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工业废气主要包括颗粒气态及放射性物质三大类

浏览次数: 发布日期:2018-12-27

关键词:工业废气

导读:废气的种类繁多,对其分类可以采用不同的方法。一是按发生源的性质(人类产生废气活动的性质)来分类。如:人类工业生产活动发生的废气称为工业废气(包括燃料燃烧废气和生产工艺废气

废气的种类繁多,对其分类可以采用不同的方法。

一是按发生源的性质(人类产生废气活动的性质)来分类。如:人类工业生产活动发生的废气称为工业废气(包括燃料燃烧废气和生产工艺废气);人类生活活动发生的废气称为生活废气;人类交通运输活动发生的废气称为交通废气,包括汽车尾气(汽车废气)、高空航空器废气、火车及船舶废气等;人类农业活动发生的废气称为农业废气。

二是按废气所含的污染物来分类。按所含污染物的物理形态来分类,可以分为:含颗粒物废气、含气态污染物废气等。还可具体分为:含烟尘废气、工业粉尘废气、含煤尘废气、含硫化合物废气、含氮化合物废气、含碳氧化物废气、含卤素化合物废气、含碳氢化合物废气等。这种分类方法在废气治理工程中经常应用。为了阐述废气的分类首先要弄清大气污染物的分类。

大气污染物种类如此之多,很难做出严格的分类。按其形成过程可分为两类:

(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、化学性质尚未发生变化;

(2)二次污染物在大气中一次污染物之间或与大气的正常成分之间发生化学作用的生成物叫二次污染物。它常比一次污染物对环境和人们的危害更为严重。

目前受到普遍重视的一次污染物主要有颗粒物、含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物(碳氢化合物)等,二次污染物主要是硫酸烟雾、光化学烟雾等。

颗粒物可以是固体颗粒或液滴,气态物质可以在大气中转化为颗粒物。据估算,全世界由于人类活动每年排入大气的颗粒物(指粒径小于20um者)约(1.85~4.20)亿,其中直接排放的仅占5%~21%,其余均为气态污染物在大气中转化而成的。表1-1汇总了气态污染物的分类。

工业废气主要包括颗粒气态及放射性物质三大类

(一)颗粒污染物

污染大气的颗粒物质又称气溶胶。环境科学中把气溶胶定义为悬浮在大气中的固体或液体物质,或称微粒物质或颗粒物,按其来源的性质不同,气溶胶又可分为一次气溶胶和二次气溶胶。前者系指从排放源排放的微粒,例如从烟囱排出的烟粒,风刮起的灰尘以及海水溅起的浪花等;后者系指从源排放时为气体,经过一些大气化学过程所形成的微粒,例如来自排放源的H2S和SO2气体,经大气氧化过程,最终转化为硫酸盐微粒。烟尘主要来自火力发电厂、钢铁厂、金属冶炼厂、化工厂、水泥厂及工业和民用锅炉的排放。

描述大气颗粒物污染状况有以下一些术语。

(1)粉尘是固态分散性气溶胶,通常是指由固体物质在粉碎、研磨、混合和包装等机械生产过程中,或土壤、岩石风化等自然过程中产生的悬浮于空气中的形状不规则的固体粒子,粒径--般在1~200um。

(2)降尘是指粒径>l0um的粒子,它们在重力的作用下能在较短的时间内沉降到地面。常用作评价大气污染程度的一个指标。

(3)飘尘是指粒径在0.1~10um之间的较小粒子,因其粒径小且轻,有的能漂浮几天,几个月,甚至几年,漂浮的范围也很大,有的可达几km.甚至几十km。而且它们在大气中能不断蓄积,使污染程度不断加重:

飘尘的成分很复杂,除含有严重危害健康的二氧化硅外,还含有许多有害的重金腐,如铅、汞、铬、镍、镉、铁、被等以及它们的化合物。飘尘具有吸湿性,在大气中易形成凝案核,核表面能吸附经高温升华随烟气排出的有害气体、各种重金属以及致癌多环芳烃类物质。有的飘尘粒子表面还具催化作用,例如钢铁厂废气中所含的Fe,O,能催化其表面吸附的二氧化硫,使其氧化成三氧化硫,三氧化硫吸收水蒸气能生成比二氧化硫毒性大10倍的硫酸雾。

