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    工業廢氣主要包括顆粒氣態及放射性物質三大類

    瀏覽次數: 發布日期:2018-12-27

    關鍵詞:工業廢氣

    導讀:廢氣的種類繁多,對其分類可以采用不同的方法。一是按發生源的性質(人類產生廢氣活動的性質)來分類。如:人類工業生產活動發生的廢氣稱為工業廢氣(包括燃料燃燒廢氣和生產工藝廢氣

    廢氣的種類繁多,對其分類可以采用不同的方法。

    一是按發生源的性質(人類產生廢氣活動的性質)來分類。如:人類工業生產活動發生的廢氣稱為工業廢氣(包括燃料燃燒廢氣和生產工藝廢氣);人類生活活動發生的廢氣稱為生活廢氣;人類交通運輸活動發生的廢氣稱為交通廢氣,包括汽車尾氣(汽車廢氣)、高空航空器廢氣、火車及船舶廢氣等;人類農業活動發生的廢氣稱為農業廢氣。

    二是按廢氣所含的污染物來分類。按所含污染物的物理形態來分類,可以分為:含顆粒物廢氣、含氣態污染物廢氣等。還可具體分為:含煙塵廢氣、工業粉塵廢氣、含煤塵廢氣、含硫化合物廢氣、含氮化合物廢氣、含碳氧化物廢氣、含鹵素化合物廢氣、含碳氫化合物廢氣等。這種分類方法在廢氣治理工程中經常應用。為了闡述廢氣的分類首先要弄清大氣污染物的分類。

    大氣污染物種類如此之多,很難做出嚴格的分類。按其形成過程可分為兩類:

    (1)一次污染物直接由污染源排放的污染物叫一次污染物,其物理、化學性質尚未發生變化;

    (2)二次污染物在大氣中一次污染物之間或與大氣的正常成分之間發生化學作用的生成物叫二次污染物。它常比一次污染物對環境和人們的危害更為嚴重。

    目前受到普遍重視的一次污染物主要有顆粒物、含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物(碳氫化合物)等,二次污染物主要是硫酸煙霧、光化學煙霧等。

    顆粒物可以是固體顆?;蛞旱?,氣態物質可以在大氣中轉化為顆粒物。據估算,全世界由于人類活動每年排入大氣的顆粒物(指粒徑小于20um者)約(1.85~4.20)億,其中直接排放的僅占5%~21%,其余均為氣態污染物在大氣中轉化而成的。表1-1匯總了氣態污染物的分類。

    工業廢氣主要包括顆粒氣態及放射性物質三大類

    (一)顆粒污染物

    污染大氣的顆粒物質又稱氣溶膠。環境科學中把氣溶膠定義為懸浮在大氣中的固體或液體物質,或稱微粒物質或顆粒物,按其來源的性質不同,氣溶膠又可分為一次氣溶膠和二次氣溶膠。前者系指從排放源排放的微粒,例如從煙囪排出的煙粒,風刮起的灰塵以及海水濺起的浪花等;后者系指從源排放時為氣體,經過一些大氣化學過程所形成的微粒,例如來自排放源的H2S和SO2氣體,經大氣氧化過程,最終轉化為硫酸鹽微粒。煙塵主要來自火力發電廠、鋼鐵廠、金屬冶煉廠、化工廠、水泥廠及工業和民用鍋爐的排放。

    描述大氣顆粒物污染狀況有以下一些術語。

    (1)粉塵是固態分散性氣溶膠,通常是指由固體物質在粉碎、研磨、混合和包裝等機械生產過程中,或土壤、巖石風化等自然過程中產生的懸浮于空氣中的形狀不規則的固體粒子,粒徑--般在1~200um。

    (2)降塵是指粒徑>l0um的粒子,它們在重力的作用下能在較短的時間內沉降到地面。常用作評價大氣污染程度的一個指標。

    (3)飄塵是指粒徑在0.1~10um之間的較小粒子,因其粒徑小且輕,有的能漂浮幾天,幾個月,甚至幾年,漂浮的范圍也很大,有的可達幾km.甚至幾十km。而且它們在大氣中能不斷蓄積,使污染程度不斷加重:

    飄塵的成分很復雜,除含有嚴重危害健康的二氧化硅外,還含有許多有害的重金腐,如鉛、汞、鉻、鎳、鎘、鐵、被等以及它們的化合物。飄塵具有吸濕性,在大氣中易形成凝案核,核表面能吸附經高溫升華隨煙氣排出的有害氣體、各種重金屬以及致癌多環芳烴類物質。有的飄塵粒子表面還具催化作用,例如鋼鐵廠廢氣中所含的Fe,O,能催化其表面吸附的二氧化硫,使其氧化成三氧化硫,三氧化硫吸收水蒸氣能生成比二氧化硫毒性大10倍的硫酸霧。

