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空气污染与控制,籍国东 2004年3月31日,1 空气的物理性状与健康2 物理与化学原理3 空气污染及其影响概述4 空气污染物的来源与归趋5 微观与宏观空气污染6 大气扩散作用7 室内空气质量模型8 固定源空气污染控制9 移动源空气污染控制,空气污染与控制,1.空气的物理性状与健康,(1)太阳辐射,红斑作用抗朐偻病作用,紫外线A段（320400 nm)B段（275320 nm)C段（200275 nm),热效应；使机体局部温度升高，血管扩张，促进新陈代谢及细胞增生,促进黑色素原 黑色素 色素沉着 保护皮肤,具有杀菌作用,红外线（76030000nm)可视线（400760 nm),(2)空气离子,轻离子：离子吸附周围的中性气体分子。重离子：轻离子、灰尘、烟雾等结合。,空气离子对人体的作用负离子对机体有益。调节中枢神经；刺激骨髓造血；降低血压；改善肺的换气功能；促进生物氧化还原过程。,空气离子的卫生评价空气离子数：阴离子数多，清洁度大。重轻离子比值：50，说明空气污浊。空气离子单极系数:阳离子/阴离子。清洁地区该值低,气体分子,+,正离子,负离子,+,e-,e-,e-,+,轻离子,轻离子,重离子,重离子,空气污染与控制,2.物理和化学原理2.1 理想气体定律其中V是n mol气体所占的体积。在标准温度及压力下，即在温度为273.15K和压力为101.325kPa的条件下，lmol的理想气体所占体积为22.414L。,T：热力学温度，KR：气体常数，8.314J/(molK),2.2 道尔顿分压定律因为气体燃烧产物的组成与空气完全不同，因此，利用通过空气校正的测量仪器进行烟道气体及排放源气体的样品采集时，其读数必须加以校正，以反映出这种差异。校正因子的计算是以道尔顿分压定律为基础。道尔顿(Dalton)发现；混合气体的总压力等于组成该混合气体的各气体成分的分压之和，用数学式表示为：Pt=P1+P2+P3+Dalton 分压定律可以用理想气体定律的形式来表示：,2.3 绝热膨胀和压缩空气污染气象学研究的是受污染大气的热力学过程及其所产生的结果，绝热膨胀和压缩即为其中的一个热力学过程。绝热过程是指在不加入或移走热量的条件下，以极其缓慢的速度进行的一个过程，其中的气体在任何时刻均处于平衡状态。假设圆筒和活塞面完全与外界隔绝。气体压力为P，活塞面积为A，为使活塞保持平衡，必须施加一个等于PA的力F。,对气体做功,若增加作用力F使气体体积压缩，则圆筒内气体压力增加，活塞将对气体作功。因为无任何热量进入或离开气体，根据热力学第一定律，做功将使气体的热能增加，即：气体增加的热量气体增加的热能十气体所做的功因为等式的左边等于零(此过程为绝热过程)，所以增加的热能等于外力对气体所做的功。热能的增加反映在气体温度的升高。若气体绝热膨胀，则气体温度下降。2.4 测量单位表示空气污染数据常用的三种基本测量单位为：每立方米中所含微克数(g/m3)，体积分数(L/L)及微米(m)。g/m3和g/L为浓度测量单位，可用于表示气态污染物的浓度。,颗粒污染物的浓度仅用g/m3表示，而m用以表示颗粒的粒径大小。因为使用mL/m3很方便，所以经常用作测量单位，其优点是L/L为体积对体积的比值，温度和压力的变化并不改变污染气体的体积所占被污染气体体积的比例。（1）mg/m3转换成g/Lmg/m3及L/L之间的转换可利用标准状态下(0及101.325kPa)lmol理想气体所占的体积是22.414L这一条件进行。在标准温度和压力下，质量为Mp的污染物(以克计)所占的体积为Vp=Mp/M22.414其中，M是污染物的摩尔质量。在非标准状态的其他温度和压力下的lmol气体所占体积需用理想气体定律校正：,非标准状态下的气体体积：22.414L/mol(T2/273)(101.325/P2)P2和T2是度数时的压力和热力学温度实际上，该公式来源于：用L/L表示的污染物体积分数可以写成：Vp/Va；其中Va=1立方米空气的体积。所以：,T2：热力学温度，KM：污染物摩尔质量,3.空气污染及其影响概述空气污染在三种规模上影响着公众健康：即微观、中型和宏观。放射性建筑材料的自然辐射所引起的室内空气污染属于微观空气污染。工业生产及汽车排放所引起的室外周围空气的污染属中型空气污染。空气污染物的远距离传输及对全球的影响属于宏观空气污染，如酸雨污染。