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      淺析我國光化學(xué)煙霧的形成及防治

      2020-03-07 04:59:52宋雨桐
      生物化工 2020年1期
      關(guān)鍵詞:碳?xì)浠衔?/a>光化學(xué)前體

      宋雨桐

      (蘇州科技大學(xué),江蘇蘇州 215009)

      一直以來,環(huán)境問題都是世界各國普遍關(guān)注的焦點(diǎn),大氣污染問題更是其中一個(gè)熱點(diǎn)問題。我國作為世界上最大的發(fā)展中國家,近些年來經(jīng)濟(jì)增長迅速,城市化進(jìn)程不斷加快,所帶來的大氣污染更是不容忽視。20世紀(jì)40年代,美國洛杉磯發(fā)生的讓人聞之色變的光化學(xué)煙霧,如今在我國的一些城市也有出現(xiàn)。光化學(xué)煙霧一旦形成,不僅危害人體健康,損害城市環(huán)境,還會(huì)對(duì)生態(tài)平衡造成巨大的威脅。因此,深入研究光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理并針對(duì)我國具體實(shí)情提出一些具有可行性的防治對(duì)策是非常有必要的。

      1 光化學(xué)煙霧概述

      1.1 光化學(xué)煙霧的概念

      大氣中的氮氧化物(NOX)和非甲烷碳?xì)浠衔铮∟MHC)等大氣一次污染物,在強(qiáng)烈陽光的照射下,會(huì)發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng),從而生成臭氧(O3)、過氧乙酰硝酸酯(PAN)、過氧化氫(H2O2)、醛(RCHO)、高活性自由基、有機(jī)酸和無機(jī)酸(如HNO3)等氧化性很強(qiáng)的二次污染物,這種由參與光化學(xué)反應(yīng)過程的一次污染物和二次污染物的混合物(氣體混合物或氣溶膠)所形成的煙霧污染現(xiàn)象,稱為光化學(xué)煙霧[1]。

      1.2 光化學(xué)煙霧的危害

      1.2.1 對(duì)人體和動(dòng)物健康的危害

      據(jù)對(duì)動(dòng)物的試驗(yàn)研究表明,吸入過量的O3會(huì)對(duì)生命體的局部機(jī)制造成危害,如肺部發(fā)炎等。若吸入濃度過高,會(huì)對(duì)肺部結(jié)構(gòu)功能造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。光化學(xué)煙霧的其他污染物成分,如PAN、醛類等超過一定濃度時(shí),也會(huì)對(duì)生物體的眼部和呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的刺激性。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[2],在美國加利福尼亞州,有3/4的居民由于光化學(xué)煙霧污染而患上紅眼??;在1970年的日本東京,有20 000人因光化學(xué)煙霧患上了紅眼病。

      1.2.2 對(duì)植物的危害

      光化學(xué)煙霧對(duì)農(nóng)作物、樹木及其他植物的影響甚至比對(duì)人體的影響更加嚴(yán)重。臭氧會(huì)削弱植物的光合作用,抑制植物的正常生長,使農(nóng)作物產(chǎn)量減少,質(zhì)量變差。此外,光化學(xué)煙霧還會(huì)降低農(nóng)作物抵抗害蟲的能力,加劇病蟲害的發(fā)展和蔓延,威脅生態(tài)環(huán)境的平衡性。

      1.2.3 對(duì)大氣能見度的影響

      光化學(xué)煙霧能與大氣中的粒狀污染物(如水汽、酸霧、煙塵等)混合,形成氣溶膠,其顆粒大小只有0.3~1.0 μm,不易沉降,且會(huì)影響光的散射,從而導(dǎo)致大氣能見度降低。由此一來,就會(huì)阻礙汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的正常運(yùn)行,可能誘發(fā)交通事故[3]。

      1.2.4 其他危害

      光化學(xué)煙霧中的O3還能和有機(jī)物發(fā)生反應(yīng),加速橡膠制品的龜裂和老化;光化學(xué)煙霧中還含有一定量的硝酸,會(huì)形成酸雨,腐蝕建筑材料、設(shè)備器械和衣物等,加速染料褪色。

