酸雨的成因

酸雨的成因

资料来源:http://151.fosu.edu.cn/suanyu/xiaxu/jy_znd/jiany2.htm 一、污染源

1、硫氧化物的来源。有自然和人为两个来源,自然排放大约占大气中全部二氧化硫的一半。天然排放源有四类: (1)海洋雾沫,它们会夹带一些硫酸到空中;

(2)土壤中某些机体,如动物死尸和植物败叶在细菌作用下可分解某些硫化物,继而转化为SOx;

(3)火山爆发,也将喷出可观量的SOx气体;

(4)雷电和干热引起的森林火灾也是一种天然SOx 排放源,因为树木也含有微量硫。

浙江省衢州市常山县某地地下蕴藏含高硫量的石煤, 开采价值不大, 但原因不明地在地下自燃数年, 通过洞穴和岩缝, 每年逸出大量SOx 。既是自燃, 也归属于天然排放源。

安徽省铜陵市铜山铜矿的矿石为富硫的硫化铜矿石, 其含硫量平均为20% , 最高为41.3% , 世间罕见。高硫矿石遇空气可自燃。即: 2 CuS + 3 O2 = 2 CuO + 2 SO2,,因此在开采过程中, 能自燃, 形成火灾, 并释放出大量热的SOx ,腐蚀性极大, 污染周边环境。

人为排放的硫大部分来自贮存在煤炭、石油、天然气等化石燃料中的硫,在燃烧时以二氧化硫形态释放出来,其他一部分来自金属冶炼和硫酸生产过程。随着化石燃料消费量的不断增长,全世界人为排放的二氧化硫在不断增加(见下图),其排放源主要分布在北半球,产生了全部人为排放的二氧化硫的90%。

图1 世界化石燃料燃烧排放的二氧化硫(1950-1993)

科学家粗略估计,1990年我国化石燃料约消耗近700百万吨;仅占世界消耗总量的12%,人均相比并不惊人;但是我国近几十年来,化石燃料消耗的增加速度,实在太快,1950年至1990年的四十年间,增加了30倍。不能不引起足够重视。

2、氮氧化物的来源。有自然和人为两个来源。酸性物质NOx排放有三大类天然源:

(1)闪电,高空雨云闪电,有很强的能量,能使空气中的氮气和氧气部分化合,生成NO,继而在对流层中被氧化为NO2,NOx即为NO和NO2之和;

(2)土壤硝酸盐分解,既使是未施过肥的土壤也含有微量的硝酸盐,在土壤细菌的帮助下可分解出NO,NO2和N2O等气体; (3)林火、 火山活动也能产生氮氧化物。

人为排放的氮氧化物主要有三方面,一是电站燃烧化石燃料,二是工厂燃

烧化石燃料,三是机动车的排放。

上述产生的氮氧化物占人为排放量的75%,而且集中在北半球人口密集的地区。交通运输排放的NOx污染源主要是尾气。在发动机内,活塞频繁打出火花, N2变成NOx。不同的车型,尾气中NOx 的浓度有多有少,机械性能较差的或使用寿命已较长的发动机尾气中的NOx 浓度要高。汽车停在十字路口,不息火等待通过时,要比正常行车尾气中的NOx浓度要高。近年来,我国各种汽车数量猛增,它的尾气对酸雨的贡献正在逐年上升,不能掉以轻心。人们常说车祸猛于虎,因为车

祸看得见摸得着,血肉模糊,容易引起震动;污染是无形的,影响短时间看不出来,容易被人忽视。

图2:世界化石燃料燃烧排放的氮氧化物(1950-1993)

欧美一些国家是世界上排放二氧化硫和氮氧化物最多的国家(见表1)。

但近10多年来亚太地区经济的迅速增长和能源消费量的迅速增加,使这一地区的各个国家,特别是中国成为一个主要排放大国。

表 1:主要发达国家二氧化硫和氮氧化物排放情况(万吨)

World Resources 1996-1997

二、形成过程

酸雨的形成大体上有以下四个过程:

