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酸雨的形成机制 摘要:酸雨对我们的生态环境和经济的发展造成了严重的破坏, 如何控制酸雨已成为全球各个国家环境保护工作的重要内容之 一。本文主要对酸雨的形成机制进行了分析。 关键词:酸雨;形成机制 酸雨与全球气候变暖、臭氧空洞、固体废弃物污染组成了“全球四大污染”,并且酸雨是跨越国界的全球性灾害,素有“空中死神”之称。随着工业革命的开始,化工企业快速发展,酸雨造成的大气污染不断加剧,成为制约经济发展的重要因素。通过对酸雨的形成机制进行彻底分析,对控制酸雨的蔓延,保护生态环境有着十分重要的意义。 1 酸雨的简介 我们通常所说的酸“雨”,是指pH值低于5.6的雨、雾、雪、霜、露等。以pH=5.6为,这是因为自然界大气中在10℃时存在的CO2浓度约为300ppm,当它和雨水充分接触达到平衡时,雨水的pH约为5.6。所以,当pH6值低于5.6的降水叫酸雨。 酸雨的主要阳离子有:NH 4+,Ca2+,Na+,Mg+,H+。阴离子:SO 4 2-,NO 3 -,cl-,HCO 3 -。 酸雨中含有多种无机酸和有机酸, 其中绝大部分是硫酸和硝酸,而盐酸和其他有机酸则占很少部分。 2酸雨的形成 关于酸雨的形成机制主要分为三个阶段,一是酸性气体的排放,二是酸性气体在空气中的氧化,三是湿沉降(酸雨的沉降)。 2.1酸性气体的排放 世界上很多国家和地区都在研究酸雨,经多年的观测和实验分析,现已确认, 大气中的SO 2和NO 2 是形成酸雨的主要物质。据美国测定的酸雨成份:硫酸占60%、 硝酸占32%、盐酸占6%、其余的是碳酸和少量有机物。大气中的SO 2和NO 2 的来 源除自然原因:火山爆发、森林火灾、地震、雷电,以及海陆生物尸体的分解,海水的溅散和蒸发外,主要就是人为原因了。这现在以下几方面:一是煤、石油、天然气等燃料燃烧,等,它们排放出的烟中含有大量的硫氧化物和氮氧化物,特别是煤,每年排放的SO 2 中约有66.7%来自煤的燃烧,对于我国这样的产煤大国, 以煤为主要的能源利用方式长期占据着主导地位,情况就更严重了;二是有色金属冶炼时逸出大量的SO X 气体;三是化工生产,特别是硫酸和硝酸的制备,生产 时所谓的工业尾气中含有SO X 和NO X 气体;四是汽车排放的尾气含有NOX成份;五是 土壤中的某些有机体(化肥等)释放分解产生的NO 2 等。总之,酸雨主要是人类工业污染的产物,优化能源利用,改进生产工艺对控制酸雨有着根本性的作用。 2.2酸性气体的氧化 由于酸雨中的酸主要是硫酸和硝酸,而主要的酸性物质是SO 2和NO X ,因此这 儿主要谈谈SO 2 与NO X 的氧化过程。它们的氧化按反应体系,可分为均相氧化和非 均相氧化。按反应机理可分为光化学氧化、自由基氧化、催化氧化和强氧化剂氧化。 2.2.1 SO 2 的均相氧化反应 SO 2 的吸收光谱包括三个吸收带,产生单重态和三重态,而均相氧化反应往 往是从三重态开始的。SO 2 直接与O 2 反应,生成SO 3 和O,进而与H 2 O作用生成H 2 SO 4 气溶胶。反应过程为: SO 2 + v → SO 2 * SO 2 * + O 2 → 2SO 3 SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 SO 2 与氧化自由基的反应:在大气环境中存在着一定数量的氧化自由基,它 们主要来自NO X 与碳氧化合物相互作用过程中的中间产物,也来自光化学污染产 物如醛、亚硝酸盐和过氧化氢的光分解。SO 2与氧化自由基如OH,CH 3 O 2 .,H 2 O等碰 撞而发生氧化。反应过程如下: OH + SO 2 → HSO 3 HSO 3 + OH → H 2 SO 4 HO 2 + SO 2 → OH + SO 3 SO 2在大气中还可以与O 3 、NO X 、CO等发生反应生成SO3,如: SO 2 + O 3 → SO 3 + O 2 但这些反应与自由基反应相比,只能处于次要地位。SO 2 一旦生成SO 3 后,十分容 易与H 2O蒸汽反应生成H 2 SO 4 。因此在一般大气条件下,SO 2 一旦被氧化后,基本省 上都是以H 2SO 4 气溶胶形态存在。 2.2.2 SO 2 的液相氧化 当大气中的SO 2 进入雾,云和雨水中,而水滴中又存在着各种氧化性物质(如 O 2,O 3 ,H 2 O 2 ),以及能促进氧化的催化物质(如Mn2+ ,Fe3+,V等),就会发生SO 2 的 液相化过程,SO 2 的液相氧化主要有三种形式: 1.SO 2 与O 2 的非催化反应:这种反应过程主要有SO 2 在水中溶解、解离,亚 硫酸盐或亚硫酸盐的离子氧化。主要作用机理如下: SO 2 (g) + H 2 O(l) ? H 2 SO 3 (l) H 2SO 3 (l) ? HSO3-(l) + H+(l) HSO3-(l) ?SO 3 2-(l) + H+(l) 2SO 32-(l) + O 2 ?2SO 4 2-(l) 式中(g)和(l)分别表示气相和液相。 