积尘能长时间飘浮于大气中,随人们的呼吸进入人体的鼻腔或肺部,影响人体健康。因此飘尘是环境监测的一项重要指标。

(4)总悬浮颗粒物(TSP)是指大气中粒径小于100um的固体粒子总质量。这是为适应我国目前普遍采用的低容量(10m2/h)滤膜采样(质量)法而规定的指标。

(5)飞灰是指燃料燃烧产生的烟气带走的灰分中分散得较细的粒子,灰分是指含碳物质燃烧后残留的固体渣。

(6)烟是指燃煤或其他可燃物质的不完全燃烧所产生的煤烟或烟气,属于固态凝集性气溶胶。常温下为固体,高温下由于蒸发或升华面成蒸气,逸散到大气中,遇冷后又以空气中原有的粒子为核心凝集成微小的固体颗粒。

(7)液滴是指在静态条件下能沉降,在亲流条件下能保持悬浮这样一种尺寸和密度的小液体粒子,主要粒径范围在200um以下。

(8)轻雾是液态分散性和液态凝聚性气溶胶的统称。粒径范围约为5~1001am。液态分散性气溶胶又称液雾,是常温下的液态物质因飞溅、喷射等原因雾化而产生的液体微滴。液态凝聚性气溶胶是由于加热等原因使液体蒸发而逸散到大气中,遇冷变成过饱和蒸气,并以尘埃为核心凝集成液体小滴。两种气溶胶都呈球形,性质相似,只是液态分散性气溶胶的粒子直径大些。水平视度在1~2km。

(9)重雾是指空气中有高浓度的水滴,粒径范围在2~30um,这时雾很浓、且能见度差。水平视度<lkm。

(10)霍表示存在着尘、轻雾和污染气体,粒径小于1pum。它常与大气的能见度降低相联系。

(11)烟雾是一种固、液混合态的气溶胶,具有烟和雾的两重性。当烟和雾同时形成时,就构成了烟雾。粒子的粒径<lum。

(二)气态污染物

气态污染物种类很多,主要有五大类:以S0,为主的含硫化合物、以NO和NO?为主的含氮化合物、碳的氧化物、碳氢化合物及含卤素的化合物。

1.含硫化合物

大气污染物中的含硫化合物包括硫化氢(H2S)、二氧化硫(S02)、三氧化硫(S03)、硫酸(H比SO1)、亚硫酸盐(S)、硫酸盐(S0-)和有机硫气溶胶。其中最主要的污染物为SO2、H25、H2S0,和硫酸盐,S0:和SO;总称为硫的氧化物,以SO,表示。

S2的主要天然源是微生物活动产生的HBS,进入大气的HBS都会迅速转变为S02,反应式为

Hs+号0-50+比0含硫化合物的其他天然源有:火山爆发,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-带入大气,估计约有90%又返回海洋,10%落在陆地;招泽地、土壤和沉积物中的微生物作用产生的H2S。

S02的人为源主要是含硫的煤、石油等燃料燃烧及金属矿冶炼过程中产生的。煤、石油燃烧时硫的反应为S+02-50,

2502+0?-250燃烧产物主要是S02,约占98%,S0,只占2%左右。

2.含氮化合物

大气中以气态存在的含氮化合物主要有氨(NH3)及氮的氧化物,包括氧化亚氮(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。其中对环境有影响的污染物主要是NO和NO2,通常统称为氮氧化物(NO,)。其他还有NO、NO;及铵盐。

NO和NO2是对流层中危害最大的两种氮的氧化物。NO的天然来源有闪电、森林或草原火灾、大气中氨的氧化及土壤中微生物的硝化作用等。NO的人为源主要来自化石燃料的燃烧(如汽车、飞机及内燃机的燃烧过程),也来自硝酸及使用硝酸等的生产过程,氮肥厂、有机中间体厂、炸药厂、有色及黑色金属冶炼厂的某些生产过程等。

氨在大气中不是重要的污染气体,主要来自天然源,它是有机废物中的氨基酸被细菌分解的产物。氨的人为源主要是媒的燃烧和化工生产过程中产生的,在大气中的停留时间估计为l~2周。在许多气体污染物的反应和转化中,氨起着重要的作用。它可以和硫酸、硝酸及盐酸作用生成铵盐,在大气气溶胶中占有一定比例。

