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污染物的成因分类及存在状态

发布时间:2014-07-16 00:00 作者:北纳创联
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一、污染物的成因分类

空气中污染物的种类多达几千种,已发现有危害作用的有100多种。我国《大气污染物综合排放标准(GB 16297—1996)》规定了33种污染物的排放限值。根据空气污染物的形成过程,可将其分为一次污染物和二次污染物。

一次污染物是直接从各种污染源排放到空气中的有害物质。常见的主要有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、颗粒性物质等。颗粒性物质中包含了有毒重金属、多种有机和无机化合物等。

二次污染物是一次污染物在空气中相互作用,或者它们与空气中的正常组分发生化学反应所产生的新污染物。这些新生成的污染物与一次污染物的化学性质和物理性质完全不同,多以气溶胶的形式存在,具有粒度小、毒性一般比一次污染物大等特点。常见的二次污染物有硫酸盐、硝酸盐、臭氧、醛类、过氧乙酰硝酸酯等。

二、污染物的存在状态

空气中污染物的存在状态是由其自身的理化性质及形成过程决定的,气象条件也起一定作用。一般将它们分为气体状态污染物和粒子状态污染物两大类。

(一)气体状态污染物

气体状态污染物是以分子状态存在的污染物,简称气态污染物。某些物质如二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、氯化氢、氯气、臭氧等沸点都很低,在常温常压条件下以气体分子形式分散在空气中。有些物质如二氯甲烷、甲醇、苯酚等,虽然在常温常压下是液体或固体,但因其挥发性强,能以蒸气状态进入空气中。气态污染物的种类很多,总体上可以分为五大类:以二氧化硫为主的含硫化合物、以氧化氮和二氧化氮为主的(4)黑烟(smoke):黑烟一般是指由燃料燃烧产生的可见气溶胶。(5)雾(fog):雾是气体中液滴悬浮体的总称。在气象学中指造成能见度小于1 km的小水滴悬浮体。在工程中,雾一般泛指小液体粒子悬浮体,它可能是由于蒸汽的凝结、液体的雾化及化学反应等过程形成的,如水雾、酸雾、碱雾和油雾等。含氮化合物、碳氧化合物、有机化合物及卤素化合物等,如表2—3所示。

1.硫氧化物

硫通常有4种氧化物,即二氧化硫(S02)、三氧化硫(S03)、三氧化二硫(S2O3)、一氧化硫(S0)。此外还有两种过氧化物:七氧化二硫(S207)和四氧化硫(S04)。在大气中比较重要的是S02和SO3,其混合物用SOx表示。硫氧化物是全球硫循环中的重要化学物质,它与水滴、粉尘并存于大气中。由于颗粒物(包括液态与固态)中铁、锰等起催化氧化作用而形成硫酸雾,严重时会发生煤烟型烟雾事件,如伦敦烟雾事件,或造成酸性降雨。SOx是大气污染、环境酸化的一类主要污染物。化石燃料的燃烧和工业排放废气物中均含有大量SOx。目前采用燃料脱硫、排烟脱硫等技术来降低或消除硫氧化物(主要是S02)的排放。也有用高烟囱扩散的方法,使排放源附近的SOx浓度降低,但这会污染远离污染源的地区,故只是权宜之计。

2.氮氧化物

氮和氧的化合物有N20、N0、NO2、N2O3、N204和N205,可以用NOx表示。其中污染大气的主要是N0、NO2氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。汽车尾气中的氮氧化物与碳氢化合物经紫外线照射后发生反应形成的有毒烟雾,称为光化学烟雾。光化学烟雾具有特殊气味,刺激眼睛,伤害植物,并能使大气能见度降低。另外,氮氧化物与空气中的水反应生成的硝酸和亚硝酸是酸雨的成分。

大气中的氮氧化物主要源于化石燃料的燃烧和植物体的焚烧,以及农田土壤和动物排泄物中含氮化合物的转化。

工业中主要利用氨气与氮氧化物发生化学反应,以中和氮氧化物。氨气与氮氧化物发生反应后生成氮气与水,从而达到无污染排放的目的。现在主要应用到取暖和供电等行业。但在轮船等行业中,还没有比较好的解决办法,这主要是由于氨气制造比较困难,而且携带氨气罐又比较危险的缘故。

3.碳氧化物

CO和CO2各种大气污染物中产量最大的一类污染物,主要来自燃料燃烧和机动车排气。由于大气的扩散稀释作用和氧化作用,CO进入大气后一般不会造成
危害。但在城市冬季采暖季节或在交通繁忙的十字路口,当气象条件不利于排气扩散稀释时,CO浓度有可能达到危害人体健康的水平。

C02是无毒气体,但是自工业革命以来,人类向地球大气环境中排放了大量的CO2气体,使CO2气体浓度逐年升高。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告显示,CO2浓度在2009年达到了387 ppm。由此造成的温室效应致使全球海平面持续上升的速度开始加快,达到每年3.5 mm。IPCC主席拉金德拉·帕乔里(Pachauri R K)表示,“全球大部分的升温是温室气体浓度增加所导致的”,这个推断已经逐渐被证实。CO2及由此衍生出的一系列环境问题已经成为了21世纪初最受关注的环境问题。研究低碳经济和研发有效的CO2捕集和脱除方法,已经成为研究热点。

