第二章_大气环境化..(1)

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可见,在R·及RCO·寿命期内可以使多个NO转化成NO2。所以说,在 一个自由基形成之后到他灭亡之前可以参加多个自由基传递反应,
正是这种自由基传递过程提供了NO转化为NO2的最终条件。NO2既是 链反应的引发物质,又是链反应的终止物质。
2、光化学反应简化机制的总结
可概括为以下12个反应方程式
引发反应:
光 化 学 烟 雾
经过研究表明,在60N(北纬)~60S(南纬)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 3h~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。
3、光化学烟雾的控对策
控制污染源,减少氮氧化物和碳氢化合物污染源的排放 预防光化学烟雾主要是控制污染源,减少氮氧化物和碳氢化合物的排
放。NO的主要来源是燃煤,近70%来自于煤炭的直接燃烧,可见固定源是 NO排放的重要来源。因此控制固定源的排放尤为重要。为此应采取以下措 施:
(1 )改善能源结构。推广使用天然气和二次能源,如煤气、液化石 油气、电等,加强对太阳能、风能、地热等清洁能源的利用。
20世纪40年代之后,随着全球工业和汽车业的迅猛发展,光化学烟雾污染在世界各地不断出现,如美国洛杉矶 、日本东京、大阪、英国伦敦、澳大利亚、德国等大城市均发生过光化学烟雾现象。鉴于光化学烟雾的频繁发生及 其造成危害巨大,如何控制其形成已成为令人注目的研究课题。
(2)特征: 烟雾蓝色 刺激物浓度峰值出现在中午和午后 污染区域出现在污染源下风向几十到几百公里的范围内 具有强氧化性,能使橡胶开裂 对眼睛、呼吸道等有强烈刺激,并引起头痛、呼吸道疾 病恶化,严重造成死亡 对植物叶子有害,能使大气能见度降低
但单重态的激发态SO2分子很不稳定,立即可以通过放出磷光转变 为三重态或基态。
1SO2+Hale Waihona Puke Baidu→3SO2+M
1SO2+M→SO2+M
1SO2→SO2+hv
三重态的SO2分子在大气中比较稳定,寿命比较长,所以三重态的 SO2对于氧化和酸雨的形成有重要贡献。
因为基态的SO2分子没有三重态3SO2分子化学性质活波,所以三重 态SO2对于酸雨的贡献更大。
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
第二章 大气环境化学 第三节 大气中污染物的转化
迁移过程只是使污染物在大气 中的空间分布发生了变化,是一
一、自由基化学基础 二、光化学反应基础
个物理过程。
三、大气中重要自由基的来源
而转化则使污染物的形态、组 四、大气中氮氧化物的转化
分、甚至种类发生了改变,要么 五、大气中碳氢化合物的转化
转化为无毒化合物,消除了污染, 六、光化学烟雾

k1[ NO2 ] k 2 [O2 ]
又因为:
d[SO2 dt
]