(1) 水蒸汽冷凝在含有硫酸盐、硝酸盐等的凝结核上; (2) 形成云雾时.SO2、NOX 、CO2 等被水滴吸收;

(3) 气溶胶颗粒物质和水滴在云雾形成过程中互相碰撞、聚凝并与雨滴结合在一起;

(4) 降水时空气中的一次污染物和二次污染物被冲洗进雨。

三、形成机理

四、化学反应过程

酸雨的形成是一种十分复杂的大气化学和大气物理过程。酸雨中含有硫酸和硝酸等酸性物质,其中又以硫酸为主。从污染源排放出来的SO2、NOx是酸雨形成的主要起始物,因为大气中的SO2、NOx经氧化后溶于水形成H2SO4、HNO3 和HNO2,造成了雨水pH值降低,当pH值低于5.60时,便形成了酸雨。酸性污染物转入雨水中形成酸雨的过程为:

SO2+[O]→SO3 SO3+H2O→H2SO4 SO2+H2O→H2SO3 H2SO3+[O]→H2SO4 NO+[O]→NO2 2NO2+ H2O→HNO3+HNO2

式中:[O]——各种氧化剂,如O3、H2O2、HO2、O2等。

SO2主要是燃煤产生,NOx主要是机动车尾气排放,当然,自然因素如火山爆发、森林火灾以及微生物分解有机物的过程中产生的硫化物和氮氧化物也不容忽视。因此,酸雨的形成是人为和自然因素综合作用的结果。 五、相关知识

1、大气中的氨对酸雨形成的影响

大气中的氨在酸雨形成中起着非常重要的作用。许多实验证明,降水pH值决定于H2SO4、HNO3与NH3、碱性尘粒的相互关系。NH3是大气中唯一的常见气态碱,主要来自有机物分解和农田施肥的挥发。NH3易溶于水,与雨水中的H2SO4、HNO3等酸性物质起中和作用,降低了雨水的酸度(即pH值升高)。另外,在大气中,NH3不仅与硫酸气溶胶形成中性的(NH4)2SO4或NH4HSO4,而且与SO2反应而使SO2含量减少,避免了H2SO4的生成,酸雨出现的机会也减少了。总的来说,大气中NH3浓度低且酸性污染物排放量大的地区,酸雨肯定比较严重;相反,大气中NH3含量大的地区,只会少数甚至不出现酸雨。 2、大气颗粒物对酸雨形成的作用 (1)催化作用

大气颗粒物所含的Mn、Fe、Cu、V等过渡金属离子是SO2转化成H2SO4的催化剂,当有上述金属离子存在时,SO2的氧化反应速率会增大,这种催化氧化过程比较复杂,但可以用一个总的反应式表示:

2SO22H2OO22H2SO4

Mn

2

、Fe

3

、Cu

2

、V

5

(2)缓冲作用

大气颗粒物的酸碱性对酸雨具有缓冲作用,国内许多研究工作表明,我国北方城市大气颗粒物浓度高,粒径大,多为碱性,对酸雨缓冲能力较强;而南方城市大气颗粒物浓度相对较低,粒径小,多为酸性,对酸雨缓冲能力较弱,这就是我国南方酸雨多而北方酸雨较少的重要原因之一。 3、气候条件对酸雨形成的影响

一般情况下,温度高、湿度大,酸雨容易形成,这是因为在高温高湿的条件下有利于SO2和NOx转化为H2SO4、HNO3。风速可以影响大气中污染物的浓度。当风速大时,大气层结不稳定,对流运动较强烈,污染物能够迅速扩散,使其浓度降低,酸雨就减弱;相反,风速小时,大气层结比较稳定,容易出现逆温现象,污染物难以扩散,积聚在低层大气中,浓度增高,导致酸雨污染加重。风向的影响则表现在大气污染源地的下风向容易出现酸雨,其上风向酸雨产生的机会大大减少。雷电不仅能使NOx浓度增大,而且能加快SO2和NOx的氧化速度,因此,雷电多发区正是酸雨几率较多的地区。

