高一化學酸雨的形成

酸雨第1頁酸雨酸雨形成酸雨分布酸雨危害酸雨與環(huán)境酸雨監(jiān)測酸雨控制第2頁酸雨發(fā)覺近代工業(yè)革命，從蒸氣機開始，鍋爐燒煤,產(chǎn)生蒸汽,推進機器；而后火力電廠星羅齊布,燃煤數(shù)量日益猛增。遺憾地是，煤含雜質硫，約百分之一，在燃燒中將排放酸性氣體SO2；燃燒產(chǎn)生高溫尚能促使助燃空氣發(fā)生部分化學改變，氧氣與氮氣化合，也排放酸性氣體NOx。它們在高空中為雨雪沖刷，溶解，雨成為了酸雨；這些酸性氣體成為雨水中雜質硫酸根、硝酸根和銨離子。1872年英國科學家史密斯分析了倫頓市雨水成份，發(fā)覺它呈酸性，且農村雨水中含碳酸銨，酸性不大；郊區(qū)雨水含硫酸銨，略呈酸性；市區(qū)雨水含硫酸或酸性硫酸鹽,呈酸性。于是史密斯首先在他著作《空氣和降雨：化學氣候學開端》中提出“酸雨”一專有名詞。第3頁未被污染雨雪是中性，pH值近于7；當它為大氣中二氧化碳飽和時，略呈酸性，pH值為5.65。被大氣中存在酸性氣體污染,pH值小于5.65雨叫酸雨；pH值小于5.65雪叫酸雪；在高空或高山(如峨眉山)上彌漫霧,pH值小于5.65時叫酸霧。什么是酸雨?第4頁什么是酸雨區(qū)?某地搜集到酸雨樣品,還不能算是酸雨區(qū),因為一年可有數(shù)十場雨,某場雨可能是酸雨,某場雨可能不是酸雨,所以要看年均值。當前我國定義酸雨區(qū)科學標準尚在討論之中,但普通認為:年均降水pH值高于5.65,酸雨率是0-20%,為非酸雨區(qū);pH值在5.30--5.60之間,酸雨率是10--40%,為輕酸雨區(qū);pH值在5.00--5.30之間,酸雨率是30-60%,為中度酸雨區(qū);pH值在4.70--5.00之間,酸雨率是50-80%,為較重酸雨區(qū);pH值小于4.70,酸雨率是70-100%,為重酸雨區(qū)。這就是所謂五級標準。第5頁空中酸堿物質與

