浅析我国光化学烟雾的形成及防治

宋雨桐

（苏州科技大学，江苏苏州 215009）

一直以来，环境问题都是世界各国普遍关注的焦点，大气污染问题更是其中一个热点问题。我国作为世界上最大的发展中国家，近些年来经济增长迅速，城市化进程不断加快，所带来的大气污染更是不容忽视。20世纪40年代，美国洛杉矶发生的让人闻之色变的光化学烟雾，如今在我国的一些城市也有出现。光化学烟雾一旦形成，不仅危害人体健康，损害城市环境，还会对生态平衡造成巨大的威胁。因此，深入研究光化学烟雾的形成机理并针对我国具体实情提出一些具有可行性的防治对策是非常有必要的。

1 光化学烟雾概述

1.1 光化学烟雾的概念

大气中的氮氧化物（NOX）和非甲烷碳氢化合物（NMHC）等大气一次污染物，在强烈阳光的照射下，会发生一系列光化学反应，从而生成臭氧(O3)、过氧乙酰硝酸酯（PAN）、过氧化氢（H2O2）、醛（RCHO）、高活性自由基、有机酸和无机酸（如HNO3）等氧化性很强的二次污染物，这种由参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物（气体混合物或气溶胶）所形成的烟雾污染现象，称为光化学烟雾[1]。

1.2 光化学烟雾的危害

1.2.1 对人体和动物健康的危害

据对动物的试验研究表明，吸入过量的O3会对生命体的局部机制造成危害，如肺部发炎等。若吸入浓度过高，会对肺部结构功能造成不可逆转的损害。光化学烟雾的其他污染物成分，如PAN、醛类等超过一定浓度时，也会对生物体的眼部和呼吸系统产生明显的刺激性。据资料统计[2]，在美国加利福尼亚州，有3/4的居民由于光化学烟雾污染而患上红眼病；在1970年的日本东京，有20 000人因光化学烟雾患上了红眼病。

1.2.2 对植物的危害

光化学烟雾对农作物、树木及其他植物的影响甚至比对人体的影响更加严重。臭氧会削弱植物的光合作用，抑制植物的正常生长，使农作物产量减少，质量变差。此外，光化学烟雾还会降低农作物抵抗害虫的能力，加剧病虫害的发展和蔓延，威胁生态环境的平衡性。

1.2.3 对大气能见度的影响

光化学烟雾能与大气中的粒状污染物（如水汽、酸雾、烟尘等）混合，形成气溶胶，其颗粒大小只有0.3～1.0 μm，不易沉降，且会影响光的散射，从而导致大气能见度降低。由此一来，就会阻碍汽车、火车、飞机等交通工具的正常运行，可能诱发交通事故[3]。

1.2.4 其他危害

光化学烟雾中的O3还能和有机物发生反应，加速橡胶制品的龟裂和老化；光化学烟雾中还含有一定量的硝酸，会形成酸雨，腐蚀建筑材料、设备器械和衣物等，加速染料褪色。

1.3 光化学烟雾的形成

1.3.1 形成条件

由光化学烟雾的概念可知，光化学烟雾的形成受污染物排放量、物理过程及化学过程的影响。因此，光化学烟雾的形成必须具备以下3个条件。（1）前体污染物条件：光化学烟雾的前体污染物主要有大气中的CO、NMHC和NOX等，当这些化合物的浓度达到一定值时，就有可能发生光化学反应，形成光化学烟雾。（2）气象条件：要想促使前体污染物发生光化学反应形成光化学烟雾，还需具备一定的气象条件。强度较大的太阳辐射（可加快光化学反应的引发速率）、较差的大气扩散条件（如风速较低，可促进前体污染物浓度的积累）以及逆温现象的存在（温度影响产生O3的反应并决定混合层的高度）均有利于光化学反应的发生，从而形成光化学烟雾[4]。（3）地理条件：光化学烟雾的产生地多为比较封闭的地理环境（如山谷地形）。原因是该环境风速低，不利于一次污染物及二次污染物的扩散和稀释，易造成大气中O3等光化学污染物的积累。

1.3.2 简化机理

研究表明[5]，当氮氧化物和碳氢化合物在紫外线下共存时，会经历以下3个反应过程：（1）NO2光解产生氧原子，从而生成O3；（2）非甲烷碳氢化合物消耗，氧化生成HO·、RO2·等活性自由基；（3）活性自由基引起NO向NO2转化，又提供了生成臭氧的NO2来源，反复进行链式反应，最后碳氢化合物和NO全部消失，形成PAN、臭氧、醛类等二次污染物。光化学烟雾的形成过程可见示意图1。