k 4 [O][SO2
]
可以解得:
ln
[SO2 ]t [SO2 ]0


k 4 [O]t
所以 [SO2 ]t [SO2 ]0 exp( k4[O]t)
现在把SO2被O ·氧化而消耗到起始浓度的1/e所需要的时间用τ表示,并称

NO2+hv→NO+O ·

O ·+O2+M→O3 +M

O3+NO→NO2+O2
自由基传递: RH+HO ·+O2→RO2 ·+H2O RCHO+HO ·+O2→RC(O)O2 ·+ H2O RCHO+hv+2O2→RO2 ·+HO2+CO HO2 ·+NO→NO2+HO · RO2 ·+NO+O2→NO2+ R`CHO+HO2 · RC(O)OO ·+NO+O2→NO2+RO2 ·+CO2 终止: NO2 +HO ·→HNO3 NO2+RC(O)OO ·→RC(O)OONO2 RC(O)OONO2→RC(O)OO ·+ NO2
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。
七、大气中硫氧化合物的转化
由污染源直接排放到大气中的主要硫氧化合物是SO2,人为污染源是含
硫矿物的燃烧过程,将矿物中的有机硫或元素硫氧化为SO2。一般煤中含硫 0.5-6%,石油0.5-3%。就全球范围,人为排放的SO2中有60%来自燃煤,30%来 自燃油。
SO2 + HO · HOSO2 ·(25摄氏度,1atm,k=9×10-13cm3mol-1s-1) 自由基HOSO2 ·不稳定,立即进一步与大气中的氧分子作用:
HOSO2 ·+ O2+M HO2 ·+SO3+M SO3+H2O→H2SO4 HO2 ·+NO→HO ·+NO2 (污染大气中有NO,所以HO重生)
(3)被原子氧、臭氧氧化:
污染大气中的原子氧主要来自NO2的光解。 NO2+hv→NO+O · k1 O ·+SO2→SO3 k4 另有反应:O ·+O2+M→O3 +M k2
由上述反应可得到:
d[O] dt