酸雨當代工業(yè)、農業(yè)和交通排放更大量，種類更多污染物(包含酸堿性物質),且與塵埃一起升到高空,經(jīng)過擴散、遷移、轉化而后重力沉降到地面，或經(jīng)雨雪沖刷抵達地面。酸性物質可破壞植被,酸化土壤,酸化水域，造成水生和陸地生態(tài)失衡，加速巖石風化和金屬腐蝕第6頁自然活動和人類活動向大氣排放若干物質形成酸雨；其中有物質是中性,如風吹浪沫漂向空中海鹽,NaCl,KCl等；有物質是酸性，如SOx和NOx及酸性塵埃(火山灰)等；有是堿性，如NH3及來自風掃沙漠和堿性土壤揚起顆粒；有本身并無酸堿性,但在酸堿物質遷移轉化中可起催化作用，如CO和臭氧；降水pH值是它們在雨水沖刷過程中相互作用和彼此中和結果。第7頁酸性物質SOx天然排放酸性物質SOx有四類天然排放源：海洋霧沫,它們會夾帶一些硫酸到空中；土壤中一些機體，如動物死尸和植物敗葉在細菌作用下可分解一些硫化物，繼而轉化為SOx；火山暴發(fā),也將噴出可觀量SOx氣體；雷電和干熱引發(fā)森林火災也是一個天然SOx排放源,因為樹木也含有微量硫。第8頁化石燃料與酸雨酸性物質SOx，NOx排放人工源之一，是煤、石油和天然氣等化石燃料燃燒，不論是煤，或石油，或天然氣都是在地下埋藏多少億年，由古代動植物化石轉化而來,故稱做化石燃料?？茖W家粗略預計，1990年我國化石燃料約消耗近700百萬噸；僅占世界消耗總量12%,人均相比并不驚人；不過我國近幾十年來,化石燃料消耗增加速度,實在太快,1950年至1990年四十年間,增加了30倍。不能不引發(fā)足夠重視。第9頁工業(yè)過程與酸雨酸性物質SOx,NOx排放人工源之二是工業(yè)過程,如金屬冶煉：一些有色金屬礦石是硫化物,銅,鉛,鋅便是如此,將銅,鉛,鋅硫化物礦石還原為金屬過程中將逸出大量SOx氣體,部分回收為硫酸,部分進入大氣。再如化工生產(chǎn)，尤其是硫酸生產(chǎn)和硝酸生產(chǎn)可分別跑冒滴漏可觀量SOx和NOx,因為NO2帶有淡棕黃色，所以,工廠尾氣所排出帶有NOx廢氣象一條“黃龍”,在空中浮蕩，控制和消除“黃龍”被稱做“滅黃龍工程”。再如石油煉制等,也能產(chǎn)生一定量SOx和NOx。它們集中在一些工業(yè)城市中，也比較輕易得到控制。第10頁土法煉硫,煉出了赤地千里80年代早期,云南某地域鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)起步,片面追求利潤,實施土法煉硫,工藝陳舊落后,硫回收率僅達30%。其余硫都燃燒成為SO2,迷漫于大氣之中,加之云南氣候濕潤，有些人曾搜集檢測到每場降雨都是酸雨,pH值可到達3.2-3.8。其后果是生產(chǎn)區(qū)周圍,樹上看不到昆蟲,地下找不到螞蟻,天上望不到飛鳥,1500畝良田寸草不長,一片荒涼災區(qū)景象。1993年采取了一系列治理辦法,問題已得到緩解。第11頁某硫酸廠年產(chǎn)10萬噸硫酸,經(jīng)過廢氣向大氣排放SO23750噸。廠區(qū)兩平方公里范圍被嚴重污染,形成局地酸雨。廠區(qū)降水pH值最低值到達3.63;平均pH值為4.41;為重酸雨區(qū)。硫酸廠周圍酸雨區(qū)第12頁交通運輸與酸雨酸性物質SOx、NOx排放人工源之三是交通運輸,如汽車尾氣。在發(fā)動機內,活塞頻繁打出火花，象天空中閃電,N2變成NOx。不一樣車型,尾氣中NOx濃度有多有少，機械性能較差或使用壽命已較長發(fā)動機尾氣中NOx濃度要高。汽車停在十字路口,不息火等候經(jīng)過時,要比正常行車尾氣中NOx濃度要高。