环境化学戴树桂版第二版第章第节ppt课件

第三节全球性 区域性 大气环境问题 一 酸性降水二 温室效应三 臭氧层破坏 一些区域性大气环境问题已在前面讲述 一 酸性降水 酸沉降 aciddeposition 湿沉降 wetdeposition 雨 雪 雹 雾等雨除 rainout 冲刷 washout 干沉降 drydeposition 重力沉降 碰撞捕获 表面吸附 酸性降水 1 酸雨的研究概况 对酸雨的一般认识potter 1930 pH 1872年由英国化学家R A Smith发现 并出 酸雨 这一名词 pH值小于5 6的雨雪 习惯上称酸雨 世界酸雨发展 欧洲酸雨美洲酸雨1972年6月在UN第一次人类环境会议对酸雨的认识1982年6月 瑞典斯德哥尔摩 国际环境酸化会议20世纪80年代以来 世界第三大酸雨区 中国酸雨20世纪80年代 中国酸雨区90年代中期 中国酸雨区目前 降水年平均pH小于5 6的地区中国酸雨的主要致酸物质 对酸雨危害的争论森林的大面积死亡 河流 湖泊中鱼类的死亡 泰晤士河酸雨是一种自然现象 中国 降水酸度与大气污染并无直接关系 事实 酸性降水面积扩大与二氧化硫和氮氧化物排放量增加 世界上酸雨来源之争 加拿大 美国东部 日本 东南亚 中国 大气环流输送 受酸雨污染的水稻 2 清洁大气降水的pH 酸雨判别标准5 6 清洁大气中 一般只考虑CO2溶于水导致的酸度CO2 H2O CO2 H2O亨利常数 3 36 10 7molL 1Pa 1CO2 H2O HCO3 H 一级电离 4 47 10 7molL 1HCO3 CO32 H 二级电离 4 68 10 11molL 1所以 根据电中性原理 H OH HCO3 2 CO32 所以 H 一定温度下上述方程中的各个参数都有固定值KH 3 36 10 7molL 1Pa 1K1 4 47 10 7molL 1K2 4 68 10 11molL 1PCO2 33paKw 1 0 10 14 因而可以估算 H 2 51 10 6molL 1所以pH 5 6 多年来国际上一直将5 6作为酸雨的判别标准 但是也有关于此标准的争论 3 酸雨判别标准的争论 酸雨pH 5 6 溶液的pH值只是强酸部分的量度 酸雨的判别标准仅是根据大气中CO2的平均含量计算出来的 一个地区降水是否酸性降水 与该地区的地理形势有关 降水背景点的研究除CO2外还存在其他各种酸 碱性气态和气溶胶物质硝酸和硫酸并不都是来自人为源空气中碱性物质的中和作用 争论的结论 全球降水背景值的pH值均大于或等于5 0 实际影响降水pH值的除CO2外 还有SO42 NO3 有机酸 尘埃等人为活动以前 降水的性质也有酸性降水内陆pH 5 0 海洋pH 4 7为酸雨 可能更符合客观规律 4 酸雨内酸性成分的形成 对酸性成分有重要影响的几种物质 SO2 NOxO3 H2O HO2 HO Fe MnNH3 Ca2 Mg2 反应类型均相 非均相 光化学氧化 自由基氧化 催化氧化和强氧化剂氧化 转化过程 SO2和NOx在气相中氧化H2SO4和HNO3进入液相 3 SO2和NOx液相氧化 4 SO2和NOx在气液界面化学反应5 酸雨的形成必须具备以下几个条件 1 污染源排放及其转化条件 2 大气中的气态碱性物质浓度 3 大气中颗粒物的酸碱度及其缓冲能力 4 天气形势的影响 6 酸雨的化学组成和关键性离子组分 化学组成阳离子 H Ca2 NH4 Na K Mg2 阴离子 SO42 Cl HCO3 NO3 酸雨中的关键性离子组分 Cl 和Na 主要是来自海洋 浓度相近阴离子总量中SO42 占绝对优势 阳离子总量中 H Ca2 NH4 占80 以上 酸雨 非酸雨区 阴离子SO42 NO3 差别不大 阳离子差较大 二 温室气体和温室效应 1 研究背景温室效应是有害的 制冷效应 例如大气平流层中的O3层 冰室效应 大气对流层中的颗粒物 阳伞效应 公元1550 1900年地球上频繁的火山喷发形成的阳伞效应过强 延续330年 小冰期 但是在近代开始 温室效应已经成为一个不可忽视的全球性环境问题需要纠正一个错误认识 