化学
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光化学烟雾
  发布者:学科专家   来源:学科网  发布时间:2013-02-02

 

提起光化学烟雾,许多人也许还很陌生。

   汽车尾气含有大量的氮氧化物(NO)和碳氢化合物(HC)等一次污染物,氮氧化物主要是一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)NONO2都是对人体有害的气体。当氮氧化物和碳氢化合物在大气环境中受强烈的太阳紫外线照射后,发生光化学和热化学反应,在这种复杂的光化学反应过程中,产生的以臭氧为主的醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物。我们将参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成新的烟雾污染(气体和颗粒物)现象,叫做光化学烟雾。

    在震惊世界的环境污染八大公害事件中,这类烟雾事件便占了 5 起,受害的人很多,影响的范围也很广。其中最有代表性的是美国洛杉矶光化学烟雾事件。NOx是这种烟雾的主要成分,又因其1946年首次出现在美国洛杉矶,因此又叫洛杉矶型烟雾,以区别于煤烟烟雾(伦敦型烟雾)。
这种洛杉矶型烟雾是由汽车的尾气所引起,而日光在其中起了重要作用:

2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)
NO2(g)→NO(g)+O(g)
O(g)+O2(g)→O3(g)

   NO2光分解成NO和氧原子时,光化学烟雾的循环就开始了。原子氧会和氧分子反应生成臭氧(O3)O3是一种强氧化剂,O3与烃类发生一系列复杂的化学反应,其产物中有烟雾和刺激眼睛的物质,如醛类、酮类等物质。在此过程中,NO2还会形成另一类刺激性强烈的物质如PAN(硝酸过氧化乙酰)。下列化学方程式表示光化学烟雾的主要成分和产物。
 
汽车排气 + 阳光 + O2(g)→O3(g) + NOx(g) + CO2(g)+H2O(g)+ 有机化合物 CONOx,烃 提供能量)  (氧化剂 刺激剂)

    总之,NO,烃的氧化,NO2的分解,O3PAN等生成,是光化学烟雾形成过程的基本化学特征,其反应机理极为复杂,至今还在研究之中。它对大气造成的严重污染不能轻视。O3PAN,醛类对动植物和建筑物伤害很大,对人和动物的伤害主要是刺激眼睛和粘膜,及气管、肺等器官,引起眼红流泪、头痛、气喘咳嗽等症状,严重者也有死亡的危险。O3PAN等还能造成橡胶制品老化、脆裂,使染料褪色并损坏油漆涂料,纺织纤维和塑料制品等等。

    显然,要对石油、氮肥、硝酸等化工厂的排废严加管理,严禁飞机在航行途中排放燃料等,以减少氮氧化物和烃的排放。现在已研制开发成功的催化转化器,就是一种与排气管相连的反应器,它使排放的废气和外界空气通过催化剂处理后,氮的氧化物转化成无毒的N2,烃可转化成CO2H2O

    经过研究表明,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,3 h4 h后达到最大值。这种光化学烟雾可随气流飘移数百公里,使远离城市的农村庄稼也受到损害。

    环保部门经对东京几个主要污染源排放的主要污染物进行调查后发现,汽车排放的CONOxHC三种污染物约占总排放量的80%。使人们进一步认识到,汽车排放的尾气是产生光化学烟雾的罪魁祸首。

    目前,由于我国内地汽车油耗量高,污染控制水平低,已造成汽车污染日益严重。部分大城市交通干道的NOxCO严重超过国家标准,汽车污染已成为主要的空气污染物;一些城市臭氧浓度严重超标,已具有发生光化学烟雾污染的潜在危险。
 

      由此可见,汽车尾气已经对人类生存和城市环境构成了严重威胁。目前,我国汽车油耗高,污染控制水平较低,以致造成汽车污染日益严重。部分大城市交通干道NOXCO严重超过国家标准,汽车污染已成为主要的空气污染物,一些城市汽车排放浓度严重超标,已具有发生光化学烟雾的潜在危险。随着我国汽车拥有量的激增,大城市氮氧化物污染逐渐加重,发生光化学烟雾的可能性越来越大。这就为光化学烟雾的发生和发展,创造了一定的外部条件,进而导致严重的汽车尾气影响环保事件的发生。    至今,我国还设有发生过像美国、日本等国家那样严重的光化学烟雾事件,这是因为烟雾与气候和阳光有关,只要有充足的阳光,干燥的气候,加上汽车尾气的排放和污染,就会具备形成光化学烟雾的外部条件。加大治理汽车尾气污染的力度,避免光化学烟雾事件在我国发生和蔓延。这亦应该成为汽车设计、制造、流通、使用部门引起高度重视的警觉,以保护我国的环境和人类生存条件。

