高一化学酸雨的形成

酸雨第1页酸雨酸雨形成酸雨分布酸雨危害酸雨与环境酸雨监测酸雨控制第2页酸雨发觉近代工业革命，从蒸气机开始，锅炉烧煤,产生蒸汽,推进机器；而后火力电厂星罗齐布,燃煤数量日益猛增。遗憾地是，煤含杂质硫，约百分之一，在燃烧中将排放酸性气体SO2；燃烧产生高温尚能促使助燃空气发生部分化学改变，氧气与氮气化合，也排放酸性气体NOx。它们在高空中为雨雪冲刷，溶解，雨成为了酸雨；这些酸性气体成为雨水中杂质硫酸根、硝酸根和铵离子。1872年英国科学家史密斯分析了伦顿市雨水成份，发觉它呈酸性，且农村雨水中含碳酸铵，酸性不大；郊区雨水含硫酸铵，略呈酸性；市区雨水含硫酸或酸性硫酸盐,呈酸性。于是史密斯首先在他著作《空气和降雨：化学气候学开端》中提出“酸雨”一专有名词。第3页未被污染雨雪是中性，pH值近于7；当它为大气中二氧化碳饱和时，略呈酸性，pH值为5.65。被大气中存在酸性气体污染,pH值小于5.65雨叫酸雨；pH值小于5.65雪叫酸雪；在高空或高山(如峨眉山)上弥漫雾,pH值小于5.65时叫酸雾。什么是酸雨?第4页什么是酸雨区?某地搜集到酸雨样品,还不能算是酸雨区,因为一年可有数十场雨,某场雨可能是酸雨,某场雨可能不是酸雨,所以要看年均值。当前我国定义酸雨区科学标准尚在讨论之中,但普通认为:年均降水pH值高于5.65,酸雨率是0-20%,为非酸雨区;pH值在5.30--5.60之间,酸雨率是10--40%,为轻酸雨区;pH值在5.00--5.30之间,酸雨率是30-60%,为中度酸雨区;pH值在4.70--5.00之间,酸雨率是50-80%,为较重酸雨区;pH值小于4.70,酸雨率是70-100%,为重酸雨区。这就是所谓五级标准。第5页空中酸碱物质与