空气污染对全球的潜在影响是使大气层上层发生改变，引起臭氧层破坏及全球变暖。,3.1 对材料的影响（1）材料破坏的机制空气污染造成材料破坏的的机制有五种，分别为磨损、沉积和洗除、直接化学破坏、间接化学破坏和电化学腐蚀。较大的固体颗粒在材料表面高速运动会引起材料表面磨损。除了暴风雨中的固体颗粒和从武器射击排出的铅粒，一般大多数空气污染物的颗粒或是尺寸太小，或是运动速度不够快，所以不易造成材料表面的磨损。对于大部分的材料，表面清洗都会引起损伤，建筑物的喷沙清洗就是一典型实例。衣物经常清洗会使纤维强度变弱，经常清洗油漆表面会使油漆表面失去光泽。,溶解和氧化还原反应导致直接化学破坏，通常水为反应介质。二氧化硫及三氧化硫在有水存在时，与石灰石(CaCO3)反应生成石膏(CaSO42H2O)和硫酸钙，而硫酸钙和石膏比碳酸钙易溶于水，易被雨水溶解。硫化氢使银变黑是一典型的氧化还原反应。当污染物被吸附在材料表面并且形成破坏性化合物时，则发生对材料的间接化学破坏。产生的破坏性化合物可能是氧化剂、还原剂或溶剂。这些化合物会破坏材料晶格结构中的化学键因而具有破坏性。皮革在吸收二氧化硫之后变碎，是因为皮革中少量的铁会催化二氧化硫形成硫酸。纸张也有类似的现象发生。氧化还原反应会使金属材料表面存在局部的化学及物理变化，而这些变化导致金属表面形成微观的阳极和阴极，这些微观电极的电位差的存在，导致电化学腐蚀发生。,（2）影响材料破坏的因素湿度、温度、日光及表面曝露方式等是影响材料破坏重要因素。湿度是影响材料破坏发生的重要因素。金属的腐蚀作用，即使是在很高的二氧化硫污染情况下，如果相对湿度不超过60，也不会发生。此外，当没有空气污染，湿度在7090时也会引起材料腐蚀。雨水可以通过稀释作用和洗除污染物减轻由污染物所引起的腐蚀。较高的空气温度下通常会有较高的反应速率。然而，当冷空气使表面冷却，进而有水凝结在材料表面时，将加快腐蚀速率。,除了紫外线会引起氧化作用外，由于日光会为污染物形成提供所需的能量，因而会加剧空气污染对材料造成的损害。光化学反应所生成的臭氧，会导致橡胶龟裂及染料褪色。材料表面的暴露方式对其破坏速率的影响有两个方面：第一，当材料表面按垂直、水平或以任何角度放置时，均会影响污染物沉积和被洗除的速率；第二，当材料表面朝上或朝下时，其受损害的速率不同。当湿度足够高时，材料朝下的一面，因为其表面的污染物不易被雨水洗除，通常破坏速率较快。,3.2 对植物的影响（1）细胞及叶片组织构造典型的植物细胞具有三个主要组分：细胞壁、原生质体及内含物。像人的皮肤一样，年轻植物的细胞壁较薄，随着年龄的增加细胞壁增厚。原生质体是细胞中的原生质，其主要成分是水，也含有蛋白质、脂肪及碳水化合物。细胞核内含有遗传物质(DNA)，控制细胞的遗传、变异及其他生命过程。细胞核外的原生质，称为细胞质。细胞质内含有叶绿体、白色体、色素体及线粒体等质体。叶绿体含有叶绿素，经光合作用制造植物所需的食物。白色体将淀粉转变成淀粉粒。色素体控制花朵及果实的颜色，使其呈现出不同的色彩，如红、黄、橙色等。,一个典型的成熟叶片横切面有三个主要的组织系统：表皮、叶肉及维管束。叶绿体通常不会出现在表皮细胞中。在叶子底面的开口称为气孔。叶肉细胞包含栅状及海绵状软细胞组织，内含叶绿体，是制造食物的中心。维管束负责植物主茎和叶片间的水分、矿物质及食物的输送。保护细胞负责调节气体及水蒸气进出叶片。当天气热、有阳光及有风时，光合作用及呼吸作用速率会增加。此时，保护细胞会打开，以利于较多的水汽排出，否则由根部输送物质会造成累积。（2）污染物损害臭氧会伤害栅状细胞，引起叶绿体凝缩，最后导致细胞壁破裂。这时可以观察到在植物叶片表面形成红棕色斑点，并且数天后变成白色，该白点称为白斑点。,臭氧在有阳光的正午时危害力最大，因为此时保护细胞可能打开，允许污染物进入叶片中。植物连续暴露在0.5L/LNO2下，其生长会受到抑制。NO2浓度超过2.5L/L且暴露时间超过4h，会使植物产生枯斑，即由于质壁分离或失去原生质而产生的表面斑点。二氧化硫也会使植物产生黑斑症，且所需浓度更低，只要在SO2浓度为0.3 L/L下暴露8h就足以使植物致病。在更低浓度下曝暴更长时间，将使植物产生萎黄病。空气污染物对植物所造成的伤害不仅仅是使其叶片表观发生改变，如产生斑点，还会面积缩小、生长迟缓、果实变小。对于经济作物，这些伤害会造成减产，使农民。对于其他植物，则可能使植物提早死亡。,植物表面氟的沉积，不仅会直接伤害植物，而且会引发二次伤害效应。