    積塵能長時間飄浮于大氣中,隨人們的呼吸進入人體的鼻腔或肺部,影響人體健康。因此飄塵是環境監測的一項重要指標。

    (4)總懸浮顆粒物(TSP)是指大氣中粒徑小于100um的固體粒子總質量。這是為適應我國目前普遍采用的低容量(10m2/h)濾膜采樣(質量)法而規定的指標。

    (5)飛灰是指燃料燃燒產生的煙氣帶走的灰分中分散得較細的粒子,灰分是指含碳物質燃燒后殘留的固體渣。

    (6)煙是指燃煤或其他可燃物質的不完全燃燒所產生的煤煙或煙氣,屬于固態凝集性氣溶膠。常溫下為固體,高溫下由于蒸發或升華面成蒸氣,逸散到大氣中,遇冷后又以空氣中原有的粒子為核心凝集成微小的固體顆粒。

    (7)液滴是指在靜態條件下能沉降,在親流條件下能保持懸浮這樣一種尺寸和密度的小液體粒子,主要粒徑范圍在200um以下。

    (8)輕霧是液態分散性和液態凝聚性氣溶膠的統稱。粒徑范圍約為5~1001am。液態分散性氣溶膠又稱液霧,是常溫下的液態物質因飛濺、噴射等原因霧化而產生的液體微滴。液態凝聚性氣溶膠是由于加熱等原因使液體蒸發而逸散到大氣中,遇冷變成過飽和蒸氣,并以塵埃為核心凝集成液體小滴。兩種氣溶膠都呈球形,性質相似,只是液態分散性氣溶膠的粒子直徑大些。水平視度在1~2km。

    (9)重霧是指空氣中有高濃度的水滴,粒徑范圍在2~30um,這時霧很濃、且能見度差。水平視度<lkm。

    (10)霍表示存在著塵、輕霧和污染氣體,粒徑小于1pum。它常與大氣的能見度降低相聯系。

    (11)煙霧是一種固、液混合態的氣溶膠,具有煙和霧的兩重性。當煙和霧同時形成時,就構成了煙霧。粒子的粒徑<lum。

    (二)氣態污染物

    氣態污染物種類很多,主要有五大類:以S0,為主的含硫化合物、以NO和NO?為主的含氮化合物、碳的氧化物、碳氫化合物及含鹵素的化合物。

    1.含硫化合物

    大氣污染物中的含硫化合物包括硫化氫(H2S)、二氧化硫(S02)、三氧化硫(S03)、硫酸(H比SO1)、亞硫酸鹽(S)、硫酸鹽(S0-)和有機硫氣溶膠。其中最主要的污染物為SO2、H25、H2S0,和硫酸鹽,S0:和SO;總稱為硫的氧化物,以SO,表示。

    S2的主要天然源是微生物活動產生的HBS,進入大氣的HBS都會迅速轉變為S02,反應式為

    Hs+號0-50+比0含硫化合物的其他天然源有:火山爆發,排出物主要是S02和H2S,也有少量的50,和SO;海水的浪花把海水中的S02-帶入大氣,估計約有90%又返回海洋,10%落在陸地;招澤地、土壤和沉積物中的微生物作用產生的H2S。

    S02的人為源主要是含硫的煤、石油等燃料燃燒及金屬礦冶煉過程中產生的。煤、石油燃燒時硫的反應為S+02-50,

    2502+0?-250燃燒產物主要是S02,約占98%,S0,只占2%左右。

    2.含氮化合物

    大氣中以氣態存在的含氮化合物主要有氨(NH3)及氮的氧化物,包括氧化亞氮(N:0)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、四氧化二氮(N3O)、三氧化二氮(N3O])及五氧化二氮(N203)等。其中對環境有影響的污染物主要是NO和NO2,通常統稱為氮氧化物(NO,)。其他還有NO、NO;及銨鹽。

    NO和NO2是對流層中危害最大的兩種氮的氧化物。NO的天然來源有閃電、森林或草原火災、大氣中氨的氧化及土壤中微生物的硝化作用等。NO的人為源主要來自化石燃料的燃燒(如汽車、飛機及內燃機的燃燒過程),也來自硝酸及使用硝酸等的生產過程,氮肥廠、有機中間體廠、炸藥廠、有色及黑色金屬冶煉廠的某些生產過程等。