2.SO 2和O 2 在Mn2+ ,Fe3+ 等的催化氧化: 2SO 2 + 2H 2 O + O 2 → 2 H 2 SO 4 3.SO 2与O 3 、H 2 O 2 的氧化反应: SO 2 + O 3 → SO 3 + O 2 SO 2 + H 2 O 2 → H 2 SO 4 大气中的NH 3对SO 2 的氧化也有一定影响,因为NH3可在液滴中形成NH 4 +,会使 水滴的pH值升高,加速SO 2 的氧化。 2.2. 3 SO 2 的固相氧化 SO 2 在固体颗粒物表面的氧化反应也是较典型的。燃煤排放的烟煤颗粒物表 面上,含有不少碳黑及金属氧化物(如Fe 2O 3 、MnO 2 等),它们吸附了SO 2 使其催 化氧化成SO 42- 。现已发现在活性炭表面上SO 2 的氧化速率可增快每小时30%左 右。因此烟尘对SO 2 的氧化也相当重要。 2.2.4 NO X 的气相氧化反应 大气中的NO X 的主要组成为NO,NO 2 。NO 2 在大气中经常发生光解产生NO,然后 通过O 3,H 2 O 2 ,RO 2 ,RCOO 2 等的作用生成NO 2 。 NO + O 3→ NO 2 + O 2 NO 2 可与OH自由基反应转化为硝酸: OH + NO 2 + M → HNO 3 + M 此反应主要在白天发生。硝酸还有另一条生产途径: NO 2 + O 3 → NO 3 + O 2 NO 3 + NO 2 → N 2 O 5 N 2O 5 + H 2 O → 2HNO 3 这主要是夜间发生的反应。 2.3 酸沉降 大气环境中又了酸性物质,是产生酸雨的先决条件。但酸雨的形成,还与大气环境的条件和形成过程有关。 大气中的水蒸气变成云,在成长为雨的过程是一种物理过程。这是由气相转变为液相或固相的变化过程。这个过程可以分为四个阶段。第一阶段是水蒸气成为过饱和的状态;第二阶段为云粒的产生。可能是微细的水滴,也可能是冰晶。这是凝结核生产的阶段;第三阶段是微小云粒或冰晶与水蒸气凝结而长大,成为雨滴、雪片;最后阶段是雨滴或雪片的长大,这是小雨滴互相碰撞、附着、并合的过程。其中第一、二阶段是云产生的过程,第三、四阶段是云成为降水的过程。 酸性物质可在第一、二阶段进入云中,也可能在降水过程中进入降水中。这两种不同的酸化过程,形成了湿沉降中两种不同清楚大气污染的类型。前一种类型称为“雨除”,它是在云形成时,把含有酸性物质的气溶胶作为凝结核。后一种类型成为“洗脱”,它是在云下雨水降落过程中。吸收大气中的酸性物质的过程。这便形成了酸雨。 2.4 其他因素对酸雨形成的影响 酸雨的形成于大气中酸性物质浓度大小及其转化条件有关。但地形、地貌、气象条件,如各种大气环流、天气系统、风向、风速等对大气污染物的沉降、扩散、输送都有着密切关系。盆地地形以及低压天气系统往往不利于污染物的扩散,加剧了污染物的聚集,当气温高,湿度大时,像二氧化硫很容易转化为硫酸;高压系统控制下的天气,地形开阔,风速较大则易于污染物扩散。如我国四川盆地,多山,静风的频率达73%,大气层结稳定,不利于SO 2 的稀释扩散,在有降水过程时则会形成酸雨。如果该地区土壤属酸性,大气中碱性物质较少,这样雨水中的酸性不易被中和而降低,因而就有利于酸性降水的出现。重庆、贵阳地区就属于这种条件。相反,如北京地区,气候干燥,土壤为碱性,大气颗粒物中土降成 分约占一半(含碱性物质很多),春冬季风大、扬尘多、虽然大气中二氧化硫和氮氧化物的浓度较高,仍不出现酸雨现象。 5. 结论 随着生活质量的提高,人们对保护生态环境的意识也越来越强。环境保护问题日益受到各国人民的和政府的重视,国际社会多次磋商共同解决酸雨等污染环境的问题.只有我们真正掌握酸雨的形成机理,才能从根源找到控制和防治酸雨的有效办法. 参考文献 [1]张光华,赵殿五.酸雨.中国环境科学出版社,1989:4,29-26 [2]张秀宝,高伟生,应龙根.大气环境污染概论. 中国环境科学出版社,1989: 64-68 [3]陈志远,刘志荣.中国酸雨研究. 中国环境科学出版社,1997:317-321 [4]孙崇基.酸雨. 中国环境科学出版社,2001:147-171 [5]黄美元,徐华英,王庚辰.大气环境学.气象出版社,2005:84-86 [6]王兴文.中国酸雨成因研究.中国环境科学,1994,14(5):232-329 [7]赵传晞.酸雨的成因与地理分布. 陕西师大学报(自然科学 版),1995,23(3):91-94 [8] 蓝惠霞,周少奇,廖雷,吴娟.酸雨形成机制及其影响因素的探讨.四川环境, 2003,22(4):42-44 [9]陈明艳,姜显政,黄汝红.浅析酸雨的形成、危害及防治措施.广东微量元素 科学,2009,16(1):15-20 [10]周昌云 ,陈爱玉,张鹏 ,刘娟 ,曹乃和. 酸雨的成因、危害与防治. 农技服 务, 2009,26(10) : 104-105 [11] 刘晓华. 酸雨的形成及对环境的危害. 赤峰学院学报(自然科学版), 2010,26(5):96-97