酸雨的成因

资料来源:http://151.fosu.edu.cn/suanyu/xiaxu/jy_znd/jiany2.htm 一、污染源

1、硫氧化物的来源。有自然和人为两个来源,自然排放大约占大气中全部二氧化硫的一半。天然排放源有四类: (1)海洋雾沫,它们会夹带一些硫酸到空中;

(2)土壤中某些机体,如动物死尸和植物败叶在细菌作用下可分解某些硫化物,继而转化为SOx;

(3)火山爆发,也将喷出可观量的SOx气体;

(4)雷电和干热引起的森林火灾也是一种天然SOx 排放源,因为树木也含有微量硫。

浙江省衢州市常山县某地地下蕴藏含高硫量的石煤, 开采价值不大, 但原因不明地在地下自燃数年, 通过洞穴和岩缝, 每年逸出大量SOx 。既是自燃, 也归属于天然排放源。

安徽省铜陵市铜山铜矿的矿石为富硫的硫化铜矿石, 其含硫量平均为20% , 最高为41.3% , 世间罕见。高硫矿石遇空气可自燃。即: 2 CuS + 3 O2 = 2 CuO + 2 SO2,,因此在开采过程中, 能自燃, 形成火灾, 并释放出大量热的SOx ,腐蚀性极大, 污染周边环境。

人为排放的硫大部分来自贮存在煤炭、石油、天然气等化石燃料中的硫,在燃烧时以二氧化硫形态释放出来,其他一部分来自金属冶炼和硫酸生产过程。随着化石燃料消费量的不断增长,全世界人为排放的二氧化硫在不断增加(见下图),其排放源主要分布在北半球,产生了全部人为排放的二氧化硫的90%。

图1 世界化石燃料燃烧排放的二氧化硫(1950-1993)

科学家粗略估计,1990年我国化石燃料约消耗近700百万吨;仅占世界消耗总量的12%,人均相比并不惊人;但是我国近几十年来,化石燃料消耗的增加速度,实在太快,1950年至1990年的四十年间,增加了30倍。不能不引起足够重视。

2、氮氧化物的来源。有自然和人为两个来源。酸性物质NOx排放有三大类天然源:

(1)闪电,高空雨云闪电,有很强的能量,能使空气中的氮气和氧气部分化合,生成NO,继而在对流层中被氧化为NO2,NOx即为NO和NO2之和;

(2)土壤硝酸盐分解,既使是未施过肥的土壤也含有微量的硝酸盐,在土壤细菌的帮助下可分解出NO,NO2和N2O等气体; (3)林火、 火山活动也能产生氮氧化物。

人为排放的氮氧化物主要有三方面,一是电站燃烧化石燃料,二是工厂燃

烧化石燃料,三是机动车的排放。

上述产生的氮氧化物占人为排放量的75%,而且集中在北半球人口密集的地区。交通运输排放的NOx污染源主要是尾气。在发动机内,活塞频繁打出火花, N2变成NOx。不同的车型,尾气中NOx 的浓度有多有少,机械性能较差的或使用寿命已较长的发动机尾气中的NOx 浓度要高。汽车停在十字路口,不息火等待通过时,要比正常行车尾气中的NOx浓度要高。近年来,我国各种汽车数量猛增,它的尾气对酸雨的贡献正在逐年上升,不能掉以轻心。人们常说车祸猛于虎,因为车

祸看得见摸得着,血肉模糊,容易引起震动;污染是无形的,影响短时间看不出来,容易被人忽视。

图2:世界化石燃料燃烧排放的氮氧化物(1950-1993)

欧美一些国家是世界上排放二氧化硫和氮氧化物最多的国家(见表1)。

但近10多年来亚太地区经济的迅速增长和能源消费量的迅速增加,使这一地区的各个国家,特别是中国成为一个主要排放大国。

表 1:主要发达国家二氧化硫和氮氧化物排放情况(万吨)

World Resources 1996-1997

二、形成过程

酸雨的形成大体上有以下四个过程:

(1) 水蒸汽冷凝在含有硫酸盐、硝酸盐等的凝结核上; (2) 形成云雾时.SO2、NOX 、CO2 等被水滴吸收;

(3) 气溶胶颗粒物质和水滴在云雾形成过程中互相碰撞、聚凝并与雨滴结合在一起;

(4) 降水时空气中的一次污染物和二次污染物被冲洗进雨。

三、形成机理

四、化学反应过程

酸雨的形成是一种十分复杂的大气化学和大气物理过程。酸雨中含有硫酸和硝酸等酸性物质,其中又以硫酸为主。从污染源排放出来的SO2、NOx是酸雨形成的主要起始物,因为大气中的SO2、NOx经氧化后溶于水形成H2SO4、HNO3 和HNO2,造成了雨水pH值降低,当pH值低于5.60时,便形成了酸雨。酸性污染物转入雨水中形成酸雨的过程为:

SO2+[O]→SO3 SO3+H2O→H2SO4 SO2+H2O→H2SO3 H2SO3+[O]→H2SO4 NO+[O]→NO2 2NO2+ H2O→HNO3+HNO2

式中:[O]——各种氧化剂,如O3、H2O2、HO2、O2等。

SO2主要是燃煤产生,NOx主要是机动车尾气排放,当然,自然因素如火山爆发、森林火灾以及微生物分解有机物的过程中产生的硫化物和氮氧化物也不容忽视。因此,酸雨的形成是人为和自然因素综合作用的结果。 五、相关知识

1、大气中的氨对酸雨形成的影响

大气中的氨在酸雨形成中起着非常重要的作用。许多实验证明,降水pH值决定于H2SO4、HNO3与NH3、碱性尘粒的相互关系。NH3是大气中唯一的常见气态碱,主要来自有机物分解和农田施肥的挥发。NH3易溶于水,与雨水中的H2SO4、HNO3等酸性物质起中和作用,降低了雨水的酸度(即pH值升高)。另外,在大气中,NH3不仅与硫酸气溶胶形成中性的(NH4)2SO4或NH4HSO4,而且与SO2反应而使SO2含量减少,避免了H2SO4的生成,酸雨出现的机会也减少了。总的来说,大气中NH3浓度低且酸性污染物排放量大的地区,酸雨肯定比较严重;相反,大气中NH3含量大的地区,只会少数甚至不出现酸雨。 2、大气颗粒物对酸雨形成的作用 (1)催化作用

大气颗粒物所含的Mn、Fe、Cu、V等过渡金属离子是SO2转化成H2SO4的催化剂,当有上述金属离子存在时,SO2的氧化反应速率会增大,这种催化氧化过程比较复杂,但可以用一个总的反应式表示:

2SO22H2OO22H2SO4

Mn

2

、Fe

3

、Cu

2

、V

5

(2)缓冲作用

大气颗粒物的酸碱性对酸雨具有缓冲作用,国内许多研究工作表明,我国北方城市大气颗粒物浓度高,粒径大,多为碱性,对酸雨缓冲能力较强;而南方城市大气颗粒物浓度相对较低,粒径小,多为酸性,对酸雨缓冲能力较弱,这就是我国南方酸雨多而北方酸雨较少的重要原因之一。 3、气候条件对酸雨形成的影响

一般情况下,温度高、湿度大,酸雨容易形成,这是因为在高温高湿的条件下有利于SO2和NOx转化为H2SO4、HNO3。风速可以影响大气中污染物的浓度。当风速大时,大气层结不稳定,对流运动较强烈,污染物能够迅速扩散,使其浓度降低,酸雨就减弱;相反,风速小时,大气层结比较稳定,容易出现逆温现象,污染物难以扩散,积聚在低层大气中,浓度增高,导致酸雨污染加重。风向的影响则表现在大气污染源地的下风向容易出现酸雨,其上风向酸雨产生的机会大大减少。雷电不仅能使NOx浓度增大,而且能加快SO2和NOx的氧化速度,因此,雷电多发区正是酸雨几率较多的地区。


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