食草性动物可能会因食用含氟量高的食物使体内积累过量的氟，牙齿上出现氟斑，以致最后掉落。（3）判断上的困难干旱、虫害、虫害、疾病、过量使用除草剂和营养缺乏等，对植物造成的伤害与污染物对植物伤害类似。此外，有些污染物单独存在时并不造成损害，但将其混合后则会伤害植物，这种效应称为增效作用。由于这些因素的影响，往往使人们在判断植物的伤害时遇到困难。,3.3 对健康的影响（1）敏感受体很难有较好的评价方法来评价空气污染对人类健康的影响。抽烟使人们处于污染物浓度较高的空气中，职业暴露也会使从业人员受到比室外空气中更大的污染物剂量的影响。选择什么样的受体进行实验，以判别空气污染对人体造成的危害，是一个相当困难的问题。利用其他哺乳动物作实验，其结果难以应用于人类自身。用人作为实验受体时，通常必须保证其必须存活，由此引发出环境伦理问题。如果用啮齿类动物作实验往往得到较高的允许浓度。如果规定必须保护患有心肺疾病的人时，则允许浓度范围将会比在啮齿类动物实验中观察到的浓度低很多。,空气质量标准是“在适当的安全范围内保护公众健康”基础上建立的。标准制定者所持的观点是这些标准必须保护大部分敏感受体，即按所观察到效应的最低程度来设定标准。（2）呼吸系统的构造空气污染对人类影响的首要指示物为呼吸系统。呼吸系统的主要器官有鼻、咽头、喉头、气管、支气管及肺，。鼻、喉头、咽头及气管一起称为上呼吸道。空气污染对上呼吸道的主要影响是影响嗅觉，且使原先可去痰及捕捉颗粒的纤毛的扫除动作迟钝。下呼吸道由支气管及肺组成。肺本身由成串葡萄状的囊(称为肺泡)所组成，肺泡直径大约300m，肺泡壁之间通过毛细管连接。二氧化碳从毛细管壁扩散至肺泡，而氧则从肺泡扩散出去至红血球细胞。每种气体的分压不同，其扩散方向是由较高压处扩散至低压处。,（3）颗粒的吸入及滞留颗粒物侵入下呼吸道的程度主要受颗粒尺寸和呼吸速率的影响。510m的颗粒被鼻毛遮蔽。12 m范围大小的颗粒可侵透入肺泡，这些颗粒不被遮蔽并沉积在上呼吸道。直径0.5m的颗粒，由于其沉积速度太小而不能被有效地去除，因而更小的颗粒将扩散至肺泡壁。（4）慢性呼吸疾病许多慢性的呼吸系统疾病可能会因空气污染而加重。刺激性物质的存在会使呼吸道变窄或阻塞，致使呼吸困难。,（5）一氧化碳一氧化碳是一种无色、无味的气体，当其浓度超过5000L/L时，足以在数分钟内使人丧命。一氧化碳可与血液中的血红素反应形成羧基血红素(COHb)。血红素对CO的亲和力比对O2的亲和力高，因此形成COHb会使体内的氧减少。当COHb浓度在510的范围时，视觉、动作灵活性及学习能力均会削弱。当CO浓度达50 L/L，且持续肘间达8h时，将导致COHb浓度高达7.5%。心脏疾病患者在COHb达到2.5%3%时，运动能力便比没有COHb存在时差。当CO浓度达到20tLl且持续8h时，将导致：COHb达2.8%。吸烟过程中吸入的CO平均浓度为200400L/L。对CO敏感的人群是那些心脏及循环系统疾病、肺病患者及发育中的胎儿，还有那些处于较高需氧量状态的人，如发烧的患者。,（6）有害空气污染物（HAPs）有害空气污染物(又称空气毒物)对人类健康的直接影响的资料，大部分来自对特定行业的从业人员的研究。在工作场所中接触的有毒气体的剂量，往往比室外空气中的高。对通常在室外空气中发现的低浓度有毒空气污染物对健康的影响，目前了解的还很少。有害空气污染物是指引起各种不同疾病的物质。例如，石棉、含砷的物质、苯、焦炉排放的气体及放射性核素等均可能使人致癌；铍会导致肺脏疾病且影响肝脏、脾脏、肾脏及淋巴腺等器官；汞伤害大脑、肾脏及肠等器官。有害空气污染物的其他潜在影响还包括引起生育缺陷，破坏免疫系统及神经系统等。,（7）铅与其他主要的空气污染物相反，铅是一种累积性的有毒物质。除了直接从空气吸入外，铅也可通过食物和水被人体摄人。摄入的铅大约有5一10被人体吸收，从空气吸入的铅大约有2050被人体吸收。其余未被人体吸收的部分，则经尿液及粪便排泄出来。因此铅中毒可通过检测尿液和血液中的铅含量来判断。,（8）NO2暴露在NO2浓度超过5 L/L的空气中15min，将导致咳嗽及呼吸道疼痛，持续暴露在这样的空气中将造成肺水肿。NO2气体浓缩时为红棕色，在较低的浓度时则呈黄棕色；浓度为5L/L时，NO2气体具有刺激性甜味。在烟草燃烧中产生的NO2平均浓度大约为5L/L。大约0.1L/L的NO2浓度，即可使呼吸道疾病加重并使肺功能衰减。