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光化学污染

光化学烟雾主要是由于汽车尾气和工业废气排放造成的,汽车尾气中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮(NO2)被排放到大气中后,在强烈的阳光紫外线照射下,会吸收太阳光所具有的能量。这些物质的分子在吸收了太阳光的能量后,会变得不稳定起来,原有的化学链遭到破坏,形成新的物质。这种化学反应被称为光化学反应,其产物就是含剧毒的光化学烟雾。

目录

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1 概况
2 组成及来源
  1. 2.1 洛杉矶光化学烟雾光化学烟雾的组成
  2. 2.2 氮氧化合物的来源
  3. 2.3 一氧化碳来源
  4. 2.4 臭氧来源
3 污染反应
4 形成条件
5 反应方程式
6 危害影响
7 对人体健康的影响
  1. 7.1 光化学烟雾对人体健康的影响
  2. 7.2 臭氧对人体的危害
  3. 7.3 过氧乙酰硝酸酯对人体的危害
8 对植物的危害
9 对大气的能见度的影响
10 对建筑物及橡胶制品的危害
11 污染事例
12 预防
  1. 12.1 控制机动车尾气排放
  2. 12.2 使用化学抑制剂抑制
  3. 12.3 加强对化工厂的废气排放管理
  4. 12.4 设立检测点

光化学污染 - 概况

光化学污染指光化学烟雾造成的污染。流动源和固定源排入大气的氮氢化物和碳氢化合物等一次污染物,经过太阳照射,各种污染物之间发生相互反应,生成臭氧、醛类等二次污染物,它们在大气中是一种有刺激性的、浅蓝色混合型烟雾。光化学烟雾不仅影响人体健康,而且对植物也有一定的损害,同时还降低大气的能见度。

光化学污染是出现在以汽油作动力燃料之后的一种新型污染物,约1944年左右出现在美国第三大城市洛杉矶。自20世纪50年代以来,光化学污染在世界各地不断出现,已成为一个世界性的问题,引起了人们的关注。在交通车辆高度发展的地区,在排放氮氢化物和碳氢化合物的工厂比较集中的工业区,都有必要警戒光化学污染问题。

光化学污染 - 组成及来源

洛杉矶光化学烟雾光化学烟雾的组成

光化学烟雾是由二氧化氮、一氧化氮、一氧化碳和碳氢化合物等一次污染物及它们在一定条件下反应产生的二次污染物——臭氧、过氧乙酰硝酸酯PAN、醛等混合而成的。其主要成分是臭氧、醛类、过氧乙酰基硝酸酯、烷基硝酸盐、酮等一系列氧化剂。

氮氧化合物的来源

光化学烟雾的主要成分作NO和NO2,主要来自燃料的燃烧、汽车的尾气、生产和使用硝酸的工厂尾气,燃煤发电厂等。

一氧化碳来源

一氧化碳主要来汽车尾气(主要在汽油燃烧不充分时,如停车状态开发动机),燃煤,农垦烧荒,有机物燃烧。

臭氧来源

臭氧(O3,又称作光化学氧化剂)主要来源:从汽车和工厂释放出的氮氧化物在太阳光照射下与氧气反应生成。

光化学污染 - 污染反应

那为什么会产生光化学烟雾呢?原来光化学烟雾的产生与汽车尾气排放有着直接关系,一般发生在湿度低、气温在24-32℃度的夏季晴天的中午或午后。汽车尾气产生的主要污染物一氧化碳、碳氢化合物(用HC表示)、氮氧化物(用NOx表示)和铅化合物。如遇到在强日照和低温度逆温气象条件,排放到大气中的碳氢化合物和氮氧化物(称它们为一次污染物)在阳光辐射下发生光化学反应产生臭氧、醛类、过氧乙酸硝酸酯等二次污染物,它们与一次污染物混合,即形成光化学烟雾。

光化学污染 - 形成条件

光化学烟雾: 由碳氢化合
1、污染源条件

物质要素:氮氧化物(NOx)和碳氢化合物(CxHy)等。

2、气象条件

①强烈光照(NO2的光解需290-420nm的光,因此,夏季比冬季可能性大,一天中中午前后光线最强时出现“烟雾”的可能性大。)
②低风速、低湿度、逆温天气。洛杉矶是每年5月~10月(1943年)。总之,天气晴朗、高温、低湿和有逆温风力不大时。

3、地理条件

太阳辐射强度是一个主要条件,太阳辐射的强弱,主要取决于太阳的高度,即太阳辐射线与地面所成的投射角以及大气透明度等。因此,光化学烟雾的浓度,除受太阳辐射强度的日变化影响外,还受该地的纬度、海拔高度、季节、天气等条件的影响。经过研究表明,在北纬60度~南纬60度之间的一些大城市,都可能发生光化学烟雾。光化学烟雾主要发生在阳光强烈的夏、秋季节。随着光化学反应的不断进行,反应生成物不断蓄积,光化学烟雾的浓度不断升高,约3~4h后达到最大值。

