酸雨形成及危害的模拟实验文档格式.docx
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一、大气的结构
地球的最外层被一层约5×
1015吨的混合气体包围着。
由于受地心引力的作用，大气在垂直方向的分布极不均匀，大气的质量主要集中在下部，50％的质量集中在离地面5km以下，75％集中在10km以下，90％集中在30km以下的范围内。
距离地面1000~1400km的高空，气体已非常稀薄。
根据大气垂直方向分布的特点，在结构上可将大气圈分为5层（见图3-1）。
（1）对流层
对流层是大气的最低层，其平均厚度约12km，集中了大气中80%的空气和几乎所有的水蒸汽。
对流层内具有强烈的对流作用，云、雾、雨、雪等主要天气现象均出现在此层，其对人类的生产生活影响最大，也是大气污染的主要研究对象。
（2）平流层
对流层顶到50km的大气层为平流层。
（3）中间层
平流层顶至约80km高度范围内的大气称为中间层。
（4）暖层
从80km到约500km的高空称为暖层。
（5）逸散层
暖层之上的大气统称为逸散层。
图3-1大气圈的结构
二、大气的组成
大气是由多种气体混合组成的，按其成分可概括为三部分：
干结空气、水汽、悬浮颗粒。
1、干结空气
干结空气即干燥清洁的空气，平均分子量是28.966，在标准状态下（273.15K，1atm）密度是1.293kg/m3。
干结空气的常定成分是氮、氧、氩、氖、氦、氪等，其中氮、氧、氩在空气中的总体积约占99.96%。
此外还有少量其它可变成分，如二氧化碳、甲烷、氮化物、硫氧化物及臭氧等，它们在大气中的含量随时间和地面的变化而变化。
2、水汽
大气中的水汽含量随时间、地点、气象条件等不同而有较大变化，在正常状态下其变化范围为0.02%~6%。
大气中的水汽含量虽然很少，但却导致了各种复杂的天气现象，如云、雾、雨、雪、霜、露等；
同时，水汽又具有很强的吸收长波辐射的能力，对地面起保温作用。
3、悬浮颗粒
大气中的悬浮微粒，除水汽凝结物如云、雾滴、冰晶等，主要是大气尘埃和悬浮在大气中的其他杂质，它在大气中的含量、种类和化学组成随时间和地点变化。
第二节?
大气污染及大气污染物
一、大气污染
大气污染是指由于自然过程或人类活动使大气中一些物质的含量达到有害的程度，以至对人类健康生存和生态环境造成危害的现象，大气污染物则是由人为或天然来源进入大气环境。
大气污染的形成过程由三个环节组成，如图3-2所示，缺少任何一个环节就不构不成大气污染。
大气污染物进入大气环境后即参与循环过程，即经过一定的滞留时间，又通过大气中的化学反应、生物活动、物理沉降等从大气中去除。
当大气中污染物的输入和输出速度相等时，大气中该污染物可保持平衡，但如果大气污染物的输出速率小于污染物的输入速率时，污染物就要在大气中积累，这样就造成了大气中某种物质浓度的升高，当达到危害人类和动植物、材料时，就发生了大气污染现象。
?
