 重力除尘装置其原理是使含尘气体中的尘埃借助重力作用使之沉降而达到除尘的目的 这种方法简便 投资少 缺点是占地面积大 对粒径较大的尘埃具有较好的作用 而对较小的尘粒的去除率低 除尘效率约为50 60 因此只能作为初级除尘手段 2 惯性力除尘装置该方法是利用粉尘与气体在运动时的惯性力不同 通过使含尘气体冲击挡板或使气流急剧改变流向 然后借助尘粒的惯性力将尘粒从气流中分离而达到分离除尘的目的 这种方法设备简单 但其除尘效果也较低 约为50 70 对粒径较小的尘粒 10um 效果较差 3 离心力除尘装置该法是通过使含尘气体在装置中进行高速旋转而使气体中的尘粒产生较大的离心力 从而与气体分离 这种方法设备简单 费用较低 维护方便 除尘效果也较前两种高 80 90 但对细小的尘粒 5um 去除效果较低 4 洗涤塔除尘这种方法使利用液体所形成的液滴 液膜 雾膜等洗涤含尘气体而达到除尘的目的 这种方法设备简单 造价低 除尘效果好而且能除去气流中一些有害气体 缺点是用水量塔 易产生腐蚀性液体以及需及时对废水 废浆进行处理 5 过滤式除尘装置这种方法是使含尘气体通过多孔滤料 把气体中的尘粒截留下来而达到除尘的目的 这种方法的除尘率高 99 以上 且对细粉有很强的逋集作用 因而广泛用于各种工业废气除尘中 但它不适用于处理含水 含油及粘结性粉尘 另外不适合处理高温气体 6 静电除尘装置这种方法利用特高压直流电源 40000V 产生的不均匀电场 通过电晕放电 使尘粒带电而向电极迁移 在电极上电荷被中和 尘埃聚集在电极上而达到除尘的效果 这种方法的适用范围广 除尘效率高 且能耗低 但设备投资大 设备庞大 占地面积大 二 二氧化硫的治理 从排烟中除去SO2的技术称为 排烟脱硫 这类技术已相当多 但总起来可分为湿法和干法两大类 前者是利用SO2为酸性氧化物这一特点 后者是利用SO2的还原性 1 湿法排烟脱硫 1 钠法 氢氧化钠或亚硫酸钠吸收法这种方法是以NaOH Na2CO3 或Na2SO3作为吸收剂吸收SO2 因为这种方法吸收速度快 管道和设备不易堵塞 所以应用较广泛 主要反应为 2NaOH SO2 Na2SO3 H2ONa2CO3 SO2 Na2SO3 CO2Na2SO3 SO2 H2O 2NaHSO3 吸收剂处理后可获得副产品 主要回收方法有a 中和法 NaHSO3 NaOH Na2SO3 H2O2Na2SO3 O2 2Na2SO4b 直接利用将含有的吸收液直接供造纸厂代替烧碱蒸煮纸浆 C 回收Na2SO3吸收液经浓缩 结晶 脱水后回收Na2SO3晶体 d 回收石膏法在含NaHSO3的吸收液中加入石灰 使其生成CaSO3 再经氧化后生成石膏 2NaHSO3 Ca OH 2 CaSO31 2H2O Na2SO3 3 2H2OCaSO31 2H2O 1 2O2 3 2H2O CaSO42H2Oe 回收硫法将吸收液中的加热生成高浓度的 再用于生产硫酸或硫2NaHSO3 Na2SO3 SO2 H2OSO2 2H2S 3S 2H2O 2 氨法 以氨水作吸收剂2NH3H2O SO2 NH4 2SO3 H2O NH4 2SO3 SO2 H2O 2NH4HSO3 吸收液经处理后可进行回收a 回收 NH4 2SO4法吸收液中加入氨水 使NH4HSO3转化为 NH4 2SO3 再经空气氧化后生成硫酸铵 浓缩结晶 NH4 2SO3 1 2O2 NH4 2SO4 b 回收石膏法若将上法回收的硫酸铵溶液中加入石灰 就可回收石膏 而生成的氨用水吸收后又可作为吸收剂 NH4 2SO4 Ca OH 2 CaSO42H2O 2NH3 3 钙法利用石灰石 生石灰等的乳浊液作吸收剂 2 干性排烟脱硫法 1 活性炭法利用活性炭的活性及较大的比表面积 使烟气中的SO2在活性炭表面上与氧及水蒸气作用生成硫酸 2 接触氧化法对于高浓度的SO2烟气的治理 可采用工业接触制硫酸类似的方法进行 排烟脱硫的方法很多 在选择时应从下面几个方面考虑 1 净化效率高 经济效果好 2 装置能长期稳定运行 3 易于操作 维修和检查 4 不应造成二次污染 三 氮氧化物的治理 氮氧化物的工业来源主要是硝酸制造厂 使用硝酸的工厂以及工厂燃料燃烧排放的废气等 从燃烧装置中排放的氮氧化物主要是NO NO比较稳定 不易溶于水 也不与水反应 目前对它的处理主要有催化还原 吸收等 1 催化还原法在催化剂存在下 用甲烷 氢气 氨等还原性气体将NO还原成N2的方法 它又分为选择性催化还原和非选择性催化还原法 1 非选择性催化还原法在催化剂存在下 通入的还原性气体不仅与NO作用 而且可与O2作用的方法称为非选择性催化还原法 还原气体可用甲烷 氢气 一氧化碳等 催化剂用Pt等 反应温度在400 500C 这种方法适合于废气中O2含量较少的废气 2 选择性催化还原法在催化剂存在下 还原性气体仅与氮氧化物作用的方法称为选择性催化还原法 A 氨选择性催化还原法此法以氨作还原剂 铂作催化剂 在150 2500C发生反应 4NH3 6NO 5N2 6H2O8NH3 6NO2 7N2 12H2O当有微量O2时 NO的去除率更高些4NO 4NH3 O2 4N2 6H2O 但必须严格控制温度 温度过高时发生下列反应 生成NO4NH3 5O2 4NO 6H2O温度越高 氨越是优先与氧作用 B 硫化氢选择性催化还原法NO H2S S 1 2N2 H2O该法同时可除去SO22H2S SO2 3S 2H2O C 氯 氨选择性催化还原法该法以木炭作为催化剂 温