酸雨当代工业、农业和交通排放更大量，种类更多污染物(包含酸碱性物质),且与尘埃一起升到高空,经过扩散、迁移、转化而后重力沉降到地面，或经雨雪冲刷抵达地面。酸性物质可破坏植被,酸化土壤,酸化水域，造成水生和陆地生态失衡，加速岩石风化和金属腐蚀第6页自然活动和人类活动向大气排放若干物质形成酸雨；其中有物质是中性,如风吹浪沫漂向空中海盐,NaCl,KCl等；有物质是酸性，如SOx和NOx及酸性尘埃(火山灰)等；有是碱性，如NH3及来自风扫沙漠和碱性土壤扬起颗粒；有本身并无酸碱性,但在酸碱物质迁移转化中可起催化作用，如CO和臭氧；降水pH值是它们在雨水冲刷过程中相互作用和彼此中和结果。第7页酸性物质SOx天然排放酸性物质SOx有四类天然排放源：海洋雾沫,它们会夹带一些硫酸到空中；土壤中一些机体，如动物死尸和植物败叶在细菌作用下可分解一些硫化物，继而转化为SOx；火山暴发,也将喷出可观量SOx气体；雷电和干热引发森林火灾也是一个天然SOx排放源,因为树木也含有微量硫。第8页化石燃料与酸雨酸性物质SOx，NOx排放人工源之一，是煤、石油和天然气等化石燃料燃烧，不论是煤，或石油，或天然气都是在地下埋藏多少亿年，由古代动植物化石转化而来,故称做化石燃料。科学家粗略预计，1990年我国化石燃料约消耗近700百万吨；仅占世界消耗总量12%,人均相比并不惊人；不过我国近几十年来,化石燃料消耗增加速度,实在太快,1950年至1990年四十年间,增加了30倍。不能不引发足够重视。第9页工业过程与酸雨酸性物质SOx,NOx排放人工源之二是工业过程,如金属冶炼：一些有色金属矿石是硫化物,铜,铅,锌便是如此,将铜,铅,锌硫化物矿石还原为金属过程中将逸出大量SOx气体,部分回收为硫酸,部分进入大气。再如化工生产，尤其是硫酸生产和硝酸生产可分别跑冒滴漏可观量SOx和NOx,因为NO2带有淡棕黄色，所以,工厂尾气所排出带有NOx废气象一条“黄龙”,在空中浮荡，控制和消除“黄龙”被称做“灭黄龙工程”。再如石油炼制等,也能产生一定量SOx和NOx。它们集中在一些工业城市中，也比较轻易得到控制。第10页土法炼硫,炼出了赤地千里80年代早期,云南某地域乡镇企业起步,片面追求利润,实施土法炼硫,工艺陈旧落后,硫回收率仅达30%。其余硫都燃烧成为SO2,迷漫于大气之中,加之云南气候湿润，有些人曾搜集检测到每场降雨都是酸雨,pH值可到达3.2-3.8。其后果是生产区周围,树上看不到昆虫,地下找不到蚂蚁,天上望不到飞鸟,1500亩良田寸草不长,一片荒凉灾区景象。1993年采取了一系列治理办法,问题已得到缓解。第11页某硫酸厂年产10万吨硫酸,经过废气向大气排放SO23750吨。厂区两平方公里范围被严重污染,形成局地酸雨。厂区降水pH值最低值到达3.63;平均pH值为4.41;为重酸雨区。硫酸厂周围酸雨区第12页交通运输与酸雨酸性物质SOx、NOx排放人工源之三是交通运输,如汽车尾气。在发动机内,活塞频繁打出火花，象天空中闪电,N2变成NOx。不一样车型,尾气中NOx浓度有多有少，机械性能较差或使用寿命已较长发动机尾气中NOx浓度要高。汽车停在十字路口,不息火等候经过时,要比正常行车尾气中NOx浓度要高。近年来,我国各种汽车数量猛增,它尾气对酸雨贡献正在逐年上升,不能掉以轻心。人们常说车祸猛于虎,因为车祸看得见摸得着,血肉含糊,轻易引发震动；污染是无形,影响短时间看不出来,轻易被人忽略。第13页黑雨1994年重庆及其郊区下了数场黑雨,色如墨汁,且有强酸性。人们发生了恐慌，纷纷问询地域环境保护部门，欲知其详。经化学分析,黑色物是煤屑，原来在锅炉内化石燃料未能燃烧充分,析出一些细碳粒，也经过烟囱排向高空。酸性物主要是硫酸根,来自煤中燃烧杂质硫。结论是：黑雨就是强酸性雨；也能够说是酸雨发展到某种极端情况。第14页黑雪无独有偶,1991年我国喜马拉雅山区,下了数场“黑雪”。它来自于中东战争,伊拉克军队从科威特撤退时,放了一把大火,主要油气井火光冲天,喷出浓浓黑烟,夹杂令人窒息SOx和NOx气味,直向高空，随风漂向东方,碰到喜马拉雅高山,难以跨越,随雪落下,成为有酸性黑雪。人迹罕至世界屋脊也未能逃出“空中死神”灾难。第15页酸雾其实,酸雾不止高空有,大气污染严重城市临近地面也有。重庆是我国有名雾都,每年大雾日数居各大中城市之冠;蒙胧而飘渺雾是重庆久富盛名景观之一。重庆又是严重酸雨污染城市,雾也免不了酸化。80年代,全市酸雾pH平均值为4.39;市区最低值到达2.98,是经典酸雾。雾滴是尺度微细飘浮空中水滴,极易吸附和吸收各种酸性气体和颗粒物,所以,雾滴所含污染物浓度尤其大,其总离子浓度最高值竟到达9.7克/升,占雾滴重量近1%,较同期雨水含量高出十余倍。经医务工作者潜心研究,认明此种酸雾对儿童呼吸系统十分有害。因为污染物浓度大,含水少,厚度大,能见度越来越低劣。