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    大气环境化学大气的组成结构和性质.ppt

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    大气环境化学大气的组成结构和性质.ppt

    第二章 大气环境化学当前三大全球环境问题:气候变化、酸沉降、臭氧层损耗都发生在大气圈内,第一节 大气的结构、组成和性质 第二节 污染物在大气中的迁移第三节 大气中污染物的转化 第四节 大气颗粒物,1、污染物在大气中的转化1)光化学反应基础2)自由基反应和来源3)氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物的转化2、几种代表性的大气环境污染问题1)酸雨,光化学烟雾,硫酸烟雾型污染2)温室效应3)臭氧层破坏3、大气颗粒物1)粒径分布 2)三模态 3)化学组成,重点内容:,第一节 大气结构、组成和性质,一、大气垂直分层,二、大气的组成,三、大气中主要污染物,按化学结构组成:同质层和异质层,一、大气垂直分层,通常把静态大气的温度和密度在垂直方向上的分布,称为大气温度层结和大气密度层结。,平均厚度12km,赤道19km,两极8-9km,云雨主要发生层,夏季厚,冬季薄。特点:1、气温随高度升高而降低;2、空气密度大;3、有三小层、天气复杂多变;4、对流运动强烈。,(一)对流层,垂直递减率():垂直升高100m,气温的变化值,当0时,称为等温气层;,当 0时,称为逆温层,当 0时,正常,每升高100m降低0.65,特点:1、空气基本无对流,平流运动占显著优势;2、空气比下层稀薄,水汽、尘埃含量很少,很少有天气现象,透明度极高;3、在15-35km的范围内(平流层上层),厚度约20km的臭氧层。,(二)平流层 对流层顶到约50km,(三)中间层 从平流层顶到约85km的高度,特点:1、空气更稀薄 2、无水分 3、温度随高度增加而降低,中间层顶,气温最低(-100)4、中间层中上部,气体分子(O2、N2)开始电离。,(四)热层 从80km到约800km的高度,特点:1、温度随高度增加迅速增高;2、气更为稀薄;3、大部分空气分子被电离成为离子和自由 电子,又称电离层,可以反射无线电波,(五)逸散层 特点:1、800km以上高空2、空气稀薄,密度几乎与太空相同3、空气分子受地球引力极小,所以气体及其微粒可以不断从该层逃逸出去,二、大气的组成,气体组分和大气颗粒物,(一)气体组分及分布,1、气体组分,1)氮(78.09%)、氧(20.95%)、氩(0.9%)、CO2(0.03%)99%2)稀有气体(CH4、SO2、NH3、CO、O3)0.1%3)水(正常范围 1-3%),2、主要组分分布 特点:1、N2一直延伸到100Km,最大浓度出现在50Km,N主要50100Km 2、O2主要在低于60Km,O高于60Km 3、CO2主要在低于50Km,集中2Km 4、水蒸汽主要在低于10Km,集中6Km,(二)大气组分的停留时间,1、停留时间,某种组分在大气中存在的平均时间,用表示,P为该物质的总质量生成速率;I为该物质的总质量流入速率;,R为该物质的总质量去除速率;O为该物质的总质量流出速率;,假定大气中某种组分的总量为M,那么其速率变化可表示为:,dMdt=P+I-R-O,总的输入速率,总的输出速率,(二)大气组分的停留时间,当大气处于稳定态条件下时,P+I=RO,平均停留时间:,(二)大气组分的停留时间,例如,含硫化合物在对流层的平均浓度为1gKg,而对流层空气总质量为41021g。而硫的天然和人为源总贡献为200106ta,求硫停留时间,S总质量M=41021 1gKg=4106t=4106t/200106ta=7d,(二)大气组分的停留时间,2、按停留时间对大气组分分类,准永久性气体、可变化组分、强可变组分,准永久性气体(a)N2(106)、Ar(107)、Ne(107)、Kr(107),可变组分(a)CO 2(5-15)、CH 4(2.5-8)、N2O(10)、O2(10),强可变组分(d)CO(73185)、H2 O(10)、SO2(2)、NOx(10),(三)大气组分浓度表示法,1、ppm、ppb、ppt,3、mg/m3、g/m3(大气颗粒物),2、个数/cm3(超微量组分,HO.