1.原煤脱硫技术可以脱除煤中约40%-60%的无机硫。
2.优先使用低硫燃料,如低硫煤和低硫天然气。
3.改进燃煤技术,减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放。例如,液体燃煤技术是所有国家都欢迎的新技术之一。主要利用石灰石、白云石与二氧化硫反应,生成的硫酸钙随灰渣排出。
4.煤燃烧后形成的烟气经脱硫后排入大气。目前,石灰法主要用于脱除烟气中85%-90%的二氧化硫气体。但是脱硫效果虽然好,但是很贵。例如,在火电厂安装烟气脱硫装置的成本高达电厂总投资的25%。这也是控制酸雨的主要难点之一。
5.开发新能源,如太阳能、风能、核能、可燃冰等。但目前的技术还不够成熟,会造成新的污染和高消耗成本。20世纪60年代,瑞典土壤学家奥登首先对湖沼学、农学和大气化学的记录进行了全面的研究,发现酸性降水是欧洲普遍存在的现象,降水和地表水的酸度都在增加,含硫和含氮的污染物都在欧洲。1972年,瑞典政府向联合国人类环境会议提交了一份报告:《穿越国界的大气污染:大气和降水中的磕对环境的影响》。此后,更多的国家开始关注酸雨,研究规模不断扩大。1975年5月,第一届酸性降水与森林生态系统国际研讨会在俄亥俄州立大学举行。1982年6月,在瑞典斯德哥尔摩举行了一次关于环境酸化的国际会议。酸雨已成为全球环境污染的主要问题之一。酸雨的形成是一个复杂的大气化学和物理现象。酸雨含有多种无机和有机酸,其中大部分是硫酸和硝酸,硫酸是主要的一种。硫酸和硝酸是由人类排放的二氧化硫和氮氧化物转化而来,可以局部排放,也可以远距离迁移。煤和石油燃烧、金属冶炼等工业活动会向空气中释放二氧化硫,通过气相或液相氧化反应生成硫酸。同时,高温燃烧会使空气中的氮气和氧气产生一氧化氮,继续与大气中的氧气作用,大部分会转化为二氧化氮,遇到水或蒸汽会产生硝酸和亚硝酸。由于人类活动和自然过程,许多气体或固体物质进入大气,也影响酸雨的形成。大气颗粒物中的铁、铜和镁是酸生成反应的催化剂。大气光化学反应产生的臭氧和过氧化氢是氧化二氧化硫的氧化剂。粉煤灰中的氧化钙、土壤中的碳酸钙、天然和人工来源的氨以及其他碱性物质会与酸反应,中和酸。降水的酸度实际上是降水中主要阴离子和阳离子的干平衡。大气中二氧化硫和一氧化氮浓度高时,沉淀会呈酸性;如果降水中代表碱性物质的几个主要太阳质子浓度也很高,降水就不会有很高的酸性,甚至可能是碱性的。这种情况经常发生在碱性土壤地区或大气中颗粒物浓度高的时候。相反,即使大气中二氧化硫和一氧化氮的浓度不高,碱性物质相对较少,沉淀仍然会有很高的酸度。工业区的高烟囱会把二氧化硫扩散到很远的地方,所以很多山区和荒野地区也会下酸雨。硫和氮是植物生长不可缺少的营养元素。弱酸沉淀可以溶解地壳中的矿物质供动植物吸收。但如果酸度过高,比如pH值降到5以下,生态系统就可能受损。在土壤基础饱和度低的地区或土层薄的岩石地区,如果酸雨落到地面而没有中和,就会使土壤、湖泊和河流酸化。当湖水或河水的pH值降至5以下时,盆地内土壤和沉积物中的金属(如铝)会溶解到水中,对鱼类造成毒害,严重影响其繁殖和发育。水的酸化也会导致水生生物的组成和结构发生变化。耐酸的藻类和真菌会增加,而生根的植物、细菌和无脊椎动物会减少,有机物的分解速率会降低。因此,酸化的湖泊和河流中的鱼类数量减少。瑞典南部、挪威和美国东北部的许多湖泊已经变成了没有鱼的死湖。比如美国东部的阿迪朗达克山脉,海拔700米以上的湖泊,一半以上的pH值在5以下,90%没有鱼。在1929 -1937年期间,只有4%的湖泊的酸碱度低于5,或者没有鱼。目前,瑞典已有18000多个大中型湖泊酸化,其中约4000个严重酸化,对水生生物造成了极大的损害