光化学污染 - 反应方程式

光化学烟雾是一个链反应,链引发反应主要是NO2的光解。光化学烟雾形成的反应机制可概括为如下12个反应来描述:

光化学烟雾对植物叶片的危害

1、链引发反应

NO2+hν→NO+O
O+O2+M→O3+M
NO+O3→NO2+O2

2、链传递自由基传递反应

O2
RH+HO→RO2+H2O
O2
RCHO+HO→RC(O)O2+H2O
2O2
RCHO+hν→RO2+HO2+CO
HO2+NO→NO2+HO
O2
RO2+NO→NO2+R,CHO+HO2
RC(O)O2+NO→NO2+RO2+CO2

3、链终止。终止反应

HO+NO2→HNO3
RC(O)O2+NO2→RC(O)O2NO2
RC(O)O2NO2→RC(O)O2+NO2

NO2光分解成NO和氧原子时,光化学烟雾的循环就开始了。原子氧会和氧分子反应生成臭氧(O3),O3是一种强氧化剂,O3与烃类发生一系列复杂的化学反应,产生了烟雾和刺激眼睛的物质,如醛类、酮类等物质。在此过程中,NO2还会形成另一类刺激性强烈的物质如PAN(硝酸过氧化乙酰)。这种一次污染无与二次污染无的混和烟雾就形成了光化学烟雾。

光化学污染 - 危害影响

空气污染
光化学烟雾的特征是烟雾呈蓝色,具有强氧化性,其高峰出现在有强阳光照射的中午或稍后,傍晚消失,污染区域往往在污染源的下风向几十到几百公里处。其主要成分:O3,PAN,醛类对动植物和建筑物伤害更是大,人和动物受到光化学烟雾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、胸疼、恶心、疲乏、气喘咳嗽等症状,严重者也有死亡的危险。O3,PAN等还能造成橡胶制品老化、脆裂,使染料褪色并损坏油漆涂料,纺织纤维和塑料制品等等。

经过研究表明,在北纬60度~南纬60度之间的一些大城市,都可能发生光化学烟雾。光化学烟雾主要发生在阳光强烈的夏、秋季节。随着光化学反应的不断进行,反应生成物不断蓄积,光化学烟雾的浓度不断升高,约3~4h后达到最大值。这种光化学烟雾可随气流飘移数百公里,使远离城市的农村庄稼也受到损害。

光化学污染 - 对人体健康的影响

光化学烟雾对人体健康的影响

空气污染
光化学烟雾的主要成分臭氧(约占85%)、过氧乙酰硝酸酯(约占10%)、过氧苯酰硝酸酯、醛类等。这些物质对人体可造成的危害是很大。光化学烟雾对人危害最明显的是对人眼睛的刺激作用。在美国加利福尼亚州,由于光化学烟雾的作用,曾使该州3/4的人发生红眼病。日本东京1970年发生光化学烟雾时期,有2万人患了红眼病。光化学烟雾对鼻、咽喉、气管和肺等呼吸器官也有明显的刺激作用,并伴有头痛,使呼吸道疾病恶化。对老人、儿童及病弱者尤为严重。在1952年洛杉矶的光化学烟雾事件中,于两天内使65岁以上的老人死亡400余人。

臭氧对人体的危害

臭氧对人体的危害主要表现在刺激和破坏深部呼吸道粘膜和组织,对眼睛也有刺激,其作用与二氧化氮类似。在低浓度长时间作用时,引起慢性呼吸道疾病及其它疾病。大气中臭氧浓度为0.1~0.5ppm时引起鼻和喉头粘膜的刺激和对眼睛的刺激。在0.2~0.8ppm浓度下接触两小时后会出现气管刺激症状,1ppm以上引起头疼、肺深部气道变窄,出现肺气肿,长时间接触会出现一系列中枢神经损害或引起肺水肿。此外,还能阻碍血液输氧的功能,造成组织缺氧现象;并有使视力迟钝、甲状腺功能受损、骨骼早期钙化等作用。根据近年研究,它还有引起染色体畸变的作用。

过氧乙酰硝酸酯对人体的危害

河流污染

研究表明光化学烟雾中的过氧乙酰硝酸酯(PAN)是一种极强的催泪剂,其催泪作用相当于甲醛的200倍。另一种眼睛强刺激剂是过氧苯酰硝酸酯(PBN),它对眼的刺激作用比PAN大约强100倍。空气中的飘尘在眼刺激剂作用方面能起到把浓缩眼刺激剂送入眼中的作用。近来据报道,PAN和PBN还有致癌危险。美国环保机构统计,美国每年癌症患者中有58%是由汽车废气引起空气污染所致。

过氧乙酰硝酸酯对人体的危害,特别是过氧苯酰酸酯、醛类、硝酸和硫酸等,都有强烈刺激眼睛的作用,使人眼睛红肿、流泪,呼吸系统症状表现为喉疼、喘息、咳嗽、呼吸困难还能引起头痛、胸闷、疲劳感、皮肤潮红、心功能障碍和肺功能衰竭等一系列症状。