      1.3 光化學(xué)煙霧的形成

      1.3.1 形成條件

      由光化學(xué)煙霧的概念可知,光化學(xué)煙霧的形成受污染物排放量、物理過程及化學(xué)過程的影響。因此,光化學(xué)煙霧的形成必須具備以下3個(gè)條件。(1)前體污染物條件:光化學(xué)煙霧的前體污染物主要有大氣中的CO、NMHC和NOX等,當(dāng)這些化合物的濃度達(dá)到一定值時(shí),就有可能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),形成光化學(xué)煙霧。(2)氣象條件:要想促使前體污染物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧,還需具備一定的氣象條件。強(qiáng)度較大的太陽輻射(可加快光化學(xué)反應(yīng)的引發(fā)速率)、較差的大氣擴(kuò)散條件(如風(fēng)速較低,可促進(jìn)前體污染物濃度的積累)以及逆溫現(xiàn)象的存在(溫度影響產(chǎn)生O3的反應(yīng)并決定混合層的高度)均有利于光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生,從而形成光化學(xué)煙霧[4]。(3)地理?xiàng)l件:光化學(xué)煙霧的產(chǎn)生地多為比較封閉的地理環(huán)境(如山谷地形)。原因是該環(huán)境風(fēng)速低,不利于一次污染物及二次污染物的擴(kuò)散和稀釋,易造成大氣中O3等光化學(xué)污染物的積累。

      1.3.2 簡化機(jī)理

      研究表明[5],當(dāng)?shù)趸锖吞細(xì)浠衔镌谧贤饩€下共存時(shí),會(huì)經(jīng)歷以下3個(gè)反應(yīng)過程:(1)NO2光解產(chǎn)生氧原子,從而生成O3;(2)非甲烷碳?xì)浠衔锵?,氧化生成HO·、RO2·等活性自由基;(3)活性自由基引起NO向NO2轉(zhuǎn)化,又提供了生成臭氧的NO2來源,反復(fù)進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng),最后碳?xì)浠衔锖蚇O全部消失,形成PAN、臭氧、醛類等二次污染物。光化學(xué)煙霧的形成過程可見示意圖1。

      圖1 光化學(xué)煙霧的形成過程示意圖

      2 我國光化學(xué)煙霧污染現(xiàn)狀

      20世紀(jì)70年代初,我國的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主,主要的大氣污染物為煤炭燃燒后產(chǎn)生的二氧化硫和煙塵。1974年夏季,甘肅省蘭州市的西固化工園區(qū)內(nèi),發(fā)生了小學(xué)生一進(jìn)教室上課就流淚的奇怪狀況。經(jīng)過一系列的大氣物理和大氣化學(xué)綜合研究,證明為光化學(xué)煙霧。1986年夏季,北京也出現(xiàn)了類似的光化學(xué)煙霧污染現(xiàn)象[6]。

      近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,部分城市的大氣污染由煤煙型向光化學(xué)煙霧型轉(zhuǎn)化,或?yàn)槌尸F(xiàn)二者綜合型的污染特征。我國光化學(xué)煙霧主要集中發(fā)生在機(jī)動(dòng)車保有量較大、石油化工區(qū)密集的大、中城市。我國中、南部地區(qū),特別是沿海城市,也發(fā)生過或面臨光化學(xué)煙霧的威脅,上海、深圳、廣州等城市也頻繁觀測到光化學(xué)煙霧污染的現(xiàn)象。另外,PM2.5也是近些年來大氣環(huán)境污染的熱點(diǎn)問題。光化學(xué)煙霧中的氮氧化物與VOCs能夠增強(qiáng)大氣的氧化性,加強(qiáng)PM2.5在大氣中的“生存能力”[7]。因此,對(duì)于光化學(xué)煙霧形成和防治的研究是非常有必要的。