、分子、原子),分别表示10-6,10-9,10-12,(三)大气组分浓度表示法,1ppm相当于2.461013个分子/cm31ppt相当于2.46107个分子/cm3,106(体积分数)RT/PM(g/m3),例题:汽车配气中含1.5(体积分数)CO,这相当于以g/m3为单位的浓度值是多少?(25,1个大气压),1.515000106(体积分数),三、大气中的主要污染物,按物理状态,气态和颗粒物,按形成过程,一次污染物和二次污染物,按化学组成,含硫化物、含氮化合物、含碳化合物、含卤素化合物、光化学氧化剂(5类),一次污染物:直接从污染源排放的污染物;二次污染物:由一次污染物经化学反应形成的污染物,1、SO21)危害,(一)含硫化合物的来源和演变,人呼吸道,损伤叶组织、造成缺绿,硫酸烟雾和酸性降水,1、SO22)来源,天然来源:火山喷发、土壤厌氧微生物与植物释放、陆地上降雨、风吹起的海盐,人为来源:矿物燃料燃烧、硫化矿冶炼,3)清除,干湿沉降,1、SO24)浓度特征,1、SO24)浓度特征,夏季低,一天变化不大;冬季浓度高且变化大,随高度增加而增加,随风向变化,2、H2S1)来源,(一)含硫化合物的来源和演变,主要天然来源,含硫有机物的分解,以及硫酸盐在厌氧环境被反硫化细菌还原,2)清除,1、N2O,(二)含氮化合物的来源和演变,天然来源,土壤硝酸盐经细菌脱氮,难溶于水,寿命长、稳定在低层大气中,但可在平流层发生光解,NO、NO2、N2O、NH3,2、NOx,(二)含氮化合物的来源和演变,NO、NO2,通式NOx,与血红蛋白结合,肺炎,损伤叶组织、造成斑点,光化学烟雾,1)危害,2、NOx,(二)含氮化合物的来源和演变,NO、NO2,通式NOx,2)来源,人为污染:燃料高温燃烧(主要)、氮肥、炸 药,天然来源:光化学反应、闪电、微生物固化、火山爆发森林失火,3)清除,干湿沉降,(二)含氮化合物的来源和演变,NO、NO2,通式NOx,4)燃料燃烧过程中NOx形成机理,N2在高温下(2000),以上快,结论:燃烧过程中排放的氮氧化物主要为NO(占90%以上),其次才为NO2(仅占10%左右),1、CO,(三)含碳化合物的来源和演变,CO、CO2、CHx、含氧烃等,参与光化学烟雾形成,阻碍体内氧气输送,1)危害,温室气体,导致温室效应,1、CO,(三)含碳化合物的来源和演变,CO、CO2、CHx、含氧烃等,2)来源,人为污染:燃料不完全燃烧,天然来源:海洋中生物作用、植物叶绿素的 分解、森林火灾、甲烷光化学氧化,3)清除,土壤吸收,与HO自由基反应(主要途径),1、CO,4)浓度特征,城市多于非城市,一天中峰值出现在早晚交通量大时,随高度、纬度变化(北高南低),2、CO2,(三)含碳化合物的来源和演变,CO、CO2、CHx、含氧烃等,1)危害,温室气体,导致温室效应,2)来源,人为污染:矿物质燃料燃烧、森林破坏,天然污染:海洋脱气、甲烷转化、动植物呼吸、腐败、森林火灾,2、CO2,(三)含碳化合物的来源和演变,CO、CO2、CHx、含氧烃等,3)清除,植物光合作用、海水吸收后以碳酸盐形式,3、CHX,气态存在于大气中的是碳原子数在110,包括可挥发性的所有烃类,烯烃、芳香烃。,是形成光化学烟雾的主要参与者。,相比较而言,开放程度大的链烯烃活性高于较为封闭的环烯烃,含有氧原子的碳氢化物活性高于链烷烃。,甲烷,1)危害:,温室气体,导致温室效应,2)来源:,燃料燃烧过程、原油以及天然气的泄漏,厌氧细菌发酵为主,温室效应比CO2大20倍,3)清除:,主要,4)浓度特征:,夏低冬高,北半球高,(四)卤代烃的来源和演变,1、来源,人为污染:有机化学溶剂挥发,天然污染:海洋,(四)卤代烃的来源和演变,2、氟氯烃类,1)危害,破坏臭氧层,温室气体,通式CnH2n-x-yFxCLy,通式x+y2n+2,CFC,(四)卤代烃的来源和演变,2、氟氯烃类,2)来源,主要来自人为污染源,3)清除,在对流层不易清除,进入平流层在强紫外线 下光解,(五)光化学氧化剂的来源和演变,臭氧、过氧化物、过氧酰基硝酸酯,臭氧产生途径很多:大气光化学反应、森林火灾、电解硫酸,

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