,（9）光化学氧化物光化学氧化物包括过氧乙酰硝酸酯(PAN)、丙烯醛、过氧苯甲酰硝酸酯(PBzN)、醛、氮氧化物及主要的氧化物臭氧。臭氧常用作表示氧化物总量的指标。当氧化物浓度超过0.1L/L时，会对眼睛造成刺激。当浓度为0.3L/L时，会引起咳嗽及胸部不适。患有慢性呼吸道疾病的人更容易有上述症状。（10）PM10因为较大的颗粒不会被吸入肺的深部，因此美国环保局将空气质量标准中总悬浮颗粒物标准换成气体动力学直径小于10m的PM10标准。美国、巴西、德国的研究表明，微颗粒对增加呼吸系统疾病、心血管病管病、与癌症相关的死亡、肺炎、肺功能衰减及哮喘等，都有相当程度的影响。,最近的研究工作已经转向小于2.5rn的颗粒，因为这种颗粒是受污染城市死亡率上升的主要原因。这些研究调查结果是基于相关统计得出的，目前并未被科学界广泛接受，其最主要原因是没有一种合理的生物机制说明是什么造成死亡。虽然如此，为了确保“在适当的安全范围内保护公众健康”，美国环保局仍于1997年7月提议建立新的PM2.5标准。（11）SOx及总悬浮颗粒（TSP）硫氧化物包括二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)及其酸和盐类。SO2及SO3所造成的影响经常合在一起讨论。值得注意的是，当SO2被颗粒物吸附时，对下呼吸道的影响是产生增效作用。没有附着于颗粒上的SO2会被上呼吸道的粘膜吸附。,当TSP超过350g/m3及SO2浓度高于0.095L/L时，慢性支气管炎的患者的患病症状会加重。在荷兰进行的为期三年的研究发现，当SO2及TSP的浓度分别从原有的0.10L/L及230g/m3降至0.03L/L及80 g/m3时，肺功能得到改善。,4.空气污染物的来源和归宿,工业,交通,生活,4.1 CO碳的不完全氧化导致一氧化碳(CO)生成。每年因土壤中微生物自然厌氧分解含碳物质而释放的甲烷大约为91015mol。CO是甲烷氧化反应的中间产物。氢氧自由基(OH)作为起始氧化剂，与CH4结合形成烷基自由基：CH4+OH CH3+H2O此反应后又发生39个系列反应，将这些反应简化后，得下式：CH3+O2+2(hv)CO+H2+OH,即CH3及O2分别被一个光子捕获。符号v代表光的频率，h是普朗克常数，等于6.62610-34J/Hz。人类活动所产生的污染物来自汽车排放化石燃料的燃烧、工业加工、固体废弃物的处置以及像树叶、柴草等的燃烧。这些污染源大约会释放出11013 mol的CO，其中汽车的排放量占60。在过去20年间，大气中CO的含量没有显著的改变。而在此期间全球人类活动由燃烧产生的污染物却增加了1倍。,大气中CO浓度并无明显的改变，促使人们提出一些机制来解释CO消失的原因。其中两个最可能的原因是：与氢氧自由基(OH)反应生成二氧化碳(CO2)；由土壤中微生物去除。据估计，由于上述两种机制而消耗的CO量恰好等于其产生量。4.2 有害空气污染物美国环保局确定了166种来自主要污染源及8种来自面源的有害空气污染物。工业污染源种类相当广泛，包括燃料燃烧、金属制造、石油及天然气的生产和精炼、表面加工、废弃物处理及处置过程、农用化学品生产、聚合物及树脂生产。此外，还有干洗、电镀等其他种种污染源。除了从上述污染源直接排放外，有害空气污染物也可通过大气中的化学反应形成。,这些反应形成的化合物，包括那些未被列入HAPs名单或本身没有毒害、但经大气化学反应后会生成HAPs的化合物。气态有机化合物参与的最重要的转化过程是光解以及与臭氧、羟基自由基(OH)、硝酸盐自由基发生的化学反应。光解(photolysis)是指化合物在吸收适当波长的辐射后发生化学键断裂或化学键重组。光解反应仅发生在白天，只有当化合物强烈吸收了太阳辐射时才会占优势，否则与臭氧及羟基自由基的反应占优势。最常形成的HAPs是甲醛和乙醛。HAPs去除的主要机制是通过与OH反应，最终导致CO及CO2形成。在189种HAPs中有89种在大气中的寿命小于1d。,4.3 铅大气中铅的天然污染源为火山及土壤颗粒。金属冶炼、石油精制及含铅废物的焚烧等都是铅污染的主要点源。汽油中加入的铅大约有7080排放到大气中。铅通过挥发、然后冷凝，吸附到较大颗粒上，或通过成核作用，在大气中形成亚微米大小的粒子。当其大小达到数微米时，即可通过沉降或雨水冲洗被去除。4.4 二氧化氮在细菌的作用下，土壤向大气中释放出氧化亚氮(N2O)。在较高的对流层及平流层中，氧原子和氧化亚氮反应生成一氧化氮：N2O+O2 2NO,氧原子来自臭氧的分解。