近年來,我國各種汽車數(shù)量猛增,它尾氣對酸雨貢獻正在逐年上升,不能掉以輕心。人們常說車禍猛于虎,因為車禍看得見摸得著,血肉含糊,輕易引發(fā)震動；污染是無形,影響短時間看不出來,輕易被人忽略。第13頁黑雨1994年重慶及其郊區(qū)下了數(shù)場黑雨,色如墨汁,且有強酸性。人們發(fā)生了恐慌，紛紛問詢地域環(huán)境保護部門，欲知其詳。經(jīng)化學分析,黑色物是煤屑，原來在鍋爐內化石燃料未能燃燒充分,析出一些細碳粒，也經(jīng)過煙囪排向高空。酸性物主要是硫酸根,來自煤中燃燒雜質硫。結論是：黑雨就是強酸性雨；也能夠說是酸雨發(fā)展到某種極端情況。第14頁黑雪無獨有偶,1991年我國喜馬拉雅山區(qū),下了數(shù)場“黑雪”。它來自于中東戰(zhàn)爭,伊拉克軍隊從科威特撤退時,放了一把大火,主要油氣井火光沖天,噴出濃濃黑煙,夾雜令人窒息SOx和NOx氣味,直向高空，隨風漂向東方,碰到喜馬拉雅高山,難以跨越,隨雪落下,成為有酸性黑雪。人跡罕至世界屋脊也未能逃出“空中死神”災難。第15頁酸霧其實,酸霧不止高空有,大氣污染嚴重城市臨近地面也有。重慶是我國有名霧都,每年大霧日數(shù)居各大中城市之冠;蒙朧而飄渺霧是重慶久富盛名景觀之一。重慶又是嚴重酸雨污染城市,霧也免不了酸化。80年代,全市酸霧pH平均值為4.39;市區(qū)最低值到達2.98,是經(jīng)典酸霧。霧滴是尺度微細飄浮空中水滴,極易吸附和吸收各種酸性氣體和顆粒物,所以,霧滴所含污染物濃度尤其大,其總離子濃度最高值竟到達9.7克/升,占霧滴重量近1%,較同期雨水含量高出十余倍。經(jīng)醫(yī)務工作者潛心研究,認明此種酸霧對兒童呼吸系統(tǒng)十分有害。因為污染物濃度大,含水少,厚度大,能見度越來越低劣。其次生效應,諸如車禍等,愈加不容忽略。第16頁我國當前酸雨主要責任者——燃煤中雜質硫與石油和天然氣相比,在我國煤消耗量要多得多。普通預計煤消耗量占化石燃料總消耗量90%左右。而煤燃燒排放SOx數(shù)量,除了決定于煤消耗數(shù)量,尚決定于煤含硫量。我國版圖遼闊，煤礦分布十分分散。我國南方產(chǎn)煤含硫量比北方要高,尤其是西南地域,產(chǎn)含硫量高煤中小煤窯如滿天星斗,其含硫量要比東北和華北地域產(chǎn)高叁肆倍，當?shù)鼐用穹Q之為“臭煤”,因為家庭炊飯爐子燒用此煤，能發(fā)出令人窒息惡臭氣味,它就SOx。普通情況是當?shù)叵漠數(shù)禺a(chǎn)煤,以降低運輸過程損失和增加成本,這也加速了我國長江以南酸雨區(qū)域形成。另外，我國產(chǎn)石油和天然氣含硫量普通比煤要低得多。而且它們年消耗量為煤消耗量十分之一左右,所以，燃煤中雜質硫將是我國當前酸雨主要負責者。第17頁空中海鹽粒氯化物排放天然源之一是海風揚起霧沫，霧沫中含有海鹽，海鹽主要成份是氯化物,如氯化鈉,氯化鉀,氯化鎂等第18頁氯化物排放人工源氯化物排放人工源較弱，少數(shù)城市有氯氣和氯化氫制造，逸出酸性氣體HCl和HClO3，但量不大。對廣大地域酸雨形成貢獻也不大。氟污染與酸雨浙江東北部土壤中含有微量氟元素,取土造磚時,在培燒過程中,向大氣排放出一定量氟化物,主要形式是氟化氫,也對局部酸雨有貢獻。該地域濕沉降中,氟離子濃度較其它地域為高,也是證實。浙中盆地義烏市,近幾年來粘土建材企業(yè)(磚瓦廠,墻地磚廠等)發(fā)展迅猛,生產(chǎn)排放大量含氟廢氣。氟化物進入大氣后,形成酸性很強氟化氫,易溶于水。