  大气中的烃和NOx等为一污染物,在太阳光中紫外线照射下能发生化学反应,衍生种种二次污染物。由一次污染物和二次污染物的混合物(气体和颗粒物)所形成的烟雾污染现象,称为光化学烟雾。NOx是这种烟雾的主要成分,又因其1946年首次出现在美国洛杉矶,因此又叫洛杉矶型烟雾,以区别于煤烟烟雾(伦敦型烟雾)。

这种洛杉矶型烟雾是由汽车的尾气所引起,而日光在其中起了重要作用:

2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)
NO2(g) NO(g)+O(g)
O(g)+O2(g)→O3(g)

NO2光分解成NO和氧原子时,光化学烟雾的循环就开始了。原子氧会和氧分子反应生成臭氧(O3)O3是一种强氧化剂,O3与烃类发生一系列复杂的化学反应,其产物中有烟雾和刺激眼睛的物质,如醛类、酮类等物质。在此过程中,NO2还会形成另一类刺激性强烈的物质如PAN(硝酸过氧化乙酰)。另外,烃类中一些挥发性小的氧化物会凝结成气溶胶液滴而降低能见度。下列化学方程式表示光化学烟雾的主要成分和产物。
汽车排气 + 阳光 + O2(g)
CO
NOx,烃 提供能量
→O3(g) + NOx(g) + CO2(g)+H2O(g)+
有机化合物


氧化剂 刺激剂

总之,NO,烃的氧化,NO2的分解,O3PAN等生成,是光化学烟雾形成过程的基本化学特征,其反应机理极为复杂,至今还在研究之中。它对大气造成的严重污染不能轻视。O3PAN,醛类对动植物和建筑物伤害很大,对人和动物的伤害主要是刺激眼睛和粘膜,及气管、肺等器官,引起眼红流泪、头痛、气喘咳嗽等症状,严重者也有死亡的危险。O3PAN等还能造成橡胶制品老化、脆裂,使染料褪色并损坏油漆涂料,纺织纤维和塑料制品等等。

    显然,要对石油、氮肥、硝酸等化工厂的排废严加管理,严禁飞机在航行途中排放燃料等,以减少氮氧化物和烃的排放。现在已研制开发成功的催化转化器,就是一种与排气管相连的反应器,它使排放的废气和外界空气通过催化剂处理后,氮的氧化物转化成无毒的N2,烃可转化成CO2H2O

光化学烟雾的危害及防治

    光化学烟雾的特征是外观通常呈蓝色,具有强氧化性,能使橡胶开裂,刺激人们眼睛,伤害植物叶子,并使大气能见度降低。在1943年美国洛杉矶发生的首宗事件曾引起400多人死亡。市民患病或死亡实际上是多种组分综合作用的结果。以O3组分浓度计的烟雾效应如表所示。


   
为防止光化学烟雾发生,首要的措施是控制污染源。如改善汽车发动机工作状态和在排气系统安装催化反应器等。同时,也可以根据光化学烟雾形成机理,使用化学抑制剂,即诸如二乙基羟胺、苯胺、二苯胺、酚等对各种自由基可产生不同程度的抑制作用,从而终止链反应,达到控制烟雾的目的。但在使用前要慎重考虑抑制剂的二次污染问题,并避免其对人体和动植物的毒害作用。

毒性
  光化学烟雾的成分非常复杂,但是对动物、植物和材料有害的是臭氧、PAN和丙烯醛、甲醛等二次污染物。人和动物受到主要伤害是眼睛和粘膜受刺激、头痛、呼吸障碍、慢性呼吸道疾病恶化、儿童肺功能异常等。引发胸疼、恶心、疲乏等症状。
  植物受到臭氧的损害,开始时表皮褪色,呈蜡质状,经过一段时间后色素发生变化,叶片上出现红褐色斑点。PAN使叶子背面呈银灰色或古铜色,影响植物的生长,降低植物对病虫害的抵抗力。
  臭氧、PAN等还能造成橡胶制品的老化、脆裂,使染料褪色,并损害油漆涂料、纺织纤维和塑料制品等。

另外,光化学烟雾还会促成酸雨形成,并使染料、绘画褪色,橡胶制品老化,建筑物和机器受腐蚀等。

 
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