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光化学烟雾

光化学烟雾

光化学烟雾指大气中的氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物及其受紫外线照射后产生的以臭氧为主的二次污染物所组成的混合污染物。光化学烟雾是一种带有刺激性的棕红色烟雾,长期吸入会引起咳嗽和气喘,浓度达50ppm时,人将有死亡危险。光化学烟雾主要污染源是机动车排放的尾气。世界上首例光化学污染于1943年发生于美国洛杉矶市。

目录

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1 简介
2 形成条件
3 特征
4 组成成分
5 形成机理
6 危害
  1. 6.1 损害人和动物的健康
  2. 6.2 影响植物生长
  3. 6.3 影响材料质量
  4. 6.4 降低大气的能见度
7 监测方法
  1. 7.1 植物监测法
  2. 7.2 监测管法
  3. 7.3 仪器监测法
8 预防措施
  1. 8.1 控制污染源
  2. 8.2 减少机动车尾气的排放
  3. 8.3 利用化学抑制剂
  4. 8.4 植树造林
9 主要事例

光化学烟雾 - 简介

光化学烟雾

光化学烟雾是由汽车、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(O3)、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所形成的烟雾污染现象。

光化学烟雾的成分非常复杂,但是对动物、植物和材料有害的是臭氧、PAN和丙烯醛、甲醛等二次污染物。人和动物受到的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。

光化学烟雾的形成及其浓度,除直接决定于汽车排气中污染物的数量和浓度以外,还受太阳辐射强度、气象以及地理等条件的影响。经过研究表明,在北纬60度至南纬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。

光化学烟雾 - 形成条件

光化学烟雾形成的最根本的条件是空气中高浓度碳氢化合物和氮氧化合物的存在。而大气中的氮氧化物主要来源于化石燃料的燃烧和植物体的焚烧,以及农田土壤和动物排泄物中的的转化。其中,以汽车尾气为主要来源。

光化学烟雾的形成除了必备的化学条件之外,还需要一定的有利于烟雾形成的气象条件。

光化学烟雾 - 特征

光化学烟雾是一种刺激性的棕红色烟雾 ,产生时大气能见度降低。一般发生在大气相对湿度较低、气温为24~32℃的夏季晴天,污染高峰出现在中午或稍后。

光化学烟雾是一种循环过程,白天生成,傍晚消失。污染区大气的实测表明,一次污染物(HC)及一氧化氮(NO)的最大值出现在早晨交通繁忙时刻,随着NO浓度的下降,二氧化氮(NO2)浓度增大。臭氧和醛类等二次污染物随着阳光增强而积聚起来。它们的峰值一般要比NO峰值的出现延迟约 4~5个小时。二次污染物PAN浓度随时间的变化同O3和醛类相似。

光化学烟雾 - 组成成分

光化学烟雾

光化学烟雾包括以下几种物质:

氮氧化物,例如二氧化氮;

对流层臭氧;

挥发性有机化合物(VOCs);

硝酸过氧化乙醘(PAN);

醛类;

酮类;

光化学烟雾 - 形成机理

通过对光化学烟雾形成的模拟实验,已经初步明确在碳氢化合物和氮氧化物的相互作用方面主要有以下过程:

1、污染空气中NO2的光解是光化学烟雾形成的起始反应。

化学式: NO2==NO+O(条件为光照) O+O2==O3 2NO+O2==2NO2

分析:

2NO2(排放的)==2NO[(3)式中有用)]+2O[(2)式中有用)](条件为光照)

2O[(1)式中的O]+2O2(空气中的)==2O3(刺激性气体)

2NO[(1)式中的NO]+O2==2NO2(生成NO2,开始继续反应)

综合一下: 3O2==2O3(光照,NO2

2、碳氢化合物被HO、O等自由基和臭氧氧化,导致醛、酮、醇、酸等产物以及重要的中间产物RO2、HO2、RCO等自由基的生成。

3、过氧自由基引起NO向NO2的转化,并导致O3和PAN等的生成。

光化学烟雾 - 危害

损害人和动物的健康

光化学烟雾对眼睛的剌激作用特别强,浓度大约0.1ppm时,短时间的接触就能使人流泪不止。当浓度增加至1ppm时,眼睛发痛难睁,并有头痛和呼吸困难征状。长期吸入,会引起咳嗽和气喘。光化学烟雾浓度达50ppm时,人将有死亡危险。


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。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。

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、蕃茄和菠菜等),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。

影响材料质量

光化学烟雾会促成酸雨形成,造成橡胶制品老化、脆裂,使染料褪色,建筑物和机器受腐蚀,并损害油漆涂料、纺织纤维和塑料制品等。

降低大气的能见度

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。

光化学烟雾 - 监测方法

植物监测法

检测植物表皮损伤是一种简易的检测方法,已逐渐被人们所重视。有些植物对某些大气污染很敏感。如,光化学烟雾使叶片背面变成银白色或古铜色,叶片正面出现一道横贯全叶的坏死带。