4.有机化合物

大气中的挥发性有机化合物Vocs一般是C1~C10化合物。它不完全等同于严格意义上的碳氢化合物,因为它们除了含有碳和氢原子外,还常含有氧、氮和硫等原子。甲烷被认为是一种非活性烃,所以人们总以非甲烷烃类(NMHC)的形式来表示大气环境中烃的浓度。Vocs是光化学氧化剂臭氧和过氧乙酰硝酸酯(PAN)的主要贡献者,也是温室效应的贡献者之一,所以必须加强控制。Vocs自机动车和燃料燃烧排气,以及石油炼制和有机化工生产等。

5.光化学烟雾

汽车、工厂等污染源排人大气的碳氢化合物(CH)和氮氧化物(NO。)等一次污染物,在阳光照射下发生化学反应,生成臭氧、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物。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的烟雾污染现象称为光化学烟雾。研究表明,在60。N~60。S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。这种光化学烟雾可随气流飘移数百千米,使远离城市的农作物也受到损害。20世纪40年代之后,随着全球工业和汽车业的迅猛发展,光化学烟雾污染事件在世界各地不断出现,如美国的洛杉矶、日本的东京和大阪、英国伦敦等大城市,以及中国的北京、南宁和兰州等城市,均发生过光化学烟雾污染。

光化学烟雾的成分非常复杂,但对人类、动植物和材料有害的主要是臭氧、PAN、丙烯醛、甲醛等二次污染物。人和动物受到的主要伤害是引起眼睛和黏膜受
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。PAN、甲醛、丙烯醛等产物对人和动物的眼睛、咽喉、鼻子等有刺激作用.其刺激阈约为0.1 ppm。此外,光化学烟雾能促使哮喘病患者哮喘发作,能引起慢性呼吸系统疾病恶化、呼吸障碍、肺部功能受损等。长期吸入氧化剂能降低人体细胞的新陈代谢,加速人的衰老。

日本东京1970年发生光化学烟雾期间,有2万人患了红眼病。研究表明,光化学烟雾中的PAN是一种极强的催泪剂,其催泪作用相当于甲醛的200倍。另一种眼睛强刺激剂是过氧苯酰硝酸酯(PBN),它对眼的刺激作用比PAN大约强100倍。无论是气体分子还是蒸气分子,都具有运动速度较大、扩散快、在空气中分布比较均匀的特点。它们的扩散情况与自身的比重有关.比重大者向下沉降,如汞蒸气等;比重小者向上飘浮,并受气象条件的影响,可随气流扩散到很远的地方。

(二)粒子状态污染物

粒子状态污染物(或颗粒物)是分散在空气中的微小液体和固体颗粒,粒径多在O.01~100 um,是一个复杂的非均匀体系。通常根据颗粒物在重力作用下的沉降特性将其分为降尘和可吸入颗粒物。粒径大于10um的颗粒物能较快地沉降到地面上,称为降尘。粒径小于10 um的颗粒物(PM10)空气中,称为可吸入颗粒物或飘尘(IP)。总悬浮颗粒物(TSP)是粒径小于100um颗粒物的总称。可吸人颗粒物具有胶体性质,故又称气溶胶,它易随呼吸进入人体肺脏。在肺泡内积累,并可进入血液输往全身,对人体健康危害大。

从大气污染控制的角度,按照颗粒物的来源和物理性质,可将其分为以下几个类型:

(1)粉尘(dust):粉尘是指悬浮于气体介质中的小固体颗粒,受重力作用能发生沉降,但在一定时间段内能保持悬浮状态。它通常是由于固体物质的破碎、研磨、分级、输送等机械过程,或土壤、岩石的风化等自然过程形成的。粉尘颗粒的形状往往是不规则的。颗粒粒径一般为1~200弘m。属于粉尘类的大气污染物种类很多,如黏土粉尘、石英粉尘、煤粉、水泥粉尘和各种金属粉尘等。

(2)烟(fume):烟一般是指由冶金生产过程形成的固体颗粒气溶胶。它是由熔融物质挥发后生成的气态物质的冷凝物。在生成过程中总是伴有氧化之类的化学反应。烟颗粒的粒径一般为0.01~1 gm。产生烟是一种较为普遍的现象,如有色金属冶炼过程中产生的氧化铅烟、氧化锌烟和在核燃料后处理厂中的氧化钙烟等。

(3)飞灰(fly ash):飞灰是指随燃料燃烧产生的随烟气排出的分散得较细的灰分。它的化学组成变化很大,与燃料类型、燃烧条件及集灰方式等有关。飞灰主要物相是玻璃体,占50%~80%,所含晶体矿物有莫来石、a一石英、方解石、钙长石、硅酸钙赤铁矿磁铁矿等,以及少量未燃烧的碳。

 (4)黑烟(smoke):黑烟一般是指由燃料燃烧产生的可见气溶胶。
  

 (5)雾(fog):雾是气体中液滴悬浮体的总称。在气象学中指造成能见度小于1 km的小水滴悬浮体。在工程中,雾一般泛指小液体粒子悬浮体,它可能是由于蒸汽的凝结、液体的雾化及化学反应等过程形成的,如水雾、酸雾、碱雾和油雾等。

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