酸雨的官方名称是酸沉降,分为“湿沉降”和“干沉降”两类。前者是指所有以雨、雪、雾或冰雹等降水方式落到地面的气态污染物或颗粒状污染物;后者是指雨天从空中落下的降尘所携带的酸性物质。酸雨是指PH值小于5.6的雨、雪或其他形式的降水。雨水被大气中的酸性气体污染了。酸雨主要是由人为向大气中排放大量酸性物质造成的。我国的酸雨主要是由于大量燃烧含硫量高的煤造成的,多为硫酸雨,很少出现硝酸雨。此外,各种机动车排放的尾气也是造成酸雨的重要原因。
2)酸雨的形成
(1)自然排放源。1.海洋:海洋薄雾,将一些硫酸带入空气中。2.生物:土壤中的一些生物,如动物尸体和植物的枯叶,在细菌的作用下,可以分解一些硫化物,然后转化为二氧化硫。3.火山爆发:喷出大量二氧化硫气体。4.森林火灾:闪电和干热引起的森林火灾也是硫氧化物的自然排放源,因为树木也含有微量的硫。5.闪电:高空雨和云闪电,能量很强,可以将空气中的氮气和氧气结合形成一氧化氮,然后在对流层被氧化成二氧化氮。N2 O2=2NO,2NO O2=2NO2排放氮氧化物化合物,其为氮氧化物和二氧化氮的总和,并与空气中的水蒸气反应形成硝酸3NO2 H2O=2HNO3 NO 6。细菌分解:即使是未施肥的土壤也含有微量的硝酸盐,土壤中的硝酸盐在土壤细菌的帮助下可以分解成一氧化氮、二氧化氮等气体。(2)人工排放源。煤、石油和天然气的化石燃烧料燃烧,无论是煤,或石油,或天然气都是在地下埋藏若干亿年,由古代的动植物化石转化而来,故称做化石燃料。科学家粗略估计,1990年我国化石燃料约消耗近700百万吨;仅占世界消耗总量的12%,人均相比并不惊人;但是我国近几十年来,化石燃料消耗的增加速度实在太快,1950年至1990年的四十年间,增加了30倍,不能不引起足够重视。煤中含有硫,燃烧过程中生成大量二氧化硫,此外煤燃烧过程中的高温使空气中的氮气和氧气化合为一氧化氮,继而转化为二氧化氮,造成酸雨。
3) 酸雨的危害
酸雨危害是多方面的,包括对人体健康、生态系统和建筑设施都有直接和潜在的危害。酸雨可使儿童免疫功能下降,慢性咽炎、支气管哮喘发病率增加,同时可使老人眼部、呼吸道患病率增加。硫和氮是植物生长不可或缺的营养元素,弱酸性降水可溶解地壳中的矿物质,供动、植物吸收。但如果酸度过高,例如pH值降到5以下,就可能使生态系统遭受损害。在土壤盐基饱和度低的地区或土层薄的岩石地区,酸性雨水降落地面后得不到中和,就会使土壤、湖泊、河流酸化。当湖水或河水的pH值降到5以下时,流域内的土壤和水体底泥中的金属(例如铝)就会被溶解进入水中,毒害鱼类,使其繁殖和发育受到严重影响。水体酸化还会导致水生生物的组成结构发生变化,耐酸的藻类、真菌增多,而有根植物、细菌和无脊椎动物减少,有机物的分解率降低。因此,酸化的湖泊、河流中鱼类减少。酸雨还会抑制土壤中有机物的分解和氮的固定,淋洗与土壤粒子结合的钙、镁、钾等营养元素,使土壤贫瘠化。众所周知,大理石的主要成分是碳酸钙(CaCO3),因而极易被酸腐蚀。世界上的一些知名建筑都在遭受着酸雨的侵蚀。例如,有两座高157米尖塔的著名德国科隆大教堂,石壁表面已腐蚀得凹凸不平,“酸筋”累累,通向人口处的天使和玛丽亚石像剥蚀得已经难以恢复。其中的砂岩(更易腐蚀)石雕近15年间甚至腐蚀掉了10个厘米。已经进入《世界遗产名录》的著名印度泰姬陵,由于大气污染和酸雨的腐蚀,大理石失去光泽,乳白色逐渐泛黄,有的变成了锈色。中国北京国子监街孔庙内的“进士题名碑林”(共198块)距今已有700年历史,上面共镑刻了元、明、清三代51624名中第进士的姓名、籍贯和名次,是研究中国古代科举考试制度的珍贵实物资料,已被列为国家级文物重点保护单位。近年来,许多石碑表面因大气污染和酸雨出现了严重腐蚀剥落现象,具有珍贵历史价值的石碑已变得面目皆非。
酸雨
PH值小于5。6的雨叫做酸雨。
酸雨的发现
近代工业革命,从蒸气机开始,锅炉烧煤,产生蒸汽,推动机器;而后火力电厂星罗齐布,燃煤数量日益猛增。遗憾地是,煤含杂质硫,约百分之一,在燃烧中将排放酸性气体 SO2;燃烧产生的高温尚能促使助燃的空气发生部分化学变化,氧气与氮气化合,也排放酸性气体NOx。