凡是温室效应就是有害的 2 温室效应地球热平衡 传导 对流和辐射 地球表面能量返回大气温室效应 花园种草的温室1 大气中自然发生的温室效应 2 人为的温室效应 3 主要温室气体概述温室气体包括两类 一类在对流层混合均匀 如CO2 CH4 N2O和CFCs 一类在对流层混合不均匀 如O3 nMHCs 许多研究资料表明 自工业革命开始后全球大气对流层中CO2 CH4 N2O和CFCs O3 nMHCs等都出现了浓度增高的趋势 为什么CFCs等造成的温室效应要比CO2强很多H2O和CO2吸收的红外光线的波长分布在1200nm以上和850nm以下的范围 而且吸收微弱但是这个范围波段的红外光能够强烈地被CFCs 还有甲烷 一氧化二氮等 吸收 对于H2O和CO2对红外光的吸收 目前已经是相对 纯 吸收 大气中主要温室气体 CO2 N2O CH4 CO CH3CHCl2 O3 CFC 11 CFC 12 CCl4 4 温室效应危害全球平均温度上升 两极冰融化 海平面上升 全球的大气环流发生改变还会伴随大量其他环境问题 物种灭绝 疾病流行等 三 臭氧层破坏1 O3的生成与损耗的动态平衡化学机制生成反应 O2 h 243nm 2O2O 2O2 M 2O3总生成反应 3O2 h 2O3消耗反应 O3 h 210 290nm O2 O或者 O O3 2O2总消耗反应 2O3 h 3O2 2 O3层破坏的催化反应机理O3层破坏主要有三类链反应 HOx NOx ClOx 1 水蒸气 甲烷等的影响平流层中存在的水蒸气 甲烷 可与激发态氧原子形成含氢物质 H OH与HO2 例如H2O O 2HOCH4 O CH3 HOH2 O H HOO3损耗约10 反应 HO O3 HO2 O2HO2 O HO O2总反应 O O3 2O2 2 NOx的催化作用 天然源 飞机排放 宇宙射线 平流层中的N2ON2O O 2NONO O3 NO2 O2经氧化后产生NO和NO2造成O3损耗估计约占O3总损耗量70 NO O3 NO2 O2NO2 O NO O2总反应 O O3 2O2 3 天然或人为的氯 溴及其卤氧自由基的催化作用平流层中ClOx的天然源是海洋生物产生的CH3Cl h CH3 Cl 甲基氯 对流层稳定 ClOx的人为源是制冷剂CFCl3 h CFCl2 ClCF2Cl2 h CF2Cl Cl光解产生的Cl可破坏O3Cl O3 ClO O2O ClO Cl O2总反应 O O3 2O2 4 总结总结上述O3层破坏的反应过程 可得到 Y O3 YO O2O YO Y O2总反应 O O3 2O2 Y 上述可以消耗臭氧的物质可以相互作用 形成的产物相当于将这些物质暂时贮存起来 一定条件下重新释放 极地平流层的冰云中观测发现大量的物质 HONO2 HO2NO2 ClONO2 N2O5 HOCl HCl等 3 极地O3空洞的及其形成机制 1 极地O3空洞 1950年代最早在1985年 J C Farman 法曼 10月份南极的臭氧从1979年的290D U 1D U 10 5cm 0摄氏度 1标准大气压 减少到1985年的170D U 同时人们在北极地区也观测到了臭氧浓度下降的趋势但是在热带地区的平流层 没有发现臭氧减少的现象 2 极地O3损耗的化学机制太阳活动学说大气动力学学说化学机制说 从化学机制上主要有 氯溴协同机制 Cl O3 ClO O2Br O3 BrO O2BrO ClO Cl Br O2总反应 2O3 3O2 自由基链反应机制 HO O3 HO2 O2Cl O3 ClO O2ClO HO2 HOCl O2HOCl hv HO Cl总反应 2O3 3O2 ClO二聚体链反应机制 Cl O3 ClO O2ClO ClO M ClO 2 M ClO 2 hv ClOO ClClOO M Cl O2 M总反应 2O3 3O2 3 极地O3损耗的全球大气动力学和气候学机制为什么仅仅在南极 北极出现臭氧空洞 为什么在热带地区的平流层中没有发现臭氧层的破坏 为什么在南极出现臭氧空洞比较大 从O3的空间分布角度分析 全球大气动力学 