《环境化学》中“光化学烟雾”与“硫酸烟雾”知识点解析*

闫叶寒，郑 玉，陈丽娟

(皖西学院环境与旅游学院，安徽 六安 237012)

“光化学烟雾”和“硫酸烟雾”选自戴树桂主编的第二版高等教育出版社《环境化学》第二章大气环境化学的章节[1]。“光化学烟雾”和“硫酸烟雾”均属于大气污染问题，涉及污染物如氮氧化物和硫氧化物的迁移转化，形成过程复杂多样，本文从两者的概念、成因、形成机制及其危害和措施四个方面阐述这两大环境问题，以帮助学生更好地理解学习两大烟雾的知识点。

1 光化学烟雾的概述

1.1 光化学烟雾的概念

氮氧化物和碳氢化合物等一次性污染物，在光照的条件下发生光化学反应，进而产生二次污染物，如硝酸、硝酸酯、过氧乙酰基硝酸酯(PAN)，这种一次污染物和二次污染物混合形成的烟雾污染现象，称为光化学烟雾。1943年美国洛杉矶首次出现了这种污染烟雾事件，故光化学烟雾又称洛杉矶烟雾。

1.2 光化学烟雾的成因

1.2.1 高浓度一次污染物

汽车尾气的排放是大气污染的“罪魁”，尤其未装净化装置的汽车尾气，包括NOx、COx、SOx、CxHx、铅化合物和苯并芘等主要污染物。其中高浓度的氮氧化合物、烯烃和芳烃是光化学烟雾污染形成的关键[2]。

1.2.2 适宜的气象条件

诱发光化学烟雾产生的气象条件包括强烈的日光、少量的云、较低的湿度、较高的气温(24 ℃以上)、低风速等综合参数。NO2在290～420 nm的辐射下，发生光化学反应，其光解是一系列链反应产生二次污染物的开始，为光化学烟雾的形成提供了先决条件，此外，低湿度、低风速的逆温天气造成了污染物的积累，烟雾的形成[3]。

1.2.3 适宜的地理地势

从全球来看，光化学烟雾还与地区纬度、海拔高度有关，中低纬度地区更容易发生，封闭环境更易发生光化学烟雾。如首次出现光化学烟雾的洛杉矶城市，其三面环山，不利于污染物的扩散，再加上汽车数量多、阳光强，都是光化学烟雾形成的有利条件[4]。

1.2 光化学烟雾形成机理

光化学烟雾是一个比较复杂的循环过程，如图1所示为光化学烟雾中自由基传递的示意图。

图1 光化学烟雾中自由基传递示意图

Seinfield利用以下12个反应来阐述光化学烟雾形成的简单机制，包括三个过程：

NO2+hNO+O·

第一个过程是光化学烟雾自由基的引发反应，即在波长λ<430 nm条件下，NO2发生光解，生成活性氧自由基O·，反应过程中NO2、NO、O2和O3不断地循环，但此循坏过程不能导致O3积累。

第二个过程是光化学烟雾的自由基传递反应。在这个过程中自由基得到转化和增值，根本原因是环境中存在大量的烃类物质，如HO·结合O2将烷烃(RH)和醛类(RCHO)氧化成RO2·(过氧烷基)和RC(O)O2·(过氧酰基)。产生的过氧自由基如HO2·、RO2·和RC(O)O2·氧化性强进一步将NO氧化成NO2，与O3氧化NO形成竞争，当NO2达到较高浓度时，NO2解离出的O·与大气O2反应生成O3，大部分的NO被其他活性自由基氧化，所以O3消耗率降低，导致O3累积。

第三个过程是光化学烟雾的终止反应。其中，羟基自由基(HO·)与二氧化氮(NO2)反应生成硝酸(HNO3)是一个重要的终止污染反应，但在低层大气环境下，NO2的浓度较低，不易发生此反应。而终止反应主要依赖RC(O)O2·固定NO2产生PAN，同时PAN自身又分解，由于PAN的生成速率大约为分解速率的106倍，所以PAN为氮氧化物的最终主要归属。