它们在高空中为雨雪冲刷,溶解,雨成为了酸雨;这些酸性气体成为雨水中杂质硫酸根、硝酸根和铵离子。1872年英国科学家史密斯分析了伦顿市雨水成份,发现它呈酸性,且农村雨水中含碳酸铵,酸性不大;郊区雨水含硫酸铵,略呈酸性;市区雨水含硫酸或酸性的硫酸盐,呈酸性。
于是史密斯首先在他的著作《空气和降雨:化学气候学的开端》中提出“酸雨”这一专有名词。
什么是酸雨
简单地说,酸雨就是酸性的雨。什么是酸 纯水是中性的,没有味道;柠檬水,橙汁有酸味,醋的酸味较大,它们都是弱酸;小苏打水有略涩的碱性,而苛性钠水就涩涩的,碱味较大,它们是碱。
科学家发现酸味大小与水溶液中氢离子浓度有关;而碱味与水溶液中羟基离子浓度有关;然后建立了一个指标:氢离子浓度对数的负值,叫pH值。于是,纯水的pH值为7;酸性越大,pH值越低;碱性越大,pH值越高。未被污染的雨雪是中性的,pH值近于7;当它为大气中二氧化碳饱和时,略呈酸性,pH值为5。
65。被大气中存在的酸性气体污染,pH值小于5。65的雨叫酸雨;pH值小于5。65的雪叫酸雪;在高空或高山(如峨眉山)上弥漫的雾,pH值小于5。65时叫酸雾。
什麽是酸雨率
一年之内可降若干次雨, 有的是酸雨, 有的不是酸雨, 因此一般称某地区的酸雨率为该地区酸雨次数除以降雨的总次数。
其最低值为0%; 最高值为100%。如果有降雪, 当以降雨视之。
有时, 一个降雨过程可能持续几天, 所以酸雨率应以一个降水全过程为单位, 即酸雨率为一年出现酸雨的降水过程次数除以全年降水过程的总次数。
除了年均降水pH值之外, 酸雨率是判别某地区是否为酸雨区的又一重要指标。
什麽是酸雨区
某地收集到酸雨样品, 还不能算是酸雨区, 因为一年可有数十场雨, 某场雨可能是酸雨, 某场雨可能不是酸雨, 所以要看年均值。目前我国定义酸雨区的科学标准尚在讨论之中, 但一般认为: 年均降水pH值高于5。65, 酸雨率是0-20% , 为非酸雨区; pH值在5。
30–5。60之间, 酸雨率是10–40% , 为轻酸雨区; pH值在5。00–5。30之间, 酸雨率是30-60%, 为中度酸雨区; pH值在4。70–5。00之间, 酸雨率是50-80%, 为较重酸雨区; pH值小于4。70, 酸雨率是70-100%, 为重酸雨区。
这就是所谓的五级标准。其实, 北京, 西宁, 兰州, 乌鲁木齐等市也收集到几场酸雨, 但年均pH值和酸雨率都在非酸雨区标准内, 故为非酸雨区。
酸雨的成因
酸雨的成因是一种复杂的大气化学和大气物理的现象。酸雨中含有多种无机酸和有机酸,绝大部分是硫酸和硝酸。
工业生产、民用生活燃烧煤炭排放出来的二氧化硫,燃烧石油以及汽车尾气排放出来的氮氧化物,经过“云内成雨过程”,即水气凝结在硫酸根、硝酸根等凝结核上,发生液相氧化反应,形成硫酸雨滴和硝酸雨滴;又经过“云下冲刷过程”,即含酸雨滴在下降过程中不断合并吸附、冲刷其他含酸雨滴和含酸气体,形成较大雨滴,最后降落在地面上,形成了酸雨。
我国的酸雨是硫酸型酸雨。
酸雨的危害
硫和氮是营养元素。弱酸性降水可溶解地面中矿物质,供植物吸收。如酸度过高,pH值降到5。6以下时,就会产生严重危害。它可以直接使大片森林死亡,农作物枯萎;也会抑制土壤中有机物的分解和氮的固定,淋洗与土壤离子结合的钙、镁、钾等营养元素,使土壤贫瘠化;还可使湖泊、河流酸化,并溶解土壤和水体底泥中的重金属进入水中,毒害鱼类;加速建筑物和文物古迹的腐蚀和风化过程;可能危及人体健康。
治理措施
控制酸雨的根本措施是减少二氧化硫和氮氧化物的排放。
酸雨、生物防治
世界观察研究不久前发表的1994年全球趋势报告《1994年生命特征》中说:总的来看,地球的情况并不太好,在所有衡量地球健康状况的指标中,我们仅成功地扭转了一项指标的恶化―使臭氧层出现空洞的氟里昂的减少。
