光化学烟雾(2)

2019-08-26 17:50

容易产生光化学烟雾。

经过研究表明,在60。N(北纬)~60。s(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3~4 h后达到最大值[5]。 3.2光化学烟雾产生的污染物

3.2.1参与光化学烟雾形成过程的物质

表一 参与光化学烟雾形成过程的物质

3.2.2光化学烟雾中主要污染物的典型浓度

表二 光化学烟雾中主要污染物的典型浓度

污染物 浓度[×10-4(V/V)] 污染物 浓度[×10-4(V/V)] CO 200~2000 总烃(不包括CH4) 20~50 NO 1~15 烯烃 2~6 NO2 5~20 芳香烃 10~30 O3 2~20 醛 5~25 过氧乙酰硝酸酯 1~4 3.2.3在大气中变化规律

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CH和一氧化氮的最大值出现在早晨交通繁忙时刻,随着NO浓度的下降,NO2浓度增大,O3和醛类等二次污染物随着阳光增强和NO2、HC浓度降低而积聚起来。它们的峰值一般要比NO峰值的出现要晚4~5小时。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。二次污染物PAN浓度随时间的变化与臭氧和醛类相似。城市和城郊的光化学氧化剂浓度通常高于乡村,但2005年后发现许多乡村地区光化学氧化剂的浓度增高,有时甚至超过城市。这是因为光化学氧化剂的生成不仅包括光化学氧化过程,而且还包括一次污染物的扩散输送过程,是两个过程的结果[6]。

因此光化学氧化剂的污染不只是城市的问题,而且是区域性的污染问题。短距离运输可造成臭氧的最大浓度出现在污染源的下风向,

中尺度运输可使臭氧扩散到上百公里的下风向,如果同大气高压系统相结合可传输几百公里。 3.3光化学烟雾反应机理 3.3.1光化学烟雾反应传统机理

20世纪40年代,在美国加利福尼亚州洛杉矶首先发现了光化学烟雾。1951年A.J.哈根最先指出臭氧是氮氧化物、碳氢化合物和空气的混合物通过光化学反应生成的。以后F. W. 温特发现臭氧与不饱和烃(如汽车废气中的烃类)的化学反应产物跟洛杉矶烟雾有相同的伤害效应。形成臭氧的活性有机物和氮氧化物的主要来源是汽车排放的尾气。

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:空气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物以及铅尘、炭黑等物质,在阳光的照射下温度增高,受阳光中紫外线的作用,污染物发生化学反应,从而生成了过氧酰基硝酸酯系统物质,即光化学烟雾[7]。主要反应如下: (1) 污染空气中NO2光解出原子0,再生成03是光化学烟雾形成的起始反应:

NO2+hν→N0+ O· O·+02+M→O3+M O3 +N0→ O2+ NO2

(2)碳氢化合物氧化成活性自由基是转化和增殖的根本原因:

RH+O·→R· +HO· RH+HO·→R· +H2O H·+02→HO2· R·+02→R02· RCO·+02→RC(O)OO·

通过如上途径生成的HO2·,R02·,RC(O)OO·均可将NO氧化成NO2。

(3)醛、酮进一步氧化生成过氧酰基硝酸酯系列:

RC(O)OO·+NO2→NO2+R0→RC(O)O2NO2

RC(O)O2NO2→ RC(O)OO·+NO2

过氧酰基硝酸酯系列是光化学烟雾产生危害的主要成分,它通常包括PAN(过氧乙酰硝酸酯)、PPN(过氧丙酰硝酸酯)、PBN(过氧丁酰硝酸酯)、PB2N(过氧苯甲酰硝酸酯)等,其中PAN发现得最早,是其代表物。

图一 光化学烟雾的成因及危害示意图

有资料表明,当CO从10×10 kg/m3 或更大浓度存在时,能加速NO氧化为NO2的过程,促使光化学烟雾的生成,反应进行方式如下:

HO·+CO→CO2+H· H·+02+M·→HO2·+M HO2·+NO→NO2+·OH

即CO与大气中的羟基自由基反应,增加了产生光化学烟 雾的初始污染物的水平,间接地促成光化学烟雾的形成。然而 大气环境中CO 的浓度一般仅为5×10~~3×10 kg/m ,所以 CO对光化学烟雾生成的影响不是很大。

3.3.2光化学烟雾反应新机理

一氧化氮向二氧化氮的转化已经证实的发生是由 NO的光分解开始的。污染源排出的氮氧化物绝大部分为NO,它在大气中向NO转化的速度很快,不能用普通的氧化反应来解释。通过研究认识到,是大气中存在的羟基(―OH)与HC、CO、SO等发生链式反应,加速了NO向NO的转化。NO吸收太阳光的紫外辐射后,发生下列光化学反应: NO+h(≤3 979)→NO+O(p) NO+h(>4 050)→NO

所生成的三重态氧原子O(p)与周围空气中的 O反应生成O(臭氧),生成的O和O(p)等再与大气的HC,特别是其中的烯烃发生化学反应,生成醛,有机酸,过氧乙酰硝酸酯,过氧丙酰硝酸酯,过氧苯甲酰硝酸酯,以及自由基,自由氧原子等中间产物。其中典型反应是CH-NOx

混合物在空气中受紫外光照射发生的化学反应。


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