光化学污染 - 对植物的危害

环境污染
植物受害是判断光化学烟雾污染程度的最敏感的指标之一。植物受到臭氧的损害,开始时表皮褪色,呈蜡质状,经过一段时间后色素发生变化,叶片上出现红褐色斑点。PAN使叶子背面呈银灰色或古铜色,影响植物的生长,降低植物对病虫害的抵抗力。植物受害现象是人体健康受到影响的先兆。光化学烟雾对植物的损害是十分严重的。在美国,光化学烟雾影响农作物减产已遍及27个州。据有关当局统计,仅加利福尼亚州1959年由光化学烟雾引起的农作物减产损失达800万美元。据洛杉矶市调查,由于光化学烟雾的毒害作用,使大片树林枯死,葡萄减产60%以上,柑桔也严重减产。

对光化学烟雾敏感的植物包括许多农作物(棉花、烟草、甜菜、莴苣、番茄和菠菜等),以及某些饲料作物,观赏植物(如菊花、蔷薇、兰花和牵牛花等)和多种树木。

光化学污染 - 对大气的能见度的影响

光化学污染
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。这主要是由于污染物质在大气中形成的光化学烟雾气溶胶所引起的。这种气溶胶颗粒大小一般多在0.3~1.0μm范围内。由于这样大小的颗粒实际上不易因重力作用而沉降,能较长时间悬浮于空气中,长距离迁移;它们与人视觉能力的光波波长相一致,且能散射太阳光,从而明显地降低了大气的能见度。因而妨害了汽车与飞机等交通工具的安全运行,导致交通事故增多。

光化学污染 - 对建筑物及橡胶制品的危害

光化学烟雾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。光化学烟雾还会促成酸雨形成,并使染料、绘画褪色,橡胶制品老化,建筑物和机器受腐蚀等。

光化学污染 - 污染事例

1943年,美国洛杉矶市发生了世界上最早的光化学烟雾事件。此后,对洛杉矶烟雾经过反复的调查研究,直到1958年才发现是由于洛杉矶市拥有250万辆汽车排放的尾气污染而造成。这些汽车每天消耗约1600吨汽油,向大气排放1000多吨碳氢化合物(HC)、400多吨氮氧化物(NOx)。这些气体受阳光作用,酿成了危害人类健康的光化学烟雾事件。1970年美国加利福尼亚洲发生大规模的光化学烟雾事件,农作物的损失达到2500多万美元。

1971年,日本东京发生较严重的光化学烟雾事件,使一些学生中毒昏迷。与此同时,日本的其它城市也发生了类似的事件。此后,日本的一些大城市连续不断出现光化学烟雾事件。日本环保部门对东京几个主要污染排放的主要污染物进行调查发现,汽车排放的CO、NOx、HC这三种污染物占总排放量的80%,使人们进一步认识到,汽车排放的尾气是产生光化学烟雾的罪魁祸首。

1997年夏季,拥有80万辆汽车的智利首都圣地亚哥也发生光化学烟雾事件。由于光化学烟雾的作用,迫使政府对该市实行紧急状态:学校停课、工厂停工、影院歇业,孩子、孕妇和老人被劝告不要外出,使智利首都圣地亚哥处于“半瘫痪状态”。在北美、英国、澳大利亚和欧洲地区也先后出现这种烟雾。由此可见,光化学烟雾已经对人类生存和城市环境构成了严重威胁。

光化学污染 - 预防

控制机动车尾气排放

通过以上的论述我们知道预防光化学烟雾的发生主要是由于机动车尾气的排放造成的,所以我们要严格遵守排放标准,提高汽车性能,提高油品质量,使用清洁燃油,改善汽车发动机工作状态和在排气系统安装催化反应器等。

使用化学抑制剂抑制

同时,也可以根据光化学烟雾形成机理,使用化学抑制剂,即诸如二乙基羟胺、苯胺、二苯胺、酚等对各种自由基可产生不同程度的抑制作用,从而终止链反应,达到控制烟雾的目的。但在使用前要慎重考虑抑制剂的二次污染问题,并避免其对人体和动植物的毒害作用。

加强对化工厂的废气排放管理

其次要对石油、氮肥、硝酸等化工厂的排废严加管理,严禁飞机在航行途中排放燃料等,以减少氮氧化物和烃的排放。科研人员已研制开发成功的催化转化器,就是一种与排气管相连的反应器,它使排放的废气和外界空气通过催化剂处理后,氮的氧化物转化成无毒的N2,烃可转化成CO2和H2O。

设立检测点

为了及时了解光化学烟雾的情况,许多国家都很重视监测工作。例如,洛杉矶市设有10个监测站,经常监测光化学烟雾的污染状况。同时该市还制定了光化学烟雾的三级警报标准,以便及时采取有效的防止措施。

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