空气污染与控制.ppt
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1、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
2、,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
3、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
4、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
5、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/M22.4
6、14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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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)
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、,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,
23、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
24、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
25、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
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