故而其降水中氟化物含量年均值為0.216毫克/升,比浙東舟山,浙南麗水降水氟含量高出倍多。除了增加酸度之外,降水中氟化物毒性大,對植物影響比二氧化硫高出10至100倍。在氟源集中污染區(qū),桑葉不能育蠶,果樹難于結果,糧食蔬菜減產(chǎn)。第19頁沙塵我國北方堿性物質“黃沙”來自東亞沙漠(塔克拉瑪干，古爾班通古特沙漠，騰格里沙漠和黃土高原等)；大風揚起塵暴,通常有三個主要通道萬里過幽燕：1.北方通道：蒙古人民共和國中央沙漠→阿拉善高地→河套平原→鄂爾多斯高原→山西雁北地域→京津地域；2.西北通道：獨聯(lián)體中亞國家→古爾班通古特沙漠→吐魯番→哈密→河西走廊→寧夏平原→陜北高原→晉北高原→京津地域；3.西方通道：新疆塔什拉瑪干沙漠→青海柴達木盆地→河西走廊或→寧夏平原。最終,“黃沙”可達韓國、日本以至夏威夷群島。黃沙含鈣較多，是堿性，會對空氣中酸性物質起中和作用,中國黃河以北不是酸雨地域，部分賴于此，真是揚沙天氣所造成不幸中幸事第20頁沙雨是一個堿性和干雨,在中和北方大氣酸性物質中起主要作用。在中國西北工農業(yè)不發(fā)達干旱地域,如甘肅敦煌,內蒙阿拉善,新疆和田等地都搜集到pH值大于7.0堿雨,這些堿雨是雨水沖刷高空沙粒形成?！吧秤辍钡?1頁堿性物質NH3天然排放源堿性物質NH3主要天然排放源有兩個，其一是有機物分解：野生動物或非人工喂養(yǎng)動物糞便要分解出氨氣,大家都知道氨水是一個肥料，所以鳥糞或其已礦化了鳥糞層常是質量上乘有機肥；其二是森林火災,樹木也含有微量有機含氮化合物。第22頁農牧業(yè)與酸雨堿性物質NH3人工排放源有三個，之一是人與家畜糞便分解，當我們走近農村豬圈或進入不經(jīng)常清掃茅廁，那種使人窒息刺鼻刺眼氣味就是氨氣；之二是化肥合成氨生產(chǎn)，跑冒滴漏；之三是農田氮肥施用，如施用尿素后，土壤微生物將其轉化為銨離子，后者又部分被土壤微生物分解為氨氣、逸出，另外部分被土壤微生物轉化為硝酸鹽。所以，相對城市而言，農村和草場NH3排放為高。第23頁“堿雨”與化肥生產(chǎn)相對于“酸雨”而言,科學家把pH值大于7.0降水叫“堿雨”。八十年代,我國著名化工城市吉林搜集到堿雨。原因是,該市有座合成氨化肥生產(chǎn)聯(lián)合企業(yè),管理不善,有相當量氨氣,跑冒滴漏到大氣中。氨氣被降水沖刷,形成堿雨。它發(fā)生在局地,某個時間段,也未造成顯著災害,比較易于控制。所以,從災害角度而言,堿雨不能與酸雨相比擬。但從科學角度而言,形成道理是一樣,都是降水在高空中沖刷酸堿物質結果第24頁制約酸雨地域分布原因酸雨地域分布為復雜原因所制約。從宏觀來看，中國大陸酸雨分布取決于中國各地酸、堿性物質排放量，促成大氣中酸堿物質轉化物質，如CO和O3當?shù)嘏欧帕?；再加上當?shù)貧庀髼l件,如中國各地年均溫度,中國各地年均雨量,中國各地年均大氣濕度,中國各地年日照時數(shù)和中國各地土壤酸堿性等。一大塊長江以南,包含江蘇，上海,浙江,福建,江西,湖北,湖南,廣東,廣西,海南,貴州,四川,重慶,云南等省市大部分地域；及兩小塊膠東半島和圖門江地域,后二者“酸雨”孤島形成，首先是因為附近有較大城市(青島、長春、吉林),有酸性物質強排放源,另首先它們?yōu)l臨海洋，海洋性潮濕氣候提供了產(chǎn)生酸雨溫床。第25頁SO2是怎樣變成硫酸?人類活動向大氣排放是SO2氣體,即使它溶于雨水也只能成為酸性較弱亞硫酸,然而我們在雨水中測到確實是酸性較強硫酸,SO2是怎樣變成硫酸?這是經(jīng)過三類反應實現(xiàn)。