其次生效应,诸如车祸等,愈加不容忽略。第16页我国当前酸雨主要责任者——燃煤中杂质硫与石油和天然气相比,在我国煤消耗量要多得多。普通预计煤消耗量占化石燃料总消耗量90%左右。而煤燃烧排放SOx数量,除了决定于煤消耗数量,尚决定于煤含硫量。我国版图辽阔，煤矿分布十分分散。我国南方产煤含硫量比北方要高,尤其是西南地域,产含硫量高煤中小煤窑如满天星斗,其含硫量要比东北和华北地域产高叁肆倍，当地居民称之为“臭煤”,因为家庭炊饭炉子烧用此煤，能发出令人窒息恶臭气味,它就SOx。普通情况是当地消耗当地产煤,以降低运输过程损失和增加成本,这也加速了我国长江以南酸雨区域形成。另外，我国产石油和天然气含硫量普通比煤要低得多。而且它们年消耗量为煤消耗量十分之一左右,所以，燃煤中杂质硫将是我国当前酸雨主要负责者。第17页空中海盐粒氯化物排放天然源之一是海风扬起雾沫，雾沫中含有海盐，海盐主要成份是氯化物,如氯化钠,氯化钾,氯化镁等第18页氯化物排放人工源氯化物排放人工源较弱，少数城市有氯气和氯化氢制造，逸出酸性气体HCl和HClO3，但量不大。对广大地域酸雨形成贡献也不大。氟污染与酸雨浙江东北部土壤中含有微量氟元素,取土造砖时,在培烧过程中,向大气排放出一定量氟化物,主要形式是氟化氢,也对局部酸雨有贡献。该地域湿沉降中,氟离子浓度较其它地域为高,也是证实。浙中盆地义乌市,近几年来粘土建材企业(砖瓦厂,墙地砖厂等)发展迅猛,生产排放大量含氟废气。氟化物进入大气后,形成酸性很强氟化氢,易溶于水。故而其降水中氟化物含量年均值为0.216毫克/升,比浙东舟山,浙南丽水降水氟含量高出倍多。除了增加酸度之外,降水中氟化物毒性大,对植物影响比二氧化硫高出10至100倍。在氟源集中污染区,桑叶不能育蚕,果树难于结果,粮食蔬菜减产。第19页沙尘我国北方碱性物质“黄沙”来自东亚沙漠(塔克拉玛干，古尔班通古特沙漠，腾格里沙漠和黄土高原等)；大风扬起尘暴,通常有三个主要通道万里过幽燕：1.北方通道：蒙古人民共和国中央沙漠→阿拉善高地→河套平原→鄂尔多斯高原→山西雁北地域→京津地域；2.西北通道：独联体中亚国家→古尔班通古特沙漠→吐鲁番→哈密→河西走廊→宁夏平原→陕北高原→晋北高原→京津地域；3.西方通道：新疆塔什拉玛干沙漠→青海柴达木盆地→河西走廊或→宁夏平原。最终,“黄沙”可达韩国、日本以至夏威夷群岛。黄沙含钙较多，是碱性，会对空气中酸性物质起中和作用,中国黄河以北不是酸雨地域，部分赖于此，真是扬沙天气所造成不幸中幸事第20页沙雨是一个碱性和干雨,在中和北方大气酸性物质中起主要作用。在中国西北工农业不发达干旱地域,如甘肃敦煌,内蒙阿拉善,新疆和田等地都搜集到pH值大于7.0碱雨,这些碱雨是雨水冲刷高空沙粒形成。“沙雨”第21页碱性物质NH3天然排放源碱性物质NH3主要天然排放源有两个，其一是有机物分解：野生动物或非人工喂养动物粪便要分解出氨气,大家都知道氨水是一个肥料，所以鸟粪或其已矿化了鸟粪层常是质量上乘有机肥；其二是森林火灾,树木也含有微量有机含氮化合物。第22页农牧业与酸雨碱性物质NH3人工排放源有三个，之一是人与家畜粪便分解，当我们走近农村猪圈或进入不经常清扫茅厕，那种使人窒息刺鼻刺眼气味就是氨气；之二是化肥合成氨生产，跑冒滴漏；之三是农田氮肥施用，如施用尿素后，土壤微生物将其转化为铵离子，后者又部分被土壤微生物分解为氨气、逸出，另外部分被土壤微生物转化为硝酸盐。所以，相对城市而言，农村和草场NH3排放为高。第23页“碱雨”与化肥生产相对于“酸雨”而言,科学家把pH值大于7.0降水叫“碱雨”。八十年代,我国著名化工城市吉林搜集到碱雨。原因是,该市有座合成氨化肥生产联合企业,管理不善,有相当量氨气,跑冒滴漏到大气中。氨气被降水冲刷,形成碱雨。它发生在局地,某个时间段,也未造成显著灾害,比较易于控制。所以,从灾害角度而言,碱雨不能与酸雨相比拟。但从科学角度而言,形成道理是一样,都是降水在高空中冲刷酸碱物质结果第24页制约酸雨地域分布原因酸雨地域分布为复杂原因所制约。从宏观来看，中国大陆酸雨分布取决于中国各地酸、碱性物质排放量，促成大气中酸碱物质转化物质，如CO和O3当地排放量；再加上当地气象条件,如中国各地年均温度,中国各地年均雨量,中国各地年均大气湿度,中国各地年日照时数和中国各地土壤酸碱性等。一大块长江以南,包含江苏，上海,浙江,福建,江西,湖北,湖南,广东,广西,海南,贵州,四川,重庆,云南等省市大部分地域；及两小块胶东半岛和图门江地域,后二者“酸雨”孤岛形成，首先是因为附近有较大城市(青岛、长春、吉林),有酸性物质强排放源,另首先它们濒临海洋，海洋性潮湿气候提供了产生酸雨温床。第25页SO2是怎样变成硫酸?人类活动向大气排放是SO2气体,即使它溶于雨水也只能成为酸性较弱亚硫酸,然而我们在雨水中测到确实是酸性较强硫酸,SO2是怎样变成硫酸?这是经过三类反应实现。