一氧化氮进一步和臭氧反应生成二氧化氮(NO2)：NO+O3 NO2+O2地球上，通过此反应所生成的NO2每年大约有450t。人为活动产生的氮氧化物中，大约有96来自燃烧过程。大气中的氧气和氮气可以共存且不发生反应，但在高温及高压时，却有化学反应发生。当温度超过1600K时，氧气和氮气的反应如下：如果将燃烧气体在反应后迅速冷却，然后释放到大气中，则此反应中止，NO为副产物；NO会与臭氧或氧气发生反应形成NO2。,产生的NO2在大气颗粒物上将转变成NO2-或NO3-。大气中的这些颗粒通过降水被洗除。硝酸盐溶解在水滴中形成硝酸，这正是工业区“酸雨”的部分来源。4.5 光化学氧化物与其他污染物不同，光化学氧化物完全来自于大气中发生的反应，而不是由人类活动或大自然产生，也就是说它们是二次污染物。它们通过原子、分子、自由基和离子吸收光子所引起的一系列反应生成。臭氧是主要的光化学氧化物，常常在二氧化氮的光解循环反应中生成。碳氢化合物与氧原子反应生成自由基，这些碳氢化合物、氮氧化物和臭氧反应生成更多的二氧化氮和臭氧。,来源汽车废气；生活和工业生产中煤、石油燃烧,从油箱和汽化器中挥发的汽油碳氢化合物20%,从曲轴箱漏出的气体碳氢化合物 20%,汽 车 排 气一氧化碳 100%碳氢化合物 60%氮氧化物 100%,伦敦烟雾事件,原因：1、冬季取暖燃煤和工业燃煤排放的烟雾（元凶）2、高压中心，几天无风,数据：伦敦上空大气中烟尘浓度比平时高10倍，SO2的浓度是以往的6倍,后果：4天时间，死亡人数达4000多人。2个月后，又有8000多人陆续丧生。,整个伦敦像一个大的毒气室一样！,4.6 硫氧化物硫氧化物可能是一次、也可能是二次污染物。电厂、工业生产、火山及海洋直接排放出的SO2、SO3及SO42-为一次污染物。此外，生物腐败过程及一些工业生产中排放出的H2S，经氧化形成SO2，此为二次污染物。天然污染源每年产生大约12.5万t的硫，而来自人为污染源的硫大约有4500万t。H2S最重要的氧化反应是与臭氧反应：H2S+O3 H2O+SO2含硫化石燃料燃烧后，所产生的二氧化硫量与燃料中的硫含量成正比：S+O2 SO2该反应表明，如果燃料中有1g硫燃烧，就会产生2g的SO2释放到大气中。因为燃烧效率并非100，我们通常假设燃料中有5的硫最终残留在灰分中，即燃料中有1g硫燃烧后会释放出1.90g的SO2。,大气中，大部分SO2最终转变成硫酸盐，可通过沉降或降水去除。SO2转变成硫酸盐的途径有两个：催化氧化和光化学氧化。当水滴中含有Fe3+、Mn2+或NH3时，反应按催化氧化途径进行：2SO2+2H2O+O2 2H2SO4在相对湿度较低时，转变主要通过光化学反应进行。第一步为SO2的光激活反应：SO2+hv SO2*被激活的SO2迅速与O2反应生成SO3：SO2*+O2 SO3+OSO3吸湿性很强，因此快速转变成硫酸：SO3+H2O H2SO4,该反应可解释工业区大部分酸雨（pH值小于5.6的降雨）的来源。正常的降雨，由于存在碳酸盐缓冲体系，pH值大约为5.6。颗粒物引起的二次污染物包括H2S、SO2、NOx、NH3，及碳氢化合物的转化产物。直径为0.550m大小的粉尘，可被风完全扬起且吹到较远距离。海盐颗粒的大小为0.050.5m，光化学反应形成的粒子直径小于0.4m，黑烟及飞灰粒子的直径范围为0.05200m或更大。城市大气中颗粒物的质量分布，一般有两个最大峰值，一个直径介于0.11rn，另一个则介于130m。粒径较小的颗粒是通过凝聚形成的，粒径较大的颗粒则包含由机械磨损产生的飞灰和粉尘。,大气中小颗粒的去除过程为，小颗粒首先附着在水滴上，尺寸逐渐变大，直至足够大后而沉降。大颗粒则直接通过降雨冲洗被去除。5.微观和宏观空气污染空气污染问题的在三种规模上发生：小型(微观)、中型和大型(宏观)。5.1 室内空气污染居住在寒带的人们，可能有70%90%的时间在室内活动。在某些情况下，室内空气污染的程度可能比室外更严重。使用火炉操作不当会产生一氧化碳的问题，这个问题一直被人们所关注。最近，由煤气炉、烤箱、煤油加热器及吸烟等弓I起的慢性、低浓度的CO污染已引起人们的关注。,抽烟将明显增加室内空气中CO的浓度以及可吸入颗粒（RSP）的浓度。NO2的浓度与电子炉具、空调以及煤气炉使用情况有关。SO2的浓度一般都比较低（但是对烧煤户就不一样了）。虽然氡气不被视为空气污染物，但发现在住宅中有相当高的浓度。氡气是一种从天然地质过程或建筑材料中释放射出的一种放射性气体。