图3-2大气污染形成过程
二、大气污染源
根据大气污染物产生的分类，可将大气污染源分为工业污染源、民用污染源、交通污染源和农业污染源。
1.工业污染源
各类工矿企业称为工业污染源，如火力发电厂、钢铁厂、化工厂及水泥厂等。
2.民用污染源
人们由于烧饭、取暖、沫浴等生活需要，燃烧燃料向大气排放煤烟等造成大气污染。
由于这类污染源具有面积广而分散、排放高度低、排放量大等特点，是造成大气污染不可忽视的污染源。
3.交通污染源
也称流动污染源，是指由汽车、飞机、火车、船舶等交通工具排放尾气所产生的污染源。
4．农业污染源
农药及化肥的使用，对提高农业产量起着重大的作用，但也给环境带来了不利影响，致使施用农药和化肥的农业活动成为大气的重要污染源。
三、主要大气污染物
大气污染物种类众多，其分类方式也多种，比较常用的有两种，一是根据污染物的来源，可分类一次污染物及二次污染物。
一次污染物：
直接从各种排放源进入大气的污染物质，如颗粒物、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物等。
二次污染物：
由一次污染物在大气中相互作用，或与大气中的正常组分发生化学反应或光化学反应，而形成的与一次污染物物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性较一次污染物还强。
最常见的二次污染物有硫酸烟雾及光化学烟雾。
根据大气污染物存在的状态，可将其分为颗粒污染物及气态污染物两类。
1.颗粒污染物
颗粒物是指包含在大气中的分散的液态或固态物质，按粒径大小分为总悬浮颗粒物（TSP）、降尘、飘尘、可吸入颗粒物（IP）等。
（1）总悬浮颗粒物（TSP）
是指能悬浮在空气中，粒径在100微米以下的颗粒物，记作TSP,是大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。
（2）降尘
是指在空气环境条件下，短时间内能靠重力而自然沉降的颗粒物，它的粒径在30微米或以上。
其测定方法是空气中可沉降的颗粒物，沉降在集尘缸内，以此计算降尘浓度。
（3）可吸入颗粒物（IP）
可吸入颗粒物是指悬浮在空气中，粒径小于10微米能进入人体呼吸系统的颗粒物，记作PM10，简写IP。
2.气态污染物
大气中的气态污染物是以分子状态存在的，其种类很多，其中既有由污染源直接排入大气的一次污染物，也有由一次污染物经化学反应或光化学反应生成的二次污染物。
常见的有五大类，即含硫化合物、含氮化合物、碳氧化物、碳氢化合物及卤族化合物。
（1）含硫化合物
主要指二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）、硫化氢（H2S）等，其中又以二氧化硫含量大，危害大，也严重影响大气质量。
二氧化硫无色，有刺激性气味，本身毒性不大，但其在大气中很容易被氧化生成三氧化硫，再与水分子结合形成硫酸或硫酸盐，硫酸和硫酸盐可形成硫酸烟雾和酸性降水，造成较大的危害。
全世界每年排入大气中的二氧化硫约1.5亿吨，主要来自煤及石油等燃烧。
（2）含氮化合物
其种类很多，包括NO、N2O、NO2、N2O3、N2O4等。
造成大气污染的含氮化合物主要有NO、NO2以及由它们生成的二次污染物。
NO是无色气体，毒性不大，但在进入大气后，会被氧化成NO2这样一种红棕色的恶臭刺激性的气体，毒性也因此大大增强。
此外，NO2也会参加大气中的光化学反应，形成光化学烟雾，毒性更大。
大气中的含氮氧化物（NOX）主要是由人为污染源产生的，每年约500万吨，如燃料的燃烧、汽车尾气、硝酸工业、氮肥厂、有色及黑色金属的生产过程等。
（3）碳氧化物
主要指的是CO及CO2。
CO是一种无色无味无刺激性的气体，在吸入人体后，能与血红蛋白结合，损害输氧能力，使机体缺氧，严重时甚至导致人窒息死亡。
CO主要来自燃料的不完全燃烧和汽车尾气。
在CO排入大气后，由于大气的扩散稀释作用及氧化作用，一般不会造成危害，但如在交通繁忙地区，不利于尾气扩散时，局部地区大气中CO的浓度可能达到危害环境的水平。
CO2是无毒气体，但在局部区域的空气中浓度过高时，会导致氧含量相对减少而对人体产生不良反应；
此外，由于地球上CO2排放量逐年增加，产生“温室效应”，导致全球气候变暖，已引起各国的关注。
（4）碳氢化合物
指的是由碳、氢两种元素组成的各种有机物的总称。
大气受到碳氢化合物的污染，能使人的眼睛、鼻子及呼吸道受刺激，并可能影响生理功能，其更大危害还在于与氮氧化物共同引起光化学烟雾，危害性也因此增强。
大气中的碳氢化合物主要来自煤和石油的燃烧，以及汽车尾气等。