3.碳的氧化物

一氧化碳(C0)是低层大气中最重要的污染物之一。CO的来源有天然源和人为源。理论上,来自天然源的CO排放量约为人为源的25倍。CO可能的天然源有:火山爆发、天然

气、森林火灾、森林中放出的黏烯的氧化物、海洋生物的作用、叶绿素的分解、上层大气中甲烷(CH比)的光化学氧化和CO2的光解等。CO的主要人为源是化石燃料的燃烧,以及炼铁厂、石灰窑、砖瓦厂、化肥厂的生产过程。在城市地区人为排放的CO大大超过天然源,而汽车尾气则是其主要来源。大气中CO的浓度直接和汽车的密度有关,在大城市工作日的早晨和傍晚交通最繁忙,CO的峰值也在此时出现。汽车捧放CO的数量还取决于车速,车速越高,CO排放量越低,因此,在车辆繁忙的十字路口,CO浓度常常更高。CO在大气中的滞留时间平均为2~3年。它可以扩散到平流层。

二氧化碳(CO2)是动植物生命循环的基本要素,通常它不被看作是大气的污染物。在自然界它主要来自海洋的释放、动物的呼吸、植物体的燃烧和生物体腐烂分解过程等。大气中的Co,受两个因素制约:一是植物的光合作用,每年春夏两季光合作用强烈,大气中的CO,浓度下降,秋冬两季作物收获,光合作用减弱,同时植物枯死腐败数量增加,大气中CO2浓度增加,如此循环;二是CO2溶于海水,以碳酸氢盐或碳酸盐的形式贮存于海洋中,实际上海洋对大气中的CO2起调节作用,保持大气中CO,的平衡。CO2性质稳定,在大气中的滞留时间约5-10年。就整个大气面言,长期以来CO,浓度是保持平衡的。但是近几十年,由于人类使用矿物燃料的数量激增、自然森林遭到大量破坏,全球CO:浓度平均每年增高0.2%,已超出自然界能

“消化”的限度。CO2无毒,虽然CO2增加对生理人没有明显的危害,因此一般不被看作大气污染物,但其对人类环境的影响,尤其对气候的影响是不容低估的,最主要的即“温室效应”。

大气中CO2和水蒸气能允许太阳辐射(近紫外和可见光区)通过而被地球吸收,但是它们却能强烈吸收从地面向大气再辐射的红外线能量,使能量不能向太空逸散,而保持地球表面空气有较高的温度,造成“温室效应”。温室效应的结果,使南北两极的冰将加快融化,海平面升高,风、云层、降雨、海洋潮流的混合形式都可能发生变化,这一切将带来严重环境问题。现已知除CO?外,N20、CH、氯氟烃等15~30种气体都具有温室效应的性质。

4.含卤素化合物

存在于大气中的含卤素化合物很多,在废气治理中接触较多的主要有氟化氨(HF).氯化氢(HCl)等。

5.碳氢化合物(HC)碳氢化合物统称烃类,是指由碳和氢两种原子组成的各种化合物。为便于讨论,把含有0、N等原子的烃类衍生物也包括在内。碳氢化合物主要来自天然源。其中量最大的为甲烷(CL),其次为植物排出的藉烯类化合物,这些物质排放量虽大,但分散在广阔的大自然中,对环境并未构成直接的危害。不过随大气中CHa浓度增加,会强化温室效应。碳氢化合物的人为源主要来自燃料的不完全燃烧和溶剂的蒸发等过程,其中汽车尾气是产生碳氢,化合物的主要污染源,浓度约在2.5~1200mL/m㎡。

在汽车发动机中,未完全燃烧的汽油在高温高压下经化学反应会产生百余种碳氢化合物。爽型的汽车尾气成分主要有:烷烃(甲烷为主)、烯烃(乙烯为主)、芳香烃(甲苯为主)和醛类(甲醛为主)。