    氨在大氣中不是重要的污染氣體,主要來自天然源,它是有機廢物中的氨基酸被細菌分解的產物。氨的人為源主要是媒的燃燒和化工生產過程中產生的,在大氣中的停留時間估計為l~2周。在許多氣體污染物的反應和轉化中,氨起著重要的作用。它可以和硫酸、硝酸及鹽酸作用生成銨鹽,在大氣氣溶膠中占有一定比例。

    3.碳的氧化物

    一氧化碳(C0)是低層大氣中最重要的污染物之一。CO的來源有天然源和人為源。理論上,來自天然源的CO排放量約為人為源的25倍。CO可能的天然源有:火山爆發、天然

    氣、森林火災、森林中放出的黏烯的氧化物、海洋生物的作用、葉綠素的分解、上層大氣中甲烷(CH比)的光化學氧化和CO2的光解等。CO的主要人為源是化石燃料的燃燒,以及煉鐵廠、石灰窯、磚瓦廠、化肥廠的生產過程。在城市地區人為排放的CO大大超過天然源,而汽車尾氣則是其主要來源。大氣中CO的濃度直接和汽車的密度有關,在大城市工作日的早晨和傍晚交通最繁忙,CO的峰值也在此時出現。汽車捧放CO的數量還取決于車速,車速越高,CO排放量越低,因此,在車輛繁忙的十字路口,CO濃度常常更高。CO在大氣中的滯留時間平均為2~3年。它可以擴散到平流層。

    二氧化碳(CO2)是動植物生命循環的基本要素,通常它不被看作是大氣的污染物。在自然界它主要來自海洋的釋放、動物的呼吸、植物體的燃燒和生物體腐爛分解過程等。大氣中的Co,受兩個因素制約:一是植物的光合作用,每年春夏兩季光合作用強烈,大氣中的CO,濃度下降,秋冬兩季作物收獲,光合作用減弱,同時植物枯死腐敗數量增加,大氣中CO2濃度增加,如此循環;二是CO2溶于海水,以碳酸氫鹽或碳酸鹽的形式貯存于海洋中,實際上海洋對大氣中的CO2起調節作用,保持大氣中CO,的平衡。CO2性質穩定,在大氣中的滯留時間約5-10年。就整個大氣面言,長期以來CO,濃度是保持平衡的。但是近幾十年,由于人類使用礦物燃料的數量激增、自然森林遭到大量破壞,全球CO:濃度平均每年增高0.2%,已超出自然界能

    “消化”的限度。CO2無毒,雖然CO2增加對生理人沒有明顯的危害,因此一般不被看作大氣污染物,但其對人類環境的影響,尤其對氣候的影響是不容低估的,最主要的即“溫室效應”。

    大氣中CO2和水蒸氣能允許太陽輻射(近紫外和可見光區)通過而被地球吸收,但是它們卻能強烈吸收從地面向大氣再輻射的紅外線能量,使能量不能向太空逸散,而保持地球表面空氣有較高的溫度,造成“溫室效應”。溫室效應的結果,使南北兩極的冰將加快融化,海平面升高,風、云層、降雨、海洋潮流的混合形式都可能發生變化,這一切將帶來嚴重環境問題?,F已知除CO?外,N20、CH、氯氟烴等15~30種氣體都具有溫室效應的性質。

    4.含鹵素化合物

    存在于大氣中的含鹵素化合物很多,在廢氣治理中接觸較多的主要有氟化氨(HF).氯化氫(HCl)等。

    5.碳氫化合物(HC)碳氫化合物統稱烴類,是指由碳和氫兩種原子組成的各種化合物。為便于討論,把含有0、N等原子的烴類衍生物也包括在內。碳氫化合物主要來自天然源。其中量最大的為甲烷(CL),其次為植物排出的藉烯類化合物,這些物質排放量雖大,但分散在廣闊的大自然中,對環境并未構成直接的危害。不過隨大氣中CHa濃度增加,會強化溫室效應。碳氫化合物的人為源主要來自燃料的不完全燃燒和溶劑的蒸發等過程,其中汽車尾氣是產生碳氫,化合物的主要污染源,濃度約在2.5~1200mL/m㎡。

    在汽車發動機中,未完全燃燒的汽油在高溫高壓下經化學反應會產生百余種碳氫化合物。爽型的汽車尾氣成分主要有:烷烴(甲烷為主)、烯烴(乙烯為主)、芳香烴(甲苯為主)和醛類(甲醛為主)。