（5）卤族化合物
主要指卤代烃及卤化物等。
随着人们生活质量的提高，大量生产使用氟氯烃化合物作为制冷剂、灭火剂或发泡剂，如CFCl3（氟利昂11）、CF2Cl2（氟利昂12）等。
这类物质在低层大气中一般比较稳定，但一到高空中就会分解，产生氯原子而与加速臭氧中的臭氧分解，导致“臭氧空洞”。
四、区域性和全球性的大气污染
大气环境污染问题由来已久，但大规模、高速度的恶化趋势，只是近一个世纪以来、特别是二战后出现的现象。
1980年代以来，区域性和全球性大气环境污染问题更为突出，给人类的生存和发展带来了更加严重的威胁和挑战，因而引起各国政府和全人类的高度重视。
在区域性和全球性大气污染问题中，以酸雨、臭氧层破坏及温室效应等三大问题最为引人关注。
1.酸雨
所谓酸雨是指pH值小于5.6的降水，但广义的酸雨（也称酸沉降）包括干沉降及湿沉降。
干沉降包括各种酸性气体、酸性气溶胶和酸性颗粒，如SO2、NO2、SO42-、HF、HCl、NO3-等等；
湿沉降即通常所说的酸雨，包括酸性雨、酸性雾、酸性雪等。
2．臭氧层破坏
臭氧（O3）是一种具有刺激性气味的气体，其在大气中含量很少，却对人类健康和气候带来很大影响。
大气中约90%的臭氧集中在距离地面15～50km之间的大气平流层，尤其在15～30km处为臭氧浓度最高之区域，称为臭氧层。
尽管臭氧层中的臭氧浓度也不高（约5×
1013个分子/cm3），但臭氧层在保护生态环境方面作用十分重要。
一方面其吸收太阳紫外辐射变为热能而增温，使其它生命得以维持，尤为重要的是其吸收太阳光中的大部分紫外线（尤其对人体健康有害的UV-B段紫外线），屏蔽地球表面生物，所以被誉为“生命之伞”。
3．温室效应
地球大气有类似玻璃温室的效应，而其作用的加剧则是当今全球变暖的主导因素。
大气当中的众多微量气体，如二氧化碳、臭氧、甲烷、氧化亚氮等，可以让太阳短波辐射通过，使地球表面温度升高，同时吸收地面发出的长波辐射。
当此类气体在大气中含量增加时，就会导致大气吸收热量多而散失少，使地球气温升高，形成大气的“温室效应”，能强烈吸收地面辐射产生温室效应的此类气体称为温室气体。
温室气体在人类出现之前已经存在，而国际社会讨论的全球变暖问题，是指由于人类活动造成的温室气体增加，导致温室效应增强而带来的气候变化。
通过对过去100年地面大气平均温度的观测和研究，发现其虽在不断变化，但总的趋势是上升的，平均上升0.3～0.7℃。
联合国环境署将“警惕全球变暖”定为1989年的“世界环境日”主题，普遍认为由于人类活动引起的二氧化碳气体在大气中浓度的上升是造成全球气候变暖的主要原因。
五、大气污染的危害
空气是地球上一切生命物质赖以生存的基本条件，人类能够生存也依赖于空气，如一个成年男子，平均每天消耗1.5kg食物，2.0～2.5kg水和15kg空气。
没有空气人类无法生存，植物无法进行光合作用。
清洁大气被污染后，性质会发生改变，产生有损于人类健康、影响动植物生长及损坏器物等现象。
1．大气污染与人体健康
大气污染物侵入人体的主要途径有直接呼吸道吸入，附于食物或溶解于水，随饮食或饮水侵入，或接触和刺激皮肤侵入。
人每天吸入空气量极大，肺泡面积达50-70m2，且布满毛细血管，在与外界进行气体交换，浓缩作用强，从呼吸道侵入是主要途径，也危害最大。
人的呼吸道富含水分，对有些物质的粘附、溶解、吸收能力大，感受性强，因此，大气污染对人体的影响，先在感觉上，随后生理出现可逆性反应，进一步则可能出现急性危害症状。
大气被污染后，由于其来源、性质、浓度、持续时间不同，污染地区的气象、地理因素差别，甚至人的年龄、健康状况不同，产生的危害也是不同的。
对人的危害大致可分为急性中毒、慢性中毒和致癌作用。
2．大气污染对植物的影响和危害
短时期内，高浓度污染物对植物造成的危害有伤斑、叶片逐渐枯萎脱落直至死亡。
长时间内，低浓度的污染物造成植物叶片褪绿，影响生长发育（如矮小、变细、脆弱等），或外表生长发育正常，但生理机能受到影响，产量因此下降。
如二氧化硫使植物叶片形成褪色斑点，破坏叶绿素，组织脱水坏死、枯萎，植物光合作用强时（白天中午），易出现受害症状。
3．大气污染对器物的危害
大气污染对暴露在大气中的建筑物、金属制品、名胜古迹、铁路桥梁、橡胶制品、纺织品、皮革、纸张等物品的损害是很严重的，对物品影响严重的污染物有SO2、H2S、O3和附有刺激性、腐蚀性物质的颗粒物等。
4.大气污染对全球的影响
全球大气环境问题突出表现在酸雨、温室效应及臭氧层破坏这三方面。
近些年来，人们普遍感觉气候异常，这与大气污染对气候的影响密不可分。
第三节?
