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臭氧的形成和化学反应
来源:四川台盛环保设备有限公司 | 作者:四川台盛环保设备有限公司 | 发布时间: 2021-05-20 | 174 次浏览 | 分享到:
       臭氧,即三重态氧(O 3),是在能够吸收热量的第三体分子存在下,由双氧(O 2,正常氧分子)和单重态氧(O,氧原子)之间的反应形成的反应。高活性和短寿命的单线态氧(O)可以通过二氧化氮(NO 2)的光解或O 2的电离来产生。平流层和对流层中都存在本底臭氧。平流层臭氧集中在对流层顶(距地面约8至15公里之间),该区域称为臭氧层。平流层臭氧被称为“好”臭氧,因为臭氧层在吸收有害于地球生物的紫外线(UV-B)中起着至关重要的作用。由于在地面上直接与臭氧接触会损坏活细胞,器官和物种,包括人,动物和植物,因此对流层或地面臭氧被称为“坏”臭氧。

臭氧的循环

       臭氧自然从平流层流入对流层,在春季空气垂直流动达到北半球最大时,通常在春季达到峰值。大量涌入导致地面臭氧的背景水平升高。然而,对流层臭氧的主要来源是涉及挥发性有机化合物(VOC)和主要由NO 2和一氧化氮(NO)组成的氮氧化物(NO x)的光化学反应。在不存在或浓度非常低的VOC或一氧化碳(CO)的情况下,臭氧会达到稳定浓度,具体取决于太阳强度,环境温度以及NO 2浓度与NO浓度的比率。在这种情况下,一个NO 2该分子通过光解转化为一个O 3分子和一个NO分子。臭氧又被NO消耗以再生NO 2分子。该循环导致臭氧浓度的零累积。但是,VOC或CO参与一系列复杂的光化学反应,产生与臭氧竞争与NO反应的自由基。净效应包括臭氧的积累,VOCs氧化为含氧有机化合物,形成含氮化合物以及将CO氧化为CO 2。。由于许多含氧有机化合物和含氮有机化合物由于其挥发性低而存在于冷凝相中,因此它们被称为二次有机气溶胶(SOA)。由臭氧,SOA及其气态前体组成的整个混合物称为光化学烟雾。对流层中臭氧的产生如图1所示。

臭氧反应化学式

       平流层中的臭氧可以向下移动到对流层,从而导致地面臭氧的“本底”水平。但是,对流层中高水平的臭氧归因于涉及挥发性有机化合物(VOC)和氮氧化物(NO x:NO和NO 2)的光化学反应。人为排放(例如,化石燃料的燃烧)是负责NO X和主要负责的VOC和CO。树木也排放挥发性有机化合物的某些(例如,异戊二烯)。来自主要排放源的PM 2.5可以与(消耗)负责臭氧形成的自由基(例如,HO 2)反应,这部分解释了在某些区域中观察到的臭氧水平随PM 2.5而升高的现象。级别下降。hv,光子; VOCs,挥发性有机化合物;CO,一氧化碳;NO,一氧化氮;NO 2,二氧化氮;NO x,NO和NO 2 ; HO,羟基;HO 2,氢过氧自由基;PM 2.5,直径为2.5μm或更小的颗粒物。

       四川台盛环保设计该臭氧的形成机制(图1)解释了为什么升高的臭氧浓度在越来越多的世界,其中NO的人为排放周围地区发现了X,VOCs和CO一直在增加。化石燃料的燃烧发生在高温下有利于NOX的形成,而且化石燃料全球增加产生的能量(用于发电,运输,和家用烹饪和加热)是负责增加NO的排放量X。VOC的主要人为来源包括车辆废气,汽油和其他气体燃料(例如天然气和丙烷)的短时蒸发,生物质和化石燃料的燃烧以及工业溶剂的使用。最近的一项研究发现,消费品(例如农药,涂料,印刷油墨,粘合剂,清洁剂和个人护理产品)释放的挥发性化学物质已成为城市中挥发性有机化合物的主要来源(1)。某些挥发性有机化合物(例如,异戊二烯)的天然植物排放也有助于臭氧形成特别是在区域尺度(2 - 5)。

       臭氧的形成取决于与大气温度直接相关的太阳强度。具有讽刺意味的是,随着煤,柴油和生物质燃烧产生的碳质气溶胶(例如烟灰)的环境浓度降低,大气能见度增加,因此太阳光强度增加,有利于臭氧的形成。更重要的是,颗粒物(例如,空气动力学直径等于或小于2.5μm的颗粒,记为PM 2.5)可以充当导致臭氧形成的自由基的汇。最近的一项研究表明,PM 2.5降低了40%在华东平原的大城市群中,2013年至2017年期间华北平原2013年至2017年的臭氧趋势在一定程度上是导致臭氧趋势增加的原因(每年1-3 ppb)(6)。

气候变化对地面臭氧的影响
       臭氧本身是大气中的温室气体。因此,增加的地面臭氧会导致全球变暖。另一方面,气候变暖主要通过两种物理化学机制促进大气中臭氧的形成和积累。首先,在世界某些地区,气候变暖改变了湿度和风的条件,导致地面旋风的频率降低。将所得的更停滞大气条件降低NO的分散X和挥发性有机化合物,并延长了产生臭氧的反应时间。第二,通常通过升高大气温度来增强形成臭氧的反应。基于这些由气候引起的大气稳定性(空气停滞)和温度变化,预计到2050年,仅变暖一项就可能使美国东部的臭氧标准超标天数增加68%(7)。 。另一项研究预测,在美国大部分地区,区域气候的变化和全球臭氧的增加将增加地面臭氧。更具体地说,据预测,每天8小时最大臭氧的95%将从2012年的79 ppb增加到2050年的87 ppb(8)。同样,另一项预测分析通过整合来自美国东南部19个城市社区的气候模式输出数据,历史气象学和臭氧观测数据,估计2040年代平均臭氧浓度增加0.43 ppb(95%CI:0.14-0.75)。与2000年相比,仅由于气候变化(9)。

        气候变化也可以延长臭氧季节。例如,在美国,通常在夏天会出现较高的臭氧浓度。但是,在2000年代和2010年的10月中,美国东南部的秋季臭氧水平达到了夏季水平。这归因于在干燥和变暖条件下,水分紧迫植物的生物异戊二烯(臭氧的VOC前体)排放增加(10)。这一发现表明,未来发生干燥变暖的情况可能导致臭氧源季节从夏季延长到生物VOC排放量大的地区。