k1[NO2 ] k2[O][O2 ] k4[O][SO2 ]
稳态时,并且已知k4<<k1或k2,得到: [O]
(2)区域集中供热发展区域集中供暖供热,设立规模较大的热电厂和 供热站,取缔市区矮小烟囱。
(3)推广燃煤电厂烟气脱N技术。如选择性催化还原法(SCR)、非选 择性催化还原法(SNCR)和吸收法。选择性催化还原法是以金属铂的氧化 物作为催化剂,以氨、硫化氢和一氧化碳等作为还原剂,选择最佳脱硝反 应温度,将烟气中的氮氧化物还原为N2。非选择性催化还原法与选择性催 化还原法不同的是非选择性控制一定的反应温度,在将烟气中的氮氧化物 还原为N2的同时,一定量的还原剂还与烟气中的过剩氧发生反应。吸收法 是利用特定的吸收剂吸收烟气中的NO 。根据所使用的吸收剂,可分为碱吸 收法,溶融盐吸收法和稀硝酸吸收法。
要么转化为毒性更大的二次污染 七、大气中硫氧化合物的转化
物,加重了污染。 对污染物在环境中转化的研究
八、酸性降水
是环境化学研究的核心内容。
九、室温气体和室温效应
十、臭氧层的形成和耗损
六、光化学烟雾
1、光化学烟雾现象
由前述氮氧化物和碳氢化合物的转化过程,只要大气中存在三个条件:
强烈的太阳光+一定的温度+碳氢化合物和氮氧化合物
(4)烟雾箱模拟揭示的机理
研究条件:封闭的容器+反应气体(丙烯(HC)、NOx、空气)+ 模拟太阳光照射 观察结果: 随时间增加,NO向NO2转化(NO消耗) 由于氧化而大量消耗丙烯(碳氢化合物消耗) 臭氧、PAN、HCHO、NO2等二次污染物生成 关键反应: NO2光解导致O3的生成(光化学反应_诱因) 丙烯氧化得到活性自由基,HO·,HO2·(自由基链反应_强化) 活性自由基促使NO向NO2转化,同时使PAN、O3等生成(结果)
1、SO2的气相氧化
(1)直接光氧化(是否能直接光解?):
低层大气中SO2的吸光过程是变成激发态SO2分子,而不是造成 SO2的直接离解。激发态的SO2分子有两种:单重态和三重态。
SO2+hv(340-400nm)→3SO2 (三重态,电子自旋,平行,能态低)
SO2+hv(290-340nm)→1SO2 (单重态,电子自旋,反向,能态高)
就会由光化学反应引发一系列的化学过程,产生一些氧化性很强的物质, 如臭氧、PAN,HNO3,H2O2等二次污染物,该过程实际就是光化学烟雾的形 成过程。
(1)概念:主要含有氮氧化物和碳氢化合物等一次性污染物的大气,在阳 光照射下发生化学反应而产生的二次污染物,这种由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,称为光化学烟雾,因最早在1943年 的美国洛杉矶首先发现,因此又称为洛杉矶烟雾。
(3)日变化曲线
总体上,白天生成,夜晚消失,污染物浓度峰值出现在中 午和午后。
烃类和NO发生在早上交通高峰时节,此时NO2浓度很低。 随太阳辐射增强,O3和NO2浓度逐渐增加,到中午已经较高, 一般O3和NO2浓度峰值比NO浓度峰值晚出现4-5小时。 推断:O3、NO2、PAN是主要二次污染物。 傍晚虽然交通繁忙,但是日光较弱,因此不足以引起光化 学反应。
与其他自由基的反应:
二元活性自由基 CH3CHOO ·+SO2→CH3CHO+SO3 (白天主要与HO·反应,夜间发生该反应,二元自由基来源于前述的臭氧 和烯烃的反应)
SO2 + HO2 · OH ·+ SO3 SO2 + CH3O2 · CH3O ·+ SO3 SO2 + CH3C(O)O2 · CH3C(O)O + SO3
减少机动车尾气的排放 NO和碳氢化合物的另一个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
SO2的天然来源是火山喷发,喷发中大部分硫化物是以SO2形式存在的, 少部分以H2S形式存在。H2S在大气中又很快氧化成为SO2。
大气中的硫化合物包括H2S、二氧化硫、三氧化硫等,其中三氧化硫很 容易溶解于水形成硫酸,再与颗粒物作用生成硫酸盐气溶胶。
一般情况下SO2不容易直接被O2所氧化,需要将SO2先行激活(光化学的 激发态)或者需要氧化性更强的氧化剂来对之进行氧化。 实际测定研究结果说明:光强、湿度和氧化剂浓度都对SO2的氧化过程有 影响。 SO2在大气中转化的最终结果是形成硫酸-酸雨。
RH+O ·→R ·+HO ·(自由基增殖反应) RH+HO ·→R ·+H2O(自由基增殖反应) R ·+O2→RO2(自由基增殖反应) H ·+O2→HO2·(自由基增殖反应) RCO ·+ O2→RC(O)OO ·(自由基增殖反应)
大量的活性自由基(HO2· RO2· RC(O)OO·)使NO转化为NO2, NO、 HC等消耗殆尽,O3、NO2、PAN、HNO3等最终形成,链反应中止: NO+HO2·→NO2+HO · NO+RO2·→NO2+RO · (RO+O2→HO2 ·+R`CHO) NO+RC(O)OO ·→NO2+RC(O)O · (RC(O)O ·→R ·+CO2) NO2+HO ·→HNO3 NO2+RC(O)OO ·→RC(O)OONO2 RC(O)OONO2→RC(O)OO ·+ NO2
反应过程:
自由基的引发反应主要由于NO2和醛类光解:
NO2+hv(<430nm)→NO+O· k1(NO转化为NO2的引发反应)
O·+O2+M→O3 k2
O3+NO→NO2+O2 k3
RCHO+hv→RCO ·+H ·(自由基产生的引发反应)
碳氢化合物(烃类)的氧化能够得到大量活性自由基,即碳氢 化合物的存在是自由基转化和增值的根本原因:
大气中三重态3SO2分子比基态SO2分子容易被直接氧化:
3SO2+O2→SO4(3SO2和O2的结合体,不稳定,分解很快)→SO3+O·
或 SO4+SO2→2SO3
SO3+H2O→H2SO4
(2)被自由基氧化-间接光氧化:
污染大气中含有各类有机污染物的光解以及反应生成的各种自由基, 这些自由基大多具有强氧化性,因此SO2分子很容易被他们氧化 与HO ·自由基的反应是大气中SO2分子氧化的重要反应:
为O ·氧化的特征时间,则有: k2[O2 ]
k4k1[NO2 ]
作用:对比不同物质的特征氧化时间,比较其氧化特性
可以定义SO2在单位时间的转化百分数。 X+SO2→SO3 k

d[SO2 dt
]

k[ X
][SO2
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