      3 光化學(xué)煙霧的防治對(duì)策

      3.1 控制污染源,減少碳?xì)浠衔锖偷趸锏呐欧?/h3>

      采取有效的措施來抑制光化學(xué)煙霧的形成,是控制光化學(xué)煙霧污染的根本措施,即控制光化學(xué)污染物前體——碳?xì)浠衔锖偷趸锏呐欧?。此二者的來源主要有交通工具排放、化工企業(yè)排放和取暖設(shè)施排放3個(gè)方面[8]。因此,控制污染源的具體措施也應(yīng)從這3個(gè)方面入手。

      3.1.1 減少汽車尾氣中碳?xì)浠衔锖偷趸锏呐欧帕?/p>

      (1)改善機(jī)動(dòng)車裝置:燃料在機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒時(shí),由于含有C、H、O以外的雜質(zhì),會(huì)使得燃料的燃燒不完全,因此排放的尾氣中含有一定量的CO、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、甲醛等臭氣。為防止這些污染物質(zhì)隨尾氣一同被排放到大氣中,可改善機(jī)動(dòng)車的裝置,如改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作技術(shù)、為汽車安裝尾氣凈化裝置等。(2)改善運(yùn)行工況:隨著我國汽車數(shù)量的逐年增加,城市車流量迅速增長,然而交通基礎(chǔ)設(shè)施和交通管理建設(shè)與之不平衡,導(dǎo)致城市機(jī)動(dòng)車運(yùn)行工況惡化,從而加劇了機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)大氣的污染。因此,可通過改善道路基礎(chǔ)設(shè)施(如拓寬道路、建設(shè)立體交通網(wǎng)等)、優(yōu)先發(fā)展公共交通、結(jié)合高科技手段使交通管理科學(xué)化、提高城市規(guī)劃水平等來改善運(yùn)行工況。

      3.1.2 改進(jìn)能源結(jié)構(gòu)

      推廣燃煤電廠使用煙氣脫N技術(shù)、改變汽油成分或?qū)ふ椅廴靖〉奶娲茉醋鋈剂?,推廣使用天然氣、煤氣、液化石油氣、電能等二次能源以及太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、潮汐能等清潔能源。

      3.1.3 區(qū)域集中供熱

      取締市區(qū)矮小煙囪,設(shè)立大規(guī)模的熱電廠和供熱站,發(fā)展區(qū)域集中供熱供暖。

      3.2 合理使用化學(xué)抑制劑,控制光化學(xué)煙霧的生成

      光化學(xué)煙霧的形成屬于鏈?zhǔn)椒磻?yīng),化學(xué)抑制劑可以通過消除自由基來抑制光化學(xué)煙霧的生成。根據(jù)光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理可知,可使用消除HO·自由基的抑制劑,如苯胺、苯酚、苯甲醛、二苯胺等,來有效控制光化學(xué)煙霧的形成。其中,二乙基羥胺效果最好[9],其作用機(jī)理為:

      3.3 加強(qiáng)監(jiān)測,因地制宜建立區(qū)域管控機(jī)制

      光化學(xué)煙霧中,當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0.08 mg/L時(shí),接近危險(xiǎn)水平;當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0.2 mg/L時(shí),開始對(duì)人體健康有害;當(dāng)臭氧濃度達(dá)到1.0 mg/L時(shí),會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。因此,應(yīng)構(gòu)建因地制宜的光化學(xué)污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),科學(xué)合理地布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位,特別是在機(jī)動(dòng)車保有量較大的城市,更應(yīng)加強(qiáng)O3濃度的長期監(jiān)測,及時(shí)預(yù)警[10]。

      4 結(jié)語

      綜上所述,光化學(xué)煙霧不僅危害人體健康,還會(huì)對(duì)社會(huì)生活、城市環(huán)境帶來一定的不利影響,更會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的平衡造成威脅。其形成需要具備一定的前體污染物條件、氣象因素和地理因素,一般在太陽輻射強(qiáng)度較大、風(fēng)速較低、大氣擴(kuò)散條件較差、存在逆溫現(xiàn)象的地區(qū)容易產(chǎn)生。為了有效地防止光化學(xué)煙霧,可采取控制污染源、使用化學(xué)抑制劑、加強(qiáng)監(jiān)測并構(gòu)建因地制宜的區(qū)域管控機(jī)制等對(duì)策。

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