它不是来源于住户的活动。室内空气中重金属的主要来源是未经过滤的室外空气、泥土和灰尘。As,Cd,Cr,Hg,Pb,Al及Ni均在室内空气中被检测出来。,目前已经确定，在室内空气中有300多种VOCs，如醛类、烷烃类、烯烃类、醚类、酮类及多环芳烃（PAHs）等，其中甲醛是普遍存在且毒性较强但是化合物。甲醛并不是由住户的活动产生的，而是由一些消费产品和建筑材料释放出来的。与那些只要有人类活动就会产生的污染物不同，甲醛只有在新的材料被带进住宅时才会产生。(1)室内空气VOCs污染及危害,室内VOCs的源的列表,导致地板排放VOCs的因素,可塑剂 潜溶剂，粘度调节剂 未反应单体 添加剂，如抗氧化剂、稳定剂、抗静电剂、阻燃剂 后处理剂、着色剂、表面涂层 木制材料浸出物 油漆、清漆、油剂和蜡中的溶剂,不同类型家具涂层的测试箱浓度,敏感于湿气、碱性湿气的材料,建筑产品的VOCs的排放类型,VOCs的健康影响,患哮喘病和易患呼吸疾病的个体也许特别敏感于低剂量的VOCs暴露 在高浓度时，很多VOCs是有力的麻醉剂，可以抑制人的中枢神经系统，暴露还可导致眼部和呼吸道刺激，导致眼睛、皮肤和肺的过敏反应 当VOCs（如，甲苯）浓度达到188mg/m3，将导致昏睡、头晕和精神混乱，并可能进一步发展为昏迷和痉挛 在VOCs达到35,000mg/m3（在非工业环境无记录），会导致死亡,几种主要室内装饰材料的主要有毒有害物质成分,（2）室内空气甲醛污染及危害,国内实测家居内外甲醛含量与建议值比较,甲醛暴露对健康的影响,5.2 酸雨大气中CO2被雨水溶解后形成碳酸，使未被污染的水本身呈酸性。纯净雨水的平衡pH值约为5.6。酸雨的危害，包括对水生生物的影响，对农作物、森林和建筑材料的损害。通过大气中的化学反应，SOx、NOx及挥发性有机物被转化成酸性化合物及相关的氧化物。见下图所示。,酸雨区面积约占国土面积的30%,1999年全国降水污染状况图,5.3 臭氧消耗如果没有臭氧层，地球表面上的任何生物都会被烧焦。在2040km的大气层中臭氧的存在阻断了UV辐射。臭氧的光化学反应.,臭氧空洞,1974年，Molina&Rowland提出了可能造成臭氧层破坏的大气污染物。他们假设常用的推进剂和制冷剂氟氯烃化合物（CFCs）会与臭氧反应：,这一系列反应中对臭氧层构成威胁的是氯原子将臭氧去除，且氯原子会持续循环再生将更多的臭氧转化成氧。据估计减少5%的臭氧将导致增加10%的皮肤癌。因此，CFCs这类在较低大气中呈惰性的化合物，在较高处可能变成最重要的大气污染物。研究确认，在全世界范围内，近10年来臭氧层大约减小2.5%。1987年9月制订了保护臭氧层的蒙特利尔公约(Montreal Protocol On Substances That Deplete the Ozone Layer)。此公约由36个国家共同鉴定，并从1989年1月开始生效。虽然该公约规定，CFCs的生产到1998年需减少50，但此期间大气中的氯，仍会因CFCs中的氯生命周期相当长而持续增加。1989年春天，80个国家聚集在芬兰首都赫尔辛基，全体代表一致通过了五点“赫尔辛基宣言”(Helsinki Declaration)：,（1）所有参加1985年维也纳保护臭氧层会议者也需遵守蒙特利尔公约。（2）在2000年以前逐渐禁止生产及使用会破坏臭氧层的CFCs。（3）逐渐停止生产及使用如四氯化碳及甲基三氯甲烷等破坏臭氧层的化学晶。（4）加速开发环境可接受的替代化学品及其技术。（5）向发展中国家提供相关的科学资料、研究结果及培训。1990年和1992年修改的蒙特利尔公约更加严格，规定1996年1月后禁止生产CFCs、四氯化碳和甲基三氯甲烷，1995年1月后禁止生产卤化物。,一些完全卤化且比CFCs更易分解的替代品已研制出来。目前取代CFCs的两类化合物为氟代烃(HFCs)及氟氯烃化合物(HCFCs)。与CFCs不同，HFCs及HCFCs含有一个或多个C-H键，它们更易在较低的大气层中与OH自由基反应。因为HFCs不含氯，所以不具有有氯循环破坏臭氧的能力。虽然HCFCs含有氯，但这些氯在对流层中即被OH自由基有效清除，不会输送至平流层中破坏臭氧。气候和火山爆发对臭氧层有影响，因而使臭氧层空洞会继续变大还是得到修补变得难以预料。非常冷的春天和强风造成涡流的现象会阻止富含臭氧的空气补给，致使在北半球形成一个很大的臭氧空洞。