反应持续循环发生，直至烃类消耗完，NO2的既起链引发作用，又起链终止作用，最终生成HNO3、H2O2、硝酸酯和PAN等污染物。

1.3 光化学烟雾的危害及措施

光化学烟雾含有NO2，烷烃RH、醛类，HNO3、H2O2、硝酸酯和PAN等污染物，具有强氧化性，能致使树林枯死，烟草、棉花、菠菜等农作物减产；污染严重时，空气中的悬浮气溶胶降低能见度，干扰居民正常生活和工业生产。比如PAN是极强的催泪剂，刺激人体眼睛和呼吸系统，甚至致癌。美国环保机构统计，每年58%的美国癌症患者是因光化学烟雾所致。

针对光化学烟雾的防控主要措施有：①控制反应活性高的有机物排放，如控制燃油汽车数量的增长或鼓励安装汽车尾气净化器，研发清洁能源汽车，控制污染源一次污染物排放；②喷洒适宜浓度的化学抑制剂，尤其是DEHA(二乙基羟胺)，可抑制链反应的发生；③扩大城市绿化面积，净化空气[5]。

2 硫酸烟雾的概述

2.1 硫酸烟雾的概念

由于燃煤而排放出来的SO2，颗粒物以及由SO2氧化形成的硫酸盐颗粒物所造成的大气烟雾现象称为硫酸烟雾，因其最早发生在英国伦敦，又称伦敦烟雾。

2.2 硫酸烟雾的成因

(1)高浓度一次污染物

为了寒冬取暖和工业发展，含硫燃料的大量使用产生了碳烟和煤烟，包括SO2、CO、CO2、各类活性碳氢化合物及悬浮颗粒物。二氧化硫在光化学氧化、液相氧化后吸附于大气颗粒物形成还原型气溶胶污染物。

(2)适宜的气象条件

气候温和湿润，大气相对湿度较高，利于SO2溶于水汽或溶解于凝结核表面所吸附的水中，同时污染大气中存在臭氧、过氧化氢、铁离子、锰离子等强氧化剂和过渡金属离子，可将溶于水中的SO2氧化成硫酸或硫酸盐。冬季气温低，风速小，且日光较弱，高云阻挡太阳光对地面的辐射，地面迅速降温形成逆温结层，为硫酸烟雾的形成创造了条件。

2.3 硫酸烟雾形成机理

排入大气的SO2通过多种途径发生气相氧化或液相氧化，最终吸附于尘粒上形成可吸入颗粒物。

(1)气相氧化

SO2吸收紫外光以直接或间接的方式跃迁到3SO2，然后再进行氧化分解：

另一种方式是直接被较强氧化性的自由基如RO·、RO2·和RC(O)O2·等氧化成SO3。

(2)液相氧化

由于高浓度NO2的污染空气中存在O3，此时O3可将SO2氧化；在pH为0～8范围内，H2O2也可氧化SO2；同时烟气中有过渡金属离子，对SO2具有催化氧化作用，加快反应速率。

2.4 硫酸烟雾的危害及措施

硫酸烟雾污染物从多个方面危害人体健康，主要表现为呼吸道疾病与生理机能障碍，以及眼鼻等粘膜组织受到刺激而患病，并且这种危害具有即时性和长期性。据一项研究显示，那些在子宫内或出生后第一年暴露在大烟雾中的儿童，患哮喘的可能性更大。对植物的危害也十分明显，尤其SO2污染物，高浓度时造成植物叶片损伤、枯萎脱落等急性危害；低浓度时通过硫的同化作用会对植物产生叶片褪绿、生理机能受阻而减产等慢性危害。此外，SO2随自然界的降水下落，可将纸品、皮革制品、纺织品等腐蚀破碎，金属防锈涂料变质而降低保护作用，还会腐蚀建筑物[6]。

针对硫酸型烟雾的特点，可以采用工业使用脱硫煤，采用化学法或物理法吸收废气中的二氧化硫等措施改善；城市种植对SO2修复能力强的物种，比如加拿大杨、旱柳、花曲柳。

3 硫酸烟雾与光化学烟雾的比较

表1直观详细地比较了硫酸烟雾和光化学烟雾的污染物来源、类型、以及发生的气象条件，但都属于大气污染，均与人体呼吸系统息息相关。

表1 硫酸烟雾与光化学烟雾比较

4 结 语

光化学烟雾和硫酸烟雾属于大气污染问题，前者主要由汽车尾气引起，后者主要由燃煤引起，通过列举两者的概念、形成条件、形成机理以及危害和措施，使学生们更加深入地了解两种烟雾现象，帮助学生更好的理解学习。