影响大气污染的气象因素
一个典型的大城市每天向大气中排放几千吨空气污染物，如果没有风、降水等气象因素而引起的大气的自净和扩散作用，该地区局部空气会很快因污染而对人类及动植物造成致命伤害。
世界上一些著名大气污染事件都是在特定气象条件下发生的，实践证明，风向、风速、大气的稳定度、降水情况和雾，是影响大气污染的重要气象因素。
一、风的影响
风是大气的水平运动，它对一个地区的大气污染或大气环境质量的影响是显而易见的，包括风向和风速两个要素。
风向决定污染物扩散的方向，而风速则决定污染物扩散和稀释的快慢和程度。
二、大气的稳定度
大气稳定度反映的是大气在垂直方向上的运动状况。
当一团空气在大气中上升时，它受到周围大气的压力逐渐减小，它的体积随之发生膨胀。
根据热力学原理，气体膨胀会降低它的温度。
对于干燥空气来说，如果没有外界热量输入的话，它每上升100米温度就会下降约1℃，而不论其所处的高度是多少。
由于空气的热传导作用很弱，当空气团上升时实际发生的膨胀过程近似于绝热膨胀，但是，大气温度随高度的变化率常常不是大于就是小于1℃/100m。
当大气的有效垂直降温率大于1℃/100m时，大气是不稳定的，反之，大气是稳定的，特别是当出现逆温天气，即气温随高度的增加反而上升时，大气异常稳定。
大气越不稳定，污染物的扩散速率就越快；
反之，则越慢。
三、降水和雾的影响
各种形式的降水，尤其是降雨，能有效吸收、淋洗空气中的各种污染物。
所以，大雨过后的空气格外清新。
而雾象一顶盖子，导致大气污染加剧。
第四节?
大气污染的综合防治
一、综合防治的原则
1．全面规划、合理布局
大气环境质量受各种各样的自然因素和社会因素影响，必须进行全面环境规划并采取综合防治措施，才能获得长期效益。
2．加强环境管理
环境管理是运用行政、法律、经济、教育和科技等手段，把社会经济建设和环境保护结合起来。
3．提高燃料质量、改进能源结构及供热方式
我国是以煤为主的能源结构，能耗大、浪费多、污染严重，必须改革能源结构并大力节能，这也是一项根本性的控制和防治大气污染的方法。
4．控制流动源污染
随着经济的持续高速发展，我国城市汽车持有量急剧增加，因而对城市区域的大气污染日益明显。
综合治理和加强监测汽车尾气、普及无铅汽油、开发环保汽车等，尤其是对城市区域大气环境保护的重要措施。
5．绿化造林
绿化造林不仅可以美化环境、调节大气温度和湿度、保持水土等，而且在净化大气环境及降低噪音方面也有显著成效，因而是大气污染防治的有效措施。
二、主要污染物控制技术
（一）烟尘控制技术
减少该类污染物的排放方法一为改变燃料的构成，以减少颗粒物的生成，二为在粉尘排放到大气之前，采用控制设备将其去除。
而从废气当中去除粉尘的设备，称为除尘（集尘）装置，或叫除尘（集尘）器。
除尘装置种类繁多。
根据除尘主要机理，除尘装置可分为机械除尘器、湿式除尘器、袋式除尘器及静电除尘器四类；
根据在除尘过程是否使用水或其它液体，可分为湿式除尘器和干式除尘器两类；
根据除尘过程中的粒子分离原理，又可分为重力除尘器、惯心力除尘器、离心力除尘器、洗涤式除尘器、过滤式除尘器、电除尘器等。
（二）二氧化硫净化与脱硝技术
1．二氧化硫净化
消除或降低二氧化硫对大气环境的危害主要有两种方法，即燃料脱硫和烟气脱硫。
从燃料中脱硫目前尚未取得重大进展，还没有很好的办法，这里主要介绍烟气脱硫技术。
从排烟中去除SO2的技术简称“烟气脱硫”。
由于烟气脱硫具有量大、烟温低、二氧化硫浓度低等特点，给脱硫技术带来很大困难，常用的烟气脱硫方法可分为湿法和干法两类。
①湿法脱硫
湿法脱硫是把烟气中的SO2（或包括SO3）转化为液体或固体化合物，从而实现从烟气中分离出来。
根据使用的吸收剂的不同，湿法脱硫有氨法、钠法、钙法等。
氨法即用氨水吸收烟气中的SO2：
NH3·
H2O+SO2→（NH4）2SO3