    在大氣污染中較重要的碳氫化合物有四類:烷烴、烯烴、芳香烴、含氧烴。

    (1)烷烴又稱飽和烴,通式C。H。,2%。烴類中CH,所占數量最大,但它化學活性小,故討論烴類污染物時提到的城市地區總碳氯化合物濃度,是指扣除CH的濃度或稱非甲烷烴類的濃度。其他重要的烷烴有乙烷、丙烷和丁烷。

    (2)烯烴是不飽和烴,通式為C。h。。因為分子中含有雙鍵,故烯烴比烷烴活潑得

    多,容易發生加成反應。其中最重要的是乙烯、丙烯和丁烯。乙烯對植物有害,并能通過光化學反應生成乙醛,刺激眼睛。烯烴是形成光化學煙霧的主要成分之一。

    (3)芳香烴分子中含有苯環一類的烴。最簡單的芳烴是苯及其同系物甲苯、乙苯等。

    兩個或兩個以上苯環共有兩個相鄰的碳原子者,稱為多核芳烴(簡稱PAH),如苯并[a]

    芪。芳香烴的取代反應和其他反應介于烷烴和烯烴之間。在城市的大氣中已鑒定出對動物有致癌性的多核芳烴,如苯并[a]芪、苯并[b]董慧和苯并[j]董意等。

    (4)含氧烴主要是醛(RCHO)、酮(RcR”)兩類,汽車尾氣中的含氧烴約占尾氣中碳氫化合物(HC)的l.5%。大氣中含氧烴的最重要來源可能是大氣中烴的氧化分解。環境中的醛主要是甲醛。

    表面上在城市中烴類對人類健康未造成明顯的直接危害,但是在污染的大氣中它們是形成危害人類健康的光化學煙霧的主要成分。在有NO、CO和H2O的污染大氣中,受太陽輻射作用,可引起NO的氧化,并生成臭氧(O3)。當體系中存在一些HC時,能加速氧化過程。

    HC(主要是烷烴、烯烴、芳香烴和醛等)和氧化劑(主要是HO、O和03)反應,除生成一系列有機產物如烷烴、烯烴、醛、酮、醇、酸和水等外,還生成了重要的中間產物—一各自的自由基,如烷基R、?;鵕CO、烷氧基RO、過氧烷基ROO(包括HO2)、過氧?;鵕C-00和羧基RC等。這些自由基和大氣中的2、NO和NO,反應并相互作用,促使NO o轉化為NO?,進而形成二次污染物03、醛類和過氧乙酰硝酸酯(cbC-00-No.PAN)等。

    這些是形成光化學煙霧的主要成分。

    (三)污染大氣的放射性物質

    自40年代開始,放射性塵埃引起的大氣污染日益為人們所關注。這主要是核武器試驗和核電站事故所造成的。核爆炸(尤其是大氣層里的核爆炸)后,形成高溫(上百萬攝氏度)火球,使其中存在的裂變產物、彈體物質以及卷進火球的塵土等變為蒸汽。隨著火球膨漲和上升,因與空氣混合和熱輻射損失,溫度逐漸降低,蒸汽便凝結成微?;蚋街谄渌麎m粒上形成所謂放射性沉降物(塵埃),主要放射性同位素為裂變產物,其次是核爆炸時放出的中子所造成的灰塵放射性物質。

    核爆炸后進入大氣層的放射性物質,沿大氣環流運行,并受重力和風的合力影響,以合力的方向運行直至沉降到地面。于爆炸后數小時至數十小時首先沉降于爆炸點附近地區,這種局部沉降物可占裂變產物總量的50%~80%,若遇降水則還會增加。存在于對流層空氣中直徑小于5um的粒子,則要幾天到幾個月,平均儲留期約為30天,沉降影響的范圍可波及到本半球的大部分地區,在核爆炸的緯度內從西向東繞地球運行,直到被這些細小粒子由于相互凝聚(凝結在霧滴上)、靜電作用、直接沖撞作用、擴散作用和風力等以惰性方式沉降到地面,或被降水攜帶至地面,這種所謂對流層沉降物中裂變產物約占總裂變產物的25%(與爆炸高度有關)。一些更細小的微粒能進人到平流層,并隨高空的大氣環流流動,然后再慢慢沉降到地球表面,即所謂全球性沉降。

    在這些沉降物中,人們最關心的是產額高、半衰期長、攝取量大和能長期存留于人體內的放射性同位素,主要有鋁-89、鍶-90、龜-137、碘-13l、碳-14、懷-239、鋇-140和鈰-140以及懷-239等。

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