氣相光氧化反應。在純凈空氣中,SO2難于光氧化。但在污染空氣中,烴類與NOx生成一些有反應能力基團,如OH,HO2,CH3O等,后者在日光照射下,將氧化SO2為SO3,再溶于水成為硫酸。

液相光氧化反應。日光下,大氣中烴類與NOx氣相光氧化生成臭氧和過氧化氫,它們在水滴內表現(xiàn)出很強氧化能力,SO2在水滴內被液相氧化為硫酸。

固相氧化氧化反應。在污染大氣中懸浮著一定量顆粒物,顆粒物可能來自土壤,可能是煙囪排放飛灰,成份相當復雜,但經(jīng)化學分析,普通含有微量過渡金屬鐵,銅化合物,它們恰恰是SO2氧化為SO3多相催化劑,在水滴內,在這些顆粒物表面上實現(xiàn)了SO2向硫酸轉變。第26頁NOx是怎樣轉化為硝酸?NOx是NO和NO2總稱。NO又叫笑氣,人吸了可自動發(fā)笑。當濃度較大時,在空氣中可被氧氣自動氧化為NO2,爾后溶于水成為硝酸。當被空氣稀釋后,速度變慢;當?shù)竭_日常環(huán)境濃度時,如百分之幾毫克/立方米時,NO半衰期可達1000時之久。不過,在污染空氣中,因為存在光氧化活性基團(如臭氧,烴類和一氧化碳等)存在,日光下,環(huán)境濃度級NO轉化為NO2反應可在幾分鐘內完成。第27頁對酸雨貢獻,SOx和NOx哪個孰重?就我國情況而言,首先,總體來看SO2排放量比NOx為大,不過個別南方省市,如廣東,福建等省,SO2排放量比NOx為小;其次,就發(fā)展而言,汽車數(shù)量增加較快,而NOx排放量主要取決于汽車排放,所以,在未來若干年內,NOx排放量可能超出SOx;最終,SO2進入大氣后,經(jīng)過光化學反應,變?yōu)榱蛩岣?這需要一段時間,可能經(jīng)過長距離大氣傳輸;不過NO進入大氣后,很快與氧氣化合,生成NO2,繼而變?yōu)橄跛岣?需要時間較短,遇雨被局地沖刷降落地面。綜合來看,當前SO2對酸雨貢獻為大,未來NOx貢獻可能要超出SO2。第28頁“干沉降”與“濕沉降”不下雨時，大氣中酸性物質可被植被吸附或重力沉降到地面叫干沉降；下雨時，高空雨滴吸收包含酸性物質繼而降下時再沖刷酸性物質降到地面叫濕沉降。第29頁酸湖干濕酸沉降可直接降入湖水內；也可降入河內再流入湖內；也可落到植被上，雨水沖刷形成徑流，注入河湖；也可滲透土壤，進入地下水，流入湖內；最終造成湖泊酸化。有些人預計，在中國南方酸雨地域有近二分之一湖泊，受到不一樣程度酸化污染。當然，不一樣湖泊酸化敏感性還有所不一樣，它取決于影響降水氣象條件，湖泊水文，流域特征和湖區(qū)土壤和基巖情況。重慶南山和縉云山各發(fā)覺一個水塘,其水體pH值為4.7,屬于已酸化了小水體,這是一個警告。幸運地是,到當前為止我國還未發(fā)覺大面積水域酸化現(xiàn)象。酸雨與湖泊第30頁何謂湖泊酸化?天然水體中含有碳酸氫根離子;有水質發(fā)渾,含有一些有機堿;所以它們有中和酸能力。堿度就是酸中和能力。碳酸氫鹽水體中堿性主要來自于含鈣和鎂礦物質風化。所以水體堿度為碳酸氫根離子濃度,加上兩倍碳酸根離子濃度(因為每個碳酸根離子可中和兩個氫離子),再加上氫氧根離子濃度,即:

堿度=[HCO3]+2[CO3]+[OH]-[H]。

當酸性物質進入碳酸氫鹽水體,首先中和氫氧根離子,然后中和碳酸根離子形成碳酸根離子,最終中和碳酸氫根離子形成碳酸,再增加氫離子,水體將顯著酸性提升。所以,水體堿度大,酸中和能力大,其對酸性緩沖能力大,可容納更多額外增加酸。據(jù)堿度定義,湖泊完全失去堿性叫酸化。當某水體接收氫離子量超出其本身中和離子量(通常是碳酸氫鹽),便發(fā)生了酸化。第31頁酸湖是怎樣形成呢?湖底基巖普通為碳酸鹽,不停以碳酸氫鹽形態(tài)慢慢溶入湖水中,故普通湖水為弱堿性或中性。酸雨引入湖中氫離子,首先中和碳酸氫根離子形成弱酸性碳酸,這時湖水pH值下降很慢,有時需要多年時間;一但該過程中和完成,碳酸氫根被耗盡時,再引入新氫離子,pH值就下降很快了,可能一年之內便可酸化。第32頁水體酸化敏感性指標即使當前我國水體,包含湖泊酸化并不嚴重,比如我國重酸雨地域四川和貴州省水體大致pH值在6.5-8.5之間,沒有發(fā)覺大面積已酸化水體,且近期也不會被酸化。要防患于未然。所以首先要著眼于找出那些對酸化敏感水體,先行防范。要評價某水體對酸化敏感性,就要訂出一項水體酸化敏感性指標。

參考國外和前人經(jīng)驗,我國學者提出一個"抗酸化容量"指標來評價天然水體酸化敏感性。經(jīng)過他們研究,我國天然水體pH值普通在6.5-8.5之間。此時,水體中碳酸氫根占碳酸溶解量60-95%,成為水體中主要緩沖原因。首先,假定水體酸化臨界值為pH=6.5,測出水體實際pH值后,

可得pH增加值△pH,即△pH=pH-6.5;既而,測得水體堿度[Alk];最終,由水體碳酸平衡公式,算出水體可承受總酸量△A。

據(jù)此指標,△A<0.5毫克當量/升,是敏感水體;△A=0.5-1.0毫克當量/升,為中等敏感水體;△A>1.0毫克當量/升,為不敏感水體。第33頁魚蝦等能生活在酸湖之中嗎湖水pH值在9.0～6.5之間中性范圍時，對魚類無害；在5.0～6.5之間弱酸性時，魚卵難已孵化，魚苗數(shù)量降低；當湖水pH值低于5.0時，大多數(shù)魚類不能生存。所以，湖泊酸化會引發(fā)魚類死亡。相對于忍耐湖水酸化能力而言，蝦類比魚類更差，在已酸化湖泊中，蝦類要比魚類提前滅絕。

草本食物是一些魚、蝦類生活基礎。湖水酸化，水生生物種群將降低，比如某湖酸化后，綠藻從26種減至5種；金藻由22種減至5種；蘭藻由22種減至10種。俗語說，大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃滋泥，其實滋泥中就含有大量水生生物；魚蝦離開了水草和水生生物，好比鳥獸離開了森林。所以，從生態(tài)食物鏈角度來看，湖泊酸化，也將使魚蝦難以生存。第34頁酸雨是青蛙和鳥類天敵酸雨是青蛙和鳥類天敵，鳥穿過酸霧，酸對角膜有刺激性，而鳥和青蛙對酸又十分敏感，即患紅眼病。第35頁酸雨與農業(yè)土壤酸化酸雨可造成土壤酸化。我國南方土壤原來多呈酸性，再經(jīng)酸雨沖刷，加速了酸化過程；我國北方土壤呈堿性，對酸雨有較強緩沖能力，一時半時酸化不了。土壤中含有大量鋁氫氧化物，土壤酸化后，可加速土壤中含鋁原生和次生礦物風化而釋放大量鋁離子，形成植物可吸收形態(tài)鋁化合物。植物長久和過量吸收鋁，會中毒，甚至死亡。酸雨尚能加速土壤礦物質營養(yǎng)元素流失；改變土壤結構，造成土壤貧脊化，影響植物正常發(fā)育；酸雨還能誘發(fā)植物病蟲害，使作物減產(chǎn)。第36頁酸化土壤肥力減退、農業(yè)減產(chǎn)酸雨可使土壤微生物種群改變，細菌個體生長變小，生長繁殖速度降低，如分解有機質及其蛋白質主要微生物類群牙孢桿菌，極毛桿菌和相關真菌數(shù)量降低，影響營養(yǎng)元