（NH4）2SO3+SO2→NH4HSO3
其中间产物为亚硫酸铵（NH4）2SO3及亚硫酸氢铵NH4HSO3，处理中间产物，可回收得到硫酸铵或石膏等副产物。
钠法是用氢氧化钠、碳酸钠或亚硫酸钠水溶液作为吸收剂：
NaOH+SO2→Na2SO3
Na2CO3+SO2→Na2SO3+CO2
Na2SO3+SO2→NaHSO3
生成的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠副产物，可经处理得副产物或无害化处理废弃。
钠法脱硫具有吸收速度快的特点，目前应用比较广泛。
钙法脱硫又称石灰-石膏法，是用生石灰（CaO）或消石灰（Ca（OH）2）的乳浊液作吸收剂吸收烟气中的SO2：
CaO+SO2+H2O→CaSO3
CaSO3+O2→CaSO4
吸收过程生成亚硫酸钙，再经空气氧化可得副产物石膏（CaSO4）。
钙法由于吸收剂价廉易得，且回收得到的副产物石膏用途较广泛，因此应用也非常广泛。
②干法脱硫
湿法脱硫后加大烟气湿度，影响烟气的上升高度，从而难以扩散。
干法脱硫正是为克服这一不足，主要有活性碳吸附法及金属氧化物吸收法。
活性碳吸附法是利用活性碳较大的比表面积使烟气中的SO2、SO3与活性碳表面的O2和水蒸汽反应生成硫酸而被吸附；
金属氧化物吸收法则利用如碱金属氧化物及氧化锰等，对SO2、SO3的吸收能力来脱硫。
2.脱硝技术
从工业企业排出的废弃中脱除氮氧化物的方法主要有吸收法和催化还原法两种。
吸收法是利用某些溶液（如碱液及硫酸液）或碱金属及碱土金属的熔融盐作为吸收剂吸收废气中的氮氧化物。
催化还原法则根据使用催化剂的不同可分为非选择性催化还原法及选择性催化还原法。
非选择性催化还原法是利用铂（或钴、镍、铜等金属氧化物）为催化剂，以氢或甲烷等还原性气体作还原剂，将烟气中的氮氧化物还原成N2，从而达到脱除的目的。
而选择性催化还原法则以贵重金属（如铂）为催化剂，以氨、硫化氢或一氧化碳为还原剂，选择适当的温度范围进行从烟气中脱除氮氧化物。
所选择的温度范围依催化剂、还原剂等而定，一般在200～500℃范围内。
（三）汽车尾汽的催化净化
在城市人口密集区，汽车尾汽是造成局部区域大气污染的主要源头之一，如酸雨、光化学烟雾及硫酸烟雾等均与汽车尾汽当中的大量污染物有关。
汽车尾汽的净化技术可分为机内净化和机外净化两种。
所谓机内净化是指减少发动机内有害气体的生成，如提高油料的燃烧效率等。
机外净化是指采用铂、钯等贵金属作为催化反应器，将排气中的污染物，如CO、碳氢化合物及氮氧化物等，转化为CO2和H2O等无害物。
减少汽车尾汽的排放除技术措施外，行政管理也很重要，如淘汰旧车、规定汽车必须安装排汽净化装置、规定汽车用油、鼓励使用蒸汽汽车或电瓶车等清洁交通工具等。
一、光化学烟雾的防治对策
汽车尾气是NOx和碳氢化合物最主要的排放源，改进技术控制汽车尾气是避免光化学烟雾的形成，保证空气环境质量的有效措施。
二、大气污染对气候的影响
（一）大气污染对城市气候的影响
大气污染使得城市气温高于农村，城市的能见度较农村低，云、雾、降雨比农村多。
（二）对全球气候的影响
目前对地表气温上升的真正原因还未证实，提得较多的是“温室效应”。
的确，人类的活动已使得大气中二氧化碳的含量有所升高，因此不得不引起人们的高度重视。
三、大气污染对臭氧层的破坏
（一）平流层中臭氧的形成
O2+hv——2O（3P）
O2+O+M——O3+M
同时臭氧也会因光解而破坏。
O3＋hv——O2+O
此外臭氧也能与O作用：
O3+O——2O2
通常情况下，臭氧的形成和分解达到平衡，臭氧保持一定浓度，约为10ppm，结果在平流层中上部形成臭氧层。
（二）平流层中臭氧层对地球生命的重要
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