,包围着地球的臭氧层,氯氟烃(CFCS)氮氧化物,Development of Ozone Hole,臭氧空洞的危害：,引起白内障,引起皮肤癌,免疫系统功能抑制,5.4 温室效应与臭氧不同，二氧化碳相当容易让来自太阳的短波长紫外线穿透，然而，它恰恰吸收并放射地球及大气中的长波辐射，因此二氧化碳有如温室中的玻璃：它让来自太阳的短波辐射进入使地表增温，却制止了来自地表辐射热的逸出。大气中CO2越多，限制辐射热逸出的效应则越显著。大气中CO2的增加大部分来自化石燃料的燃烧。大量采伐森林也是CO2增加的原因。此外燃烧木材及细菌分解释放出CO2也是原因之一。非常重要的是，采伐森林使大气中去除CO2的机制消失。,在正常呼吸作用下，一个快速生长的雨林，每年每平方米的地表面积可以固定12kg的碳。耕作农田，只能固定大约0.20.4kg/m2，而这个量可通过生物消耗和转化再循环成CO2。虽然有资料显示CO2的浓度在增加，但是仅由CO2增加导致的直接辐射性效应，不足以解释晚间温度增加，但白天高空的温度并不增加的现象。现有的气候变化模型还不能精确地描述如云层加厚等自然变化的影响。显然，对于全球变暖的趋势仍存在相当的分歧。即使没有气候变化的风险，改善能源效率，降低C02排放量及禁止使用CFCs也是正确的。预测气候变化的危害为采取这些措施提供了依据。,温室效应形成原因：,CO2,O3,CO2,CH2,CO2,CFCS,大量燃料燃烧森 林 砍 伐,温室气体：CO2、CH4、CFCS、N2O,温室效应的潜在影响,地表气温升高,两极冰山融化 海平面升高 陆地减少生态破坏,有利于病原体的繁殖：传染病寄生虫病生物性地方病食物中毒,热刺激,6.大气扩散作用,6.1 影响空气污染物扩散的因素影响空气污染物输送、稀释和扩散的因素，一般可按排放源的特性、空气污染物的性质、气象条件、地形效应及建筑物类型等进行分类。（1）污染源特征大部分的工业废气通过烟囱或输送管垂直地向空中排放。当此污染气流离开排放点时，烟流将扩散并与周围的空气混合。水平方向的空气运动将使排放的烟流朝顺风方向弯曲。在顺风3003000m内的某点，该烟流将呈水平状态。当烟流上升、弯曲及开始在水平方向运动的同时，污染气体将被烟流周围的空气稀释。当污染气体被大量的空气稀释后，最终会向地面分散。,（2）下风距离排放点与下风方向上地面接收处的距离越远，则会有越多的空气在污染气体到达接收处之前稀释污染气体。（3）风速和风向风向决定污染气流通过某一区域的流动方向。风速影响污染气流离开排放点后烟流抬升的高度和污染气流混合或稀释的速率。风速对污染物浓度的影响有两方面：一方面，风速增加会使烟流迅速下弯而降低其抬升高度，而抬升高度减小会导致污染物的地面浓度增加；另一方面，风速增加会加快排放烟流的稀释速率，使下风处浓度降低。在不同条件下，这两种不同的风速影响中，会有一个起主要作用。这两方面综合作用影响着污染物在下风向出现最大地面浓度的位置。,（4）稳定性大气湍流是决定稀释的最本质因素。大气越不稳定，稀释作用越强。逆温不只出现于地面，在烟囱排放口上方的某个高度处也会发生，其作用如同一个盖子，限制了污染气流在垂直方向的稀释。6.2 扩散模型（1）一般性考虑与模型应用扩散模型是对污染物气象输送与扩散过程的数学描述，在特定时间内，可用污染源和气象参数进行定量描述。数学计算的结果可用于估算在特定时间和地点，特定污染物的浓度。为验证模型的数学计算结果，需要用特定污染物的测定浓度值与利用统计方法所得的计算值作比较。,模型所需的气象参数包括风速、风向和大气稳定度。某些模型还需要气温直减率和垂直混合高度等参数。大部分模型所需要的数据包括烟囱高度、排放点烟囱的直径、排放气体的温度、速度及污染物的质量排放速率等。扩散模型通常可分为短期模型和气候模型。短期模型一般用于下列情况：估计难于实地采样地点周围的浓度，如在河流或湖泊上方，距地面较远的上空等；估计在发出空气污染灾害警报的情况下，在空气不流动期间，需要紧急减少的污染物量；估计长、短期地面浓度的最可能位置，以选择放置空气监测设备的位置。气候模型用于估计污染源长期的平均浓度，或估计长期中的某季节某天某时刻的平均浓度。长期模型有助于建立排放标准。我们将重点讨论短期模型及其最简单的应用。,(2)高斯扩散模型的基本要点建立基本的高斯扩散方程时假设：在污染气流排放的大气层中，大气的稳定性均匀一致。湍流扩散为随机运动，且污染气流在水平和垂直方向的稀释作用，可用高斯方程或一般方程式来描述；污染气流在距离地面高度等于烟囱高度与烟流抬升高度之和的地方排放到大气中；假设烟流被稀释的程度与风速u成反比；假设到达地面的污染物会反射回大气中，就如同镜子会反射光线一样。