碳排放量没有减少,大气污染日益严重。据统计,人类每年向大气层排放SO2约1亿吨,NO2约5000万吨。全世界城市人口中有一半左右生活在SO2超标的大气环境中,有10亿人生活在颗粒物超标的环境中。大气污染已成为隐蔽的杀手。而SO2则是罪魁祸首。
最近,欧洲的26个国家和加拿大,在联合国欧洲经济委员会提出的一份新协议上签了字,休证把本国SO2的排放量减少87%,美国也承诺到了2010年将SO2的排放量减少80%。欧洲国家和加拿大称赞这项新协议是防治大气污染的一个里程碑。 SO2不仅污染空气、危害人类健康,而且是形成酸雨的主要物质。
大气中的SO2和NO2,在空气在氧化剂的作用下溶解于雨水中。当雨水、冻雨、雪和雹等大气降水的pH小于5。6时,即是酸雨。据美国有关部门测定,酸雨中硫酸占60%,硝酸占33%,盐酸占6%,其余是碳酸和少量有机酸。
酸雨给地球生态环境和人类的社会经济带来严重的影响和破坏,酸雨使土壤酸化,降低土壤肥力,许多有毒物质被值物根系统吸收,毒害根系,杀死根毛,使植物不能从土壤中吸收水分和养分,抑制植物的生长发育。
酸雨使河流、湖泊的水体酸化,抑制水生生物的生长和繁殖,甚至导致鱼苗窒息死亡;酸雨还杀死水中的浮游生物,减少鱼类食物来源,使水生生态系统紊乱;酸雨污染河流湖泊和地下水,直接或间接危害人体健康。酸雨通过对植物表面(叶、茎)的淋洗直接伤害或通过土壤的间接伤害,促使森林衰亡,酸雨还诱使病虫害暴发,造成森林大片死亡。
欧洲每年排出2200万吨硫,毁灭了大片森林。我国四川、广西等省区已有10多万公顷森林濒临死亡。酸雨对金属、石料、木料、水泥等建筑材料有很经的腐蚀作用,世界已有许多古建筑和石雕艺术品遭酸雨腐蚀破坏,如加拿大的议会大厦、我国的乐山大佛等。酸雨还直接危害电线、铁轨、桥梁和房屋。
目前,世界上已形成了三大酸雨区,一是以德、法、英等国家为中心,涉及大半个欧洲的北欧酸雨区。二是50年代后期形成的包括美国和加拿大在内的北美酸雨区。这两个酸雨区的总面积已达1000多万平方千米,降水的pH小于5。0,有的甚至小于4。0。我国在70年代中期开始形成的覆盖四川、贵州、广东、广西、湖南、湖北、江西、浙江、江苏和青岛等省市部分地区,面积为200万平方千米的酸雨区是世界第三大酸雨区。
我国酸雨区面积虽小,但发展扩大之快,降水酸化速率之高,在世界上是罕见的。由于大气污染是不分国界的,所以酸雨是全球性的灾害。
酸雨的危害已引起世界各国的普遍关注。联合国多次召开国际会议讨论酸雨问题。许多国家把控制酸雨列为重大科研项目。全世界已有40多个国家通过有关污染限制汽车排污。
1993年在印度召开的”无害环境生物技术应用国际合作会议”上,专家们提出了利用生物技术预防、阻止和逆转环境恶化,增强自然资源的持续发展和应用,保持环境完整性和生态平衡的措施。专家们认为:利用生物技术治理环境具有巨大的潜力。煤是当前最重要的能源之一,但煤中含有硫,燃烧时放出SO2等有害气体。
煤中的硫有无机硫和有机硫两种。无机硫大部分以矿物质的形式存在,其中主要的是黄铁矿(FeS2)。生物学家利用微生物脱硫,将2价铁变成3价铁,把单体硫变成硫酸,取得了很好效果。例如,日本中央电力研究所从土壤中分离出一种硫杆菌,它是一种铁氧化细菌,能有效地去除煤中的无机硫。
美国煤气研究所筛选出一种新的微生物菌株,它能从煤中分离有机硫而不降低煤的质量。捷克筛选出的一种酸热硫化杆菌,可脱除黄铁矿中75%的硫。据1991年统计,捷克利用生物技术已平均脱去煤中无机硫的78。5%,有机硫的23。4%,目前,科学家已发现能脱去黄铁矿中硫的微生物还有氧化亚铁硫杆菌和氧化硫杆菌等。
日本财团法人电力中央研究所最近开发出的利用微生物胶硫的新技术,可除去70%的无机硫,还可减少60%的粉尘。这种技术原理简单,设备价廉,特别适合无力购买昂贵脱硫设备的发展中国家使用。生物技术脱硫符合”源头治理”和”清洁生产”的原则,因而是一种极有发展前途的治理方法,越来越受到世界各国的重视。
怎样减少酸雨?