图1 光化学烟雾的形成过程示意图

2 我国光化学烟雾污染现状

20世纪70年代初，我国的能源结构以煤炭为主，主要的大气污染物为煤炭燃烧后产生的二氧化硫和烟尘。1974年夏季，甘肃省兰州市的西固化工园区内，发生了小学生一进教室上课就流泪的奇怪状况。经过一系列的大气物理和大气化学综合研究，证明为光化学烟雾。1986年夏季，北京也出现了类似的光化学烟雾污染现象[6]。

近年来，随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，部分城市的大气污染由煤烟型向光化学烟雾型转化，或为呈现二者综合型的污染特征。我国光化学烟雾主要集中发生在机动车保有量较大、石油化工区密集的大、中城市。我国中、南部地区，特别是沿海城市，也发生过或面临光化学烟雾的威胁，上海、深圳、广州等城市也频繁观测到光化学烟雾污染的现象。另外，PM2.5也是近些年来大气环境污染的热点问题。光化学烟雾中的氮氧化物与VOCs能够增强大气的氧化性，加强PM2.5在大气中的“生存能力”[7]。因此，对于光化学烟雾形成和防治的研究是非常有必要的。

3 光化学烟雾的防治对策

3.1 控制污染源，减少碳氢化合物和氮氧化物的排放

采取有效的措施来抑制光化学烟雾的形成，是控制光化学烟雾污染的根本措施，即控制光化学污染物前体——碳氢化合物和氮氧化物的排放。此二者的来源主要有交通工具排放、化工企业排放和取暖设施排放3个方面[8]。因此，控制污染源的具体措施也应从这3个方面入手。

3.1.1 减少汽车尾气中碳氢化合物和氮氧化物的排放量

（1）改善机动车装置：燃料在机动车发动机气缸内燃烧时，由于含有C、H、O以外的杂质，会使得燃料的燃烧不完全，因此排放的尾气中含有一定量的CO、碳氢化合物、氮氧化物、甲醛等臭气。为防止这些污染物质随尾气一同被排放到大气中，可改善机动车的装置，如改进发动机工作技术、为汽车安装尾气净化装置等。（2）改善运行工况：随着我国汽车数量的逐年增加，城市车流量迅速增长，然而交通基础设施和交通管理建设与之不平衡，导致城市机动车运行工况恶化，从而加剧了机动车尾气排放对大气的污染。因此，可通过改善道路基础设施（如拓宽道路、建设立体交通网等）、优先发展公共交通、结合高科技手段使交通管理科学化、提高城市规划水平等来改善运行工况。

3.1.2 改进能源结构

推广燃煤电厂使用烟气脱N技术、改变汽油成分或寻找污染更小的替代能源做燃料，推广使用天然气、煤气、液化石油气、电能等二次能源以及太阳能、地热能、风能、潮汐能等清洁能源。

3.1.3 区域集中供热

取缔市区矮小烟囱，设立大规模的热电厂和供热站，发展区域集中供热供暖。

3.2 合理使用化学抑制剂，控制光化学烟雾的生成

光化学烟雾的形成属于链式反应，化学抑制剂可以通过消除自由基来抑制光化学烟雾的生成。根据光化学烟雾的形成机理可知，可使用消除HO·自由基的抑制剂，如苯胺、苯酚、苯甲醛、二苯胺等，来有效控制光化学烟雾的形成。其中，二乙基羟胺效果最好[9]，其作用机理为：

3.3 加强监测，因地制宜建立区域管控机制

光化学烟雾中，当臭氧浓度达到0.08 mg/L时，接近危险水平；当臭氧浓度达到0.2 mg/L时，开始对人体健康有害；当臭氧浓度达到1.0 mg/L时，会对人体健康造成严重危害。因此，应构建因地制宜的光化学污染监测网络，科学合理地布设监测点位，特别是在机动车保有量较大的城市，更应加强O3浓度的长期监测，及时预警[10]。

4 结语

综上所述，光化学烟雾不仅危害人体健康，还会对社会生活、城市环境带来一定的不利影响，更会对生态环境的平衡造成威胁。其形成需要具备一定的前体污染物条件、气象因素和地理因素，一般在太阳辐射强度较大、风速较低、大气扩散条件较差、存在逆温现象的地区容易产生。为了有效地防止光化学烟雾，可采取控制污染源、使用化学抑制剂、加强监测并构建因地制宜的区域管控机制等对策。