在大气污染中较重要的碳氢化合物有四类:烷烃、烯烃、芳香烃、含氧烃。

(1)烷烃又称饱和烃,通式C。H。,2%。烃类中CH,所占数量最大,但它化学活性小,故讨论烃类污染物时提到的城市地区总碳氯化合物浓度,是指扣除CH的浓度或称非甲烷烃类的浓度。其他重要的烷烃有乙烷、丙烷和丁烷。

(2)烯烃是不饱和烃,通式为C。h。。因为分子中含有双键,故烯烃比烷烃活泼得

多,容易发生加成反应。其中最重要的是乙烯、丙烯和丁烯。乙烯对植物有害,并能通过光化学反应生成乙醛,刺激眼睛。烯烃是形成光化学烟雾的主要成分之一。

(3)芳香烃分子中含有苯环一类的烃。最简单的芳烃是苯及其同系物甲苯、乙苯等。

两个或两个以上苯环共有两个相邻的碳原子者,称为多核芳烃(简称PAH),如苯并[a]

芪。芳香烃的取代反应和其他反应介于烷烃和烯烃之间。在城市的大气中已鉴定出对动物有致癌性的多核芳烃,如苯并[a]芪、苯并[b]董慧和苯并[j]董意等。

(4)含氧烃主要是醛(RCHO)、酮(RcR”)两类,汽车尾气中的含氧烃约占尾气中碳氢化合物(HC)的l.5%。大气中含氧烃的最重要来源可能是大气中烃的氧化分解。环境中的醛主要是甲醛。

表面上在城市中烃类对人类健康未造成明显的直接危害,但是在污染的大气中它们是形成危害人类健康的光化学烟雾的主要成分。在有NO、CO和H2O的污染大气中,受太阳辐射作用,可引起NO的氧化,并生成臭氧(O3)。当体系中存在一些HC时,能加速氧化过程。

HC(主要是烷烃、烯烃、芳香烃和醛等)和氧化剂(主要是HO、O和03)反应,除生成一系列有机产物如烷烃、烯烃、醛、酮、醇、酸和水等外,还生成了重要的中间产物—一各自的自由基,如烷基R、酰基RCO、烷氧基RO、过氧烷基ROO(包括HO2)、过氧酰基RC-00和羧基RC等。这些自由基和大气中的2、NO和NO,反应并相互作用,促使NO o转化为NO?,进而形成二次污染物03、醛类和过氧乙酰硝酸酯(cbC-00-No.PAN)等。

这些是形成光化学烟雾的主要成分。

(三)污染大气的放射性物质

自40年代开始,放射性尘埃引起的大气污染日益为人们所关注。这主要是核武器试验和核电站事故所造成的。核爆炸(尤其是大气层里的核爆炸)后,形成高温(上百万摄氏度)火球,使其中存在的裂变产物、弹体物质以及卷进火球的尘土等变为蒸汽。随着火球膨涨和上升,因与空气混合和热辐射损失,温度逐渐降低,蒸汽便凝结成微粒或附着在其他尘粒上形成所谓放射性沉降物(尘埃),主要放射性同位素为裂变产物,其次是核爆炸时放出的中子所造成的灰尘放射性物质。

核爆炸后进入大气层的放射性物质,沿大气环流运行,并受重力和风的合力影响,以合力的方向运行直至沉降到地面。于爆炸后数小时至数十小时首先沉降于爆炸点附近地区,这种局部沉降物可占裂变产物总量的50%~80%,若遇降水则还会增加。存在于对流层空气中直径小于5um的粒子,则要几天到几个月,平均储留期约为30天,沉降影响的范围可波及到本半球的大部分地区,在核爆炸的纬度内从西向东绕地球运行,直到被这些细小粒子由于相互凝聚(凝结在雾滴上)、静电作用、直接冲撞作用、扩散作用和风力等以惰性方式沉降到地面,或被降水携带至地面,这种所谓对流层沉降物中裂变产物约占总裂变产物的25%(与爆炸高度有关)。一些更细小的微粒能进人到平流层,并随高空的大气环流流动,然后再慢慢沉降到地球表面,即所谓全球性沉降。

在这些沉降物中,人们最关心的是产额高、半衰期长、摄取量大和能长期存留于人体内的放射性同位素,主要有铝-89、锶-90、龟-137、碘-13l、碳-14、怀-239、钡-140和铈-140以及怀-239等。

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