气相光氧化反应。在纯净空气中,SO2难于光氧化。但在污染空气中,烃类与NOx生成一些有反应能力基团,如OH,HO2,CH3O等,后者在日光照射下,将氧化SO2为SO3,再溶于水成为硫酸。

液相光氧化反应。日光下,大气中烃类与NOx气相光氧化生成臭氧和过氧化氢,它们在水滴内表现出很强氧化能力,SO2在水滴内被液相氧化为硫酸。

固相氧化氧化反应。在污染大气中悬浮着一定量颗粒物,颗粒物可能来自土壤,可能是烟囱排放飞灰,成份相当复杂,但经化学分析,普通含有微量过渡金属铁,铜化合物,它们恰恰是SO2氧化为SO3多相催化剂,在水滴内,在这些颗粒物表面上实现了SO2向硫酸转变。第26页NOx是怎样转化为硝酸?NOx是NO和NO2总称。NO又叫笑气,人吸了可自动发笑。当浓度较大时,在空气中可被氧气自动氧化为NO2,尔后溶于水成为硝酸。当被空气稀释后,速度变慢;当到达日常环境浓度时,如百分之几毫克/立方米时,NO半衰期可达1000时之久。不过,在污染空气中,因为存在光氧化活性基团(如臭氧,烃类和一氧化碳等)存在,日光下,环境浓度级NO转化为NO2反应可在几分钟内完成。第27页对酸雨贡献,SOx和NOx哪个孰重?就我国情况而言,首先,总体来看SO2排放量比NOx为大,不过个别南方省市,如广东,福建等省,SO2排放量比NOx为小;其次,就发展而言,汽车数量增加较快,而NOx排放量主要取决于汽车排放,所以,在未来若干年内,NOx排放量可能超出SOx;最终,SO2进入大气后,经过光化学反应,变为硫酸根,这需要一段时间,可能经过长距离大气传输;不过NO进入大气后,很快与氧气化合,生成NO2,继而变为硝酸根,需要时间较短,遇雨被局地冲刷降落地面。综合来看,当前SO2对酸雨贡献为大,未来NOx贡献可能要超出SO2。第28页“干沉降”与“湿沉降”不下雨时，大气中酸性物质可被植被吸附或重力沉降到地面叫干沉降；下雨时，高空雨滴吸收包含酸性物质继而降下时再冲刷酸性物质降到地面叫湿沉降。第29页酸湖干湿酸沉降可直接降入湖水内；也可降入河内再流入湖内；也可落到植被上，雨水冲刷形成径流，注入河湖；也可渗透土壤，进入地下水，流入湖内；最终造成湖泊酸化。有些人预计，在中国南方酸雨地域有近二分之一湖泊，受到不一样程度酸化污染。当然，不一样湖泊酸化敏感性还有所不一样，它取决于影响降水气象条件，湖泊水文，流域特征和湖区土壤和基岩情况。重庆南山和缙云山各发觉一个水塘,其水体pH值为4.7,属于已酸化了小水体,这是一个警告。幸运地是,到当前为止我国还未发觉大面积水域酸化现象。酸雨与湖泊第30页何谓湖泊酸化?天然水体中含有碳酸氢根离子;有水质发浑,含有一些有机碱;所以它们有中和酸能力。碱度就是酸中和能力。碳酸氢盐水体中碱性主要来自于含钙和镁矿物质风化。所以水体碱度为碳酸氢根离子浓度,加上两倍碳酸根离子浓度(因为每个碳酸根离子可中和两个氢离子),再加上氢氧根离子浓度,即:

碱度=[HCO3]+2[CO3]+[OH]-[H]。

当酸性物质进入碳酸氢盐水体,首先中和氢氧根离子,然后中和碳酸根离子形成碳酸根离子,最终中和碳酸氢根离子形成碳酸,再增加氢离子,水体将显著酸性提升。所以,水体碱度大,酸中和能力大,其对酸性缓冲能力大,可容纳更多额外增加酸。据碱度定义,湖泊完全失去碱性叫酸化。当某水体接收氢离子量超出其本身中和离子量(通常是碳酸氢盐),便发生了酸化。第31页酸湖是怎样形成呢?湖底基岩普通为碳酸盐,不停以碳酸氢盐形态慢慢溶入湖水中,故普通湖水为弱碱性或中性。酸雨引入湖中氢离子,首先中和碳酸氢根离子形成弱酸性碳酸,这时湖水pH值下降很慢,有时需要多年时间;一但该过程中和完成,碳酸氢根被耗尽时,再引入新氢离子,pH值就下降很快了,可能一年之内便可酸化。第32页水体酸化敏感性指标即使当前我国水体,包含湖泊酸化并不严重,比如我国重酸雨地域四川和贵州省水体大致pH值在6.5-8.5之间,没有发觉大面积已酸化水体,且近期也不会被酸化。要防患于未然。所以首先要着眼于找出那些对酸化敏感水体,先行防范。要评价某水体对酸化敏感性,就要订出一项水体酸化敏感性指标。

参考国外和前人经验,我国学者提出一个"抗酸化容量"指标来评价天然水体酸化敏感性。经过他们研究,我国天然水体pH值普通在6.5-8.5之间。此时,水体中碳酸氢根占碳酸溶解量60-95%,成为水体中主要缓冲原因。首先,假定水体酸化临界值为pH=6.5,测出水体实际pH值后,

可得pH增加值△pH,即△pH=pH-6.5;既而,测得水体碱度[Alk];最终,由水体碳酸平衡公式,算出水体可承受总酸量△A。

据此指标,△A<0.5毫克当量/升,是敏感水体;△A=0.5-1.0毫克当量/升,为中等敏感水体;△A>1.0毫克当量/升,为不敏感水体。第33页鱼虾等能生活在酸湖之中吗湖水pH值在9.0～6.5之间中性范围时，对鱼类无害；在5.0～6.5之间弱酸性时，鱼卵难已孵化，鱼苗数量降低；当湖水pH值低于5.0时，大多数鱼类不能生存。所以，湖泊酸化会引发鱼类死亡。相对于忍耐湖水酸化能力而言，虾类比鱼类更差，在已酸化湖泊中，虾类要比鱼类提前灭绝。

草本食物是一些鱼、虾类生活基础。湖水酸化，水生生物种群将降低，比如某湖酸化后，绿藻从26种减至5种；金藻由22种减至5种；兰藻由22种减至10种。俗语说，大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃滋泥，其实滋泥中就含有大量水生生物；鱼虾离开了水草和水生生物，好比鸟兽离开了森林。所以，从生态食物链角度来看，湖泊酸化，也将使鱼虾难以生存。第34页酸雨是青蛙和鸟类天敌酸雨是青蛙和鸟类天敌，鸟穿过酸雾，酸对角膜有刺激性，而鸟和青蛙对酸又十分敏感，即患红眼病。第35页酸雨与农业土壤酸化酸雨可造成土壤酸化。我国南方土壤原来多呈酸性，再经酸雨冲刷，加速了酸化过程；我国北方土壤呈碱性，对酸雨有较强缓冲能力，一时半时酸化不了。土壤中含有大量铝氢氧化物，土壤酸化后，可加速土壤中含铝原生和次生矿物风化而释放大量铝离子，形成植物可吸收形态铝化合物。植物长久和过量吸收铝，会中毒，甚至死亡。酸雨尚能加速土壤矿物质营养元素流失；改变土壤结构，造成土壤贫脊化，影响植物正常发育；酸雨还能诱发植物病虫害，使作物减产。第36页酸化土壤肥力减退、农业减产酸雨可使土壤微生物种群改变，细菌个体生长变小，生长繁殖速度降低，如分解有机质及其蛋白质主要微生物类群牙孢杆菌，极毛杆菌和相关真菌数量降低，影响营养元