计算地面反射时假设在相对于地面有效高度为-H的地方存在一个假想的污染源，并且排放出与真实污染源同样污染强度的假想烟流。相同的方法也可用于建立其他边界层条件方程，如限制水平或垂直混合的边界层条件方程。,(3)模型D.B.Turner模型用于计算有效高度为H的烟囱下风处某点（坐标x及y）污染物的地面浓度。见下图：,P：压力，kPa Ts：烟囱温度，K Ta：大气温度，K,sy和sz的值与湍流结构或大气稳定度有关。下风距离（km）与sy和sz的关系见以下2图：,sy/m,sz/m,图中的曲线A到F：A代表非常不稳定的大气状态，B代表不稳定状态，C代表较不稳定或中性状态，D代表较稳定状态，E代表稳定的大气状态，F代表非常稳定的大气状态。每个稳定度参数代表315min的时间平均。利用上表中的风速和太阳辐射程度来估计大气稳定度。,将一个屋子或密闭空间内的一个房间想象成一个简单的盒子,从而建立一个简单的质量模型:式中V-房间体积，m3；C-污染物浓度，g/m3；Q-空气进入房间的速率，m3/s；Ca-室外空气中污染物浓度，g/m3；E-从空气污染源进入房间内的污染物排放速率，g/s；k-污染物的反应速率常数，s-1。,盒内污染物增加率,室外进入盒内的速率,室内排放进入盒内的速率,泄漏到室外的速率,衰减速率率,=,+,-,-,7.室内空气质量模型,上述方程式的一般解为：部分污染物的衰减速率常数见下表：,8.固定源的空气污染控制8.1 气态污染物(1)吸收作用根据吸收作用原理制造的控制设备，可将污染物从气相转移至液相。这是一个气体溶于液体的传质过程。溶解过程可能会伴有与液体中成分间的化学反应发生。传质是一个扩散过程，污染物气体从高浓度处移向低浓度处。污染物气体的去除由三个步骤完成：污染气体扩散至液体表面；穿过气液界面(溶解)；溶解气体离开界面扩散进入液体。,喷雾室，喷雾塔或喷雾柱是用来吸收污染气体的两种装置。喷雾室：利用液滴来吸收气体。喷雾塔：利用液体薄膜作为吸收介质。不论利用哪种类型的装置，污染物在液体中的溶解度必须相当高。若以水作溶质，对NH3、Cl2及SO2等少数无机气体的去除会受到限制。洗尘器的吸收效率较低，但具有能同时去除颗粒物的优点。喷雾塔效率较高，但易被颗粒物质堵塞。,非反应性溶液的吸收量受污染物的分压控制。污染控制系统中的稀溶液，其分压与溶液中气体浓度的关系，可用亨利定律(Henrys law)表示：Pg KHCequil式中：Pg 溶液中溶质在气相中的平衡分压，kPa；KH 亨利常数，kPam3/g；Cequil 液相中污染气体的浓度，g/m3。该公式表明：当溶液中积累的污染物增加时，其气体分压也必然增加，否则污染物会从液体释放出来。当液体将污染物从气相中除去时，即当气体被净化时，其分压降低，但这与所期望发生的情形正好相反。,解决此问题最简单的方法是使气体和液体向相反方向流动，称为逆向流。这样，高浓度气体被吸收进入具有高污染物浓度的液体，低浓度气体将被吸收进入具有低污染物浓度的液体。逆向流吸收柱的质量平衡图。其质量平衡方程式为：,式中：Gm1和Gm2为进入和流出吸收柱的总气体(空气加上污染物)流量，kg或mol/h；y1和y2为柱入口和柱出口处气相中污染物的摩尔分数；Lm1和Lm2为进入和流出吸收柱的总液体(溶剂加上被吸收的污染物)流量，kg或mol/h；x1和x2为柱人口和柱出口处液相中污染物的摩尔分数。,气体流速、液体流速和塔高为设计填充塔的三个重要参数，这三个参数间相互关联。若考虑吸收塔中的一微分高度dZ，则质量传递的界面面积可定义为：质量传递面积=AdZ式中：单位填充体积的表面积；A 柱的截面积。可用下列微分方程式来描述气体i进入溶液的质量传递速率Ni：式中：Ky 气体的总传质系数；y和y*污染物在气相中的摩尔分数和在液相中的摩尔分数。第i种气体的传质速率是：NiAdZ而质量等于气流通过微分高度dZ时气相所损失的质量：损失的质量d(Gmy),单位面积的质量流速Gm和摩尔比Y：并注意有：式中Gc是不含污染物时载气的质量流量。令传递的质量等于损失的质量，得到：或者：吸收塔中任一位置的传质推动力（y-y*）可以写成：y-y*=(1-y*)-(1-y)定义：dZ的表达式可以转化为：,传质单元高度Hog：传质单元数Nog：吸收塔柱高：Zt=Hog Nog对于遵循亨利定律的稀溶液，总的气体传质单元数可按下式求