监测管法

包括检测试管法、直接检测管法和吸附检测管法。即将样品置于毛细管中,让它与水、某种化学物质、或某种吸附剂反应,并且与标准样品进行比较以确定污染物浓度。

仪器监测法

运用各种可在野外现场进行在线观测的仪器可对光化学污染物和前体物进行实时监测,以确定这些物质的浓度水平和变化情况。该方法具有灵活、快速、能用于应急等优势。

要了解光化学烟雾反应产物和前体物的详细成分,尤其是挥发性有机物及其转化产物,有时需要利用一些实验室的较大型仪器设备进行全面的监测分析,例如,气相色谱仪和色谱—质谱联用仪、液相色谱仪、红外光谱分析仪等。

光化学烟雾 - 预防措施

控制污染源

光化学烟雾

控制光化学烟雾同控制其他污染一样,首先要控制污染源。几乎所有的燃烧过程都产生氮氧化物。炼油工业、加油站和焚烧炉等也是重要的排放源。改善能源结构、改良供暖系统、推广先进的技术都是控制污染源的重要途径。

减少机动车尾气的排放

NO和碳氢化合物的重要来源是机动车尾气的排放。当燃料在发动机汽缸里进行燃烧时,由于内燃机所用的燃料中含有碳、氢、氧之外的杂质,使得内燃机的燃烧不完全,排放的尾气中含有一定量的CO、碳氢化合物、NO、微粒物质和臭气(甲醛、丙烯醛等)。碳氢化合物成分复杂,含有强致癌物质。因此控制机动车尾气排放对于预防光化学烟雾有很大的积极作用。

利用化学抑制剂

使用化学抑制剂目的是消除自由基,以抑制链式反应的进行,从而控制光化学烟雾的形成。人们发现二乙基羟胺,苯胺,二苯胺,酚等对氢氧自由基有不同的抑制作用,尤其是二乙基羟胺(DEHA)对光化学烟雾有较好的抑制作用。在大气中喷洒0. 05PPm的二乙基羟胺,能有效抑制光化学烟雾,利于环保。但在使用的过程中,要注意抑制剂对人体和动植物的毒害作用,并注意防止抑制剂产生二次污染。

植树造林

实验证明,树木在一定浓度范围内,吸收各种有毒气体,使污染的空气得以净化。因此应大力提倡植树造林,绿化环境。

光化学烟雾 - 主要事例

1943年洛杉矶光化学烟雾事件

1943年,美国洛杉矶市发生了世界上最早的光化学烟雾事件(请查阅:1943年洛杉矶光化学烟雾事件)。当时该市250万辆汽车每天燃烧掉1100吨汽油,汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下引起化学反应,形成浅污染烟雾,使该市大多市民患了眼红、头疼病。

1955年和1970年洛杉矶又两度发生光化学元素烟雾事件,前者有400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死,后者使全市四分之三的人患病。

1971年,日本东京发生了较严重的光化学烟雾事件,使一些学生中毒昏倒。与此同时,日本的其他城市也有类似的事件发生。此后,日本一些大城市连续不断出现光化学烟雾。日本环保部门经对东京几个主要污染源排放的主要污染物进行调查后发现,汽车排放的CO、NOx、HC三种污染物约占总排放量的80%。

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。

2012年5月,据媒体报道,中国4/5的城市不能达到新的环境空气质量标准,空气污染严重影响居民身体健康;2011年,仅北京、上海两市完成氮氧化物年度减排计划。长三角、珠三角、京津冀等地区城市大气灰霾和光化学烟雾污染日渐突出,灰霾天数占到全年总天数的30%至50%。

2013年2月16日,中国科学院公布了该院“大气灰霾追因与控制”专项组的最新研究结果。研究认为,2013年初的强雾霾事件,是异常天气形势造成中东部大气稳定、人为污染排放、浮尘和丰富水汽共同作用的结果,是一次自然因素和人为因素共同作用的事件。

专项组成员、中科院遥感与数字地球研究所研究员陈良富表示,空气污染物中的可溶性成分遇到浮尘矿物质凝结核后会迅速包裹,形成混合颗粒,再遇到较大的空气相对湿度后,就会很快发生吸湿增长,颗粒的粒径增长2倍至3倍,消光系数增加8倍至9倍,也就是能见度下降为原来的八分之一至九分之一。中科院大气物理所研究员王跃思表示,席卷中国中东部地区的强霾污染物化学组成,是英国伦敦1952年烟雾事件和20世纪40~50年代开始的美国洛杉矶光化学烟雾事件污染物的混合体,并叠加了中国特色的沙尘气溶胶。

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