全球O3的空间浓度分布是赤道低 中高纬高 原因 但在极地的中心O3的浓度又比较低 原因 而且极地地区极低的气温 不利于O3的合成 从O3合成的时间分布分析 气候学 冬季的南极 气温极低 漫长的冬季 几乎没有O3的合成发生 晚东早春 南极的气温达到了最低点 Cl原子的临时储存库但是由于在南极的漫长冬季里 阳光不会强烈 极夜 在早春 南极的阳光一下子强烈 大量在冬季累积的HOCl和Cl2导致O3在短时间内的大量破坏随着极地的温度逐渐升高南极臭氧逐渐得到恢复 臭氧空洞就会减少 首先太阳光逐渐增强 导致有更多的O3合成 其次 温度的升高将极地平流云升华 Cl原子的临时储存库消失再次 温度的升高 空气比重减小 极地环流减弱 4 保护臭氧层国际公约1977年3月由联合国环境规划署在美国华盛顿召开32国专家会议 通过世界第一个关于臭氧层的行动计划 要求进行臭氧层损耗的研究 损害评价 成立国际协调结构等 1985年联合国环境规划署在奥地利的维也纳颁布 保护臭氧层维也纳公约 虽然人们早就发现CFC对破坏臭氧层有重大贡献 但是必须限制CFC排放的国际舆论是在1985年南极臭氧空洞出现以后才出现的 1987年 加拿大 蒙特利尔 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书 1989年1月1日生效 对世界CFC类物质的生产和使用 规定了限制时间表 人们仍发现 即使严格执行 议定书 大气中的Cl今后50年内仍会翻一倍 所以联合国连续在1989年3月召开保护臭氧层伦敦会议 公约 议定书 缔约国会议等 强调保护臭氧层重要性 1989年5月 颁布 保护臭氧层赫尔辛基宣言 鼓励更多国家参加 公约 议定书 同意在适当时候发展中国家尽快但是不迟于2000年禁止CFC的生产和使用 加速开发替代物和替代技术 回顾总结 酸雨 概况 pH 5 6 争论关键离子 形成条件温室效应 形成原因 主要温室气体为什么成为温室气体主要温室气体 危害臭氧层破坏 动态平衡 破坏的化学机理空洞成因 注释 颗粒物部分自学 思考题 1 简述关于酸雨pH 5 6判别标准的争论主要集中在哪几个方面 争论的最终结论可以总结为哪几点 2 简述对酸性成分有重要影响的几种物质在酸雨形成过程中的作用 3 解释云内清除 云下清除4 简述酸雨的形成必须具备的几个条件 5 简述酸雨的化学组成和关键性离子组分都有哪些 我国酸雨区关键性离子组分有哪些特点 6 解释大气颗粒物的粒度三模态 即艾根核模 积聚模和粗粒模以及各种模上吸附污染物的主要种类 7 简述微粒三种最重要的表面性质 8 解释总悬浮颗粒物 飘尘 降尘 思考题 1 1 为什么CFCs比如CFC 11 CFC 12等目前能够成为十分有效的温室气体 2 除了H2O和CO2 CFCs 再列举出两种其他的温室气体 2 每年进入大气中的CH4的量是N2O的25 50倍 然而根据测定大气中甲烷的浓度仅仅为N2O的浓度的6倍 为什么会出现这样的结果 3 已知反应2NO O2 2NO2 NO G 86 7kJ NO2 G 51 8kJ 计算25摄氏度标准状态下反应平衡是大气中 NO2 NO 4 反应CH4 HO CH3 H2O的反应常数K 6 3 10 15mol 1cm3s 1 如果大气中甲烷的体积含量为1745ppb HO 1 8 0 105molcm 3 HO 2 3 0 1019molcm 3 分别计算这两种情况下的甲烷消失速率 5 假定污染大气中悬浮颗粒的浓度是170ug m3 颗粒物上含有可以吸收的S和HC分别占14 和9 质量比 每人平均每日吸入空气8500L 其中吸入的空气中直径小于1um的颗粒有50 留在肺里 假定悬浮颗粒物中包含直径小于1um的颗粒比例占75 求每人每年分别吸收多少S和HC留在肺里 6 解释名词 温室效应 如何理解温室效应的正反两方面的作用 7 简述温室效应的负面危害 8 简述O3的生成与损耗的动态平衡化学机制以及O3层破坏的催化反应机理 9 论述极地O3空洞出现的全球大气动力学和气候学机制 此课件下载可自行编辑修改 供参考 感谢您的支持 我们努力做得更好