酸雨是我们当今面临的、更为显著的空气质量问题之一。酸性物质以及导致形成酸性物质的化合物,是在燃烧矿物燃料来发电和提供运输时生成的。这些物质主要是从硫氧化物和氮氧化物衍生而成的酸。这些化合物也有一些天然来源,例如雷电、火山、生物物料燃烧和微生物活动,但除了罕见的火山爆发外,这些天然来源同来自汽车、电厂和冶炼厂的排放气相比,是相当小量的。
酸性雨水的影响在欧洲和美国东北部最明显,而且被大力宣传,但受威胁的地区还包括加拿大,也许还有加利福尼亚州塞拉地区、洛基山脉和中国。在某些地方,偶而观察到降下的雨水像醋那样酸。酸雨影响的程度是一个争论不休的主题。对湖泊和河流中水生物的危害是最初人们注意力的焦点,但现在已认识到,对建筑物、桥梁和设备的危害是酸雨的另一些代价高昂的后果。
污染空气对人体健康的影响是最难以定量确定的。
受到最大危害的是那些缓冲能力很差的湖泊。当有天然碱性缓冲剂存在时,酸雨中的酸性化合物(主要是硫酸、硝酸和少量有机酸)就会被中和。然而,处于花岗岩(酸性)地层上的湖泊容易受到直接危害,因为雨水中的酸能溶解铝和锰这些金属离子。
这能引起植物和藻类生长量的减少,而且在某些湖泊中,还会引起鱼类种群的衰败或消失。由这种污染形式引起的对植物的危害范围,包括从对叶片的有害影响直到细根系的破坏。
在美国东北部地区,减少污染物的主要考虑对象是那些燃烧高含硫量的煤发电厂。能防止污染物排放的化学洗气器是可能的补救办法之一。
化学洗气器是一种用来处理废气、或溶解、或沉淀、或消除污染物的设备。催化剂能使固定源和移动源的氮氧化物排放量减少,又是化学在改善空气质量方面能起作用的另一个实例。
用以减少酸雨的各种战略对策,可能每年需要几十亿美元的投资。由于耗资如此巨大,所以,至关重要的是要很好地了解涉及污染物迁移、化学转化和归宿的大气过程。
酸沉降包括两部分,即“湿”降水(如雨和雪的形式)和干沉降(气溶胶或气态酸性化合物的形式沉降到诸如土壤颗粒、植物叶片等表面上)。以被沉降而告终的物质,往往以一种极其不同的化学形式进入大气。例如,煤中的硫被氧化成二氧化硫,这是它从烟囱排出的气态形式。
随着它在大气中运动,便慢慢被氧化,并与水反应生成硫酸――这是它可能被沉降在下风向数百英里处的形式。
氮氧化物的生成、反应以及最终从大气中脱除所经历的路线也是非常复杂的。当氮气和氧气在发电厂、在民用炉灶和汽车发动机中的高温下加热时,生成一氧化氮(NO),再与氧化剂反应生成二氧化氮(NO2),最终生成硝酸(HNO3)。
全球氮氧化物衡算――它们来自何方及它们去往何方的定量估计值仍然相当不确定。
可以容易地看到,在我们彻底了解各种不同化学形式的氮、硫和碳的生物地球化学循环以及这些化学物种的全球来源与归宿之前,将难以满怀信心地选择空气污染控制战略。大气化学和环境化学是实现一个更清洁、更有益健康的环境的核心。
发展空气中痕量化学物种的可靠测定方法、重要大气反应的动力学、和发现可用以减少污染物排放的、新的、更有效的化学工艺,这些就是未来10年中必须受到国家承诺的目标。
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