淺析我國光化學(xué)煙霧的形成及防治

宋雨桐

（蘇州科技大學(xué)，江蘇蘇州 215009）

一直以來，環(huán)境問題都是世界各國普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，大氣污染問題更是其中一個(gè)熱點(diǎn)問題。我國作為世界上最大的發(fā)展中國家，近些年來經(jīng)濟(jì)增長迅速，城市化進(jìn)程不斷加快，所帶來的大氣污染更是不容忽視。20世紀(jì)40年代，美國洛杉磯發(fā)生的讓人聞之色變的光化學(xué)煙霧，如今在我國的一些城市也有出現(xiàn)。光化學(xué)煙霧一旦形成，不僅危害人體健康，損害城市環(huán)境，還會(huì)對(duì)生態(tài)平衡造成巨大的威脅。因此，深入研究光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理并針對(duì)我國具體實(shí)情提出一些具有可行性的防治對(duì)策是非常有必要的。

1 光化學(xué)煙霧概述

1.1 光化學(xué)煙霧的概念

大氣中的氮氧化物（NOX）和非甲烷碳?xì)浠衔铮∟MHC）等大氣一次污染物，在強(qiáng)烈陽光的照射下，會(huì)發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，從而生成臭氧(O3)、過氧乙酰硝酸酯（PAN）、過氧化氫（H2O2）、醛（RCHO）、高活性自由基、有機(jī)酸和無機(jī)酸（如HNO3）等氧化性很強(qiáng)的二次污染物，這種由參與光化學(xué)反應(yīng)過程的一次污染物和二次污染物的混合物（氣體混合物或氣溶膠）所形成的煙霧污染現(xiàn)象，稱為光化學(xué)煙霧[1]。

1.2 光化學(xué)煙霧的危害

1.2.1 對(duì)人體和動(dòng)物健康的危害

據(jù)對(duì)動(dòng)物的試驗(yàn)研究表明，吸入過量的O3會(huì)對(duì)生命體的局部機(jī)制造成危害，如肺部發(fā)炎等。若吸入濃度過高，會(huì)對(duì)肺部結(jié)構(gòu)功能造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。光化學(xué)煙霧的其他污染物成分，如PAN、醛類等超過一定濃度時(shí)，也會(huì)對(duì)生物體的眼部和呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的刺激性。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[2]，在美國加利福尼亞州，有3/4的居民由于光化學(xué)煙霧污染而患上紅眼??；在1970年的日本東京，有20 000人因光化學(xué)煙霧患上了紅眼病。

1.2.2 對(duì)植物的危害

光化學(xué)煙霧對(duì)農(nóng)作物、樹木及其他植物的影響甚至比對(duì)人體的影響更加嚴(yán)重。臭氧會(huì)削弱植物的光合作用，抑制植物的正常生長，使農(nóng)作物產(chǎn)量減少，質(zhì)量變差。此外，光化學(xué)煙霧還會(huì)降低農(nóng)作物抵抗害蟲的能力，加劇病蟲害的發(fā)展和蔓延，威脅生態(tài)環(huán)境的平衡性。

1.2.3 對(duì)大氣能見度的影響

光化學(xué)煙霧能與大氣中的粒狀污染物（如水汽、酸霧、煙塵等）混合，形成氣溶膠，其顆粒大小只有0.3～1.0 μm，不易沉降，且會(huì)影響光的散射，從而導(dǎo)致大氣能見度降低。由此一來，就會(huì)阻礙汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的正常運(yùn)行，可能誘發(fā)交通事故[3]。

1.2.4 其他危害

光化學(xué)煙霧中的O3還能和有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，加速橡膠制品的龜裂和老化；光化學(xué)煙霧中還含有一定量的硝酸，會(huì)形成酸雨，腐蝕建筑材料、設(shè)備器械和衣物等，加速染料褪色。

1.3 光化學(xué)煙霧的形成

1.3.1 形成條件

由光化學(xué)煙霧的概念可知，光化學(xué)煙霧的形成受污染物排放量、物理過程及化學(xué)過程的影響。因此，光化學(xué)煙霧的形成必須具備以下3個(gè)條件。（1）前體污染物條件：光化學(xué)煙霧的前體污染物主要有大氣中的CO、NMHC和NOX等，當(dāng)這些化合物的濃度達(dá)到一定值時(shí)，就有可能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成光化學(xué)煙霧。（2）氣象條件：要想促使前體污染物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧，還需具備一定的氣象條件。強(qiáng)度較大的太陽輻射（可加快光化學(xué)反應(yīng)的引發(fā)速率）、較差的大氣擴(kuò)散條件（如風(fēng)速較低，可促進(jìn)前體污染物濃度的積累）以及逆溫現(xiàn)象的存在（溫度影響產(chǎn)生O3的反應(yīng)并決定混合層的高度）均有利于光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，從而形成光化學(xué)煙霧[4]。（3）地理?xiàng)l件：光化學(xué)煙霧的產(chǎn)生地多為比較封閉的地理環(huán)境（如山谷地形）。原因是該環(huán)境風(fēng)速低，不利于一次污染物及二次污染物的擴(kuò)散和稀釋，易造成大氣中O3等光化學(xué)污染物的積累。

1.3.2 簡化機(jī)理

研究表明[5]，當(dāng)?shù)趸锖吞細(xì)浠衔镌谧贤饩€下共存時(shí)，會(huì)經(jīng)歷以下3個(gè)反應(yīng)過程：（1）NO2光解產(chǎn)生氧原子，從而生成O3；（2）非甲烷碳?xì)浠衔锵?，氧化生成HO·、RO2·等活性自由基；（3）活性自由基引起NO向NO2轉(zhuǎn)化，又提供了生成臭氧的NO2來源，反復(fù)進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最后碳?xì)浠衔锖蚇O全部消失，形成PAN、臭氧、醛類等二次污染物。光化學(xué)煙霧的形成過程可見示意圖1。

圖1 光化學(xué)煙霧的形成過程示意圖

2 我國光化學(xué)煙霧污染現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代初，我國的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，主要的大氣污染物為煤炭燃燒后產(chǎn)生的二氧化硫和煙塵。1974年夏季，甘肅省蘭州市的西固化工園區(qū)內(nèi)，發(fā)生了小學(xué)生一進(jìn)教室上課就流淚的奇怪狀況。經(jīng)過一系列的大氣物理和大氣化學(xué)綜合研究，證明為光化學(xué)煙霧。1986年夏季，北京也出現(xiàn)了類似的光化學(xué)煙霧污染現(xiàn)象[6]。

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，部分城市的大氣污染由煤煙型向光化學(xué)煙霧型轉(zhuǎn)化，或?yàn)槌尸F(xiàn)二者綜合型的污染特征。我國光化學(xué)煙霧主要集中發(fā)生在機(jī)動(dòng)車保有量較大、石油化工區(qū)密集的大、中城市。我國中、南部地區(qū)，特別是沿海城市，也發(fā)生過或面臨光化學(xué)煙霧的威脅，上海、深圳、廣州等城市也頻繁觀測到光化學(xué)煙霧污染的現(xiàn)象。另外，PM2.5也是近些年來大氣環(huán)境污染的熱點(diǎn)問題。光化學(xué)煙霧中的氮氧化物與VOCs能夠增強(qiáng)大氣的氧化性，加強(qiáng)PM2.5在大氣中的“生存能力”[7]。因此，對(duì)于光化學(xué)煙霧形成和防治的研究是非常有必要的。

3 光化學(xué)煙霧的防治對(duì)策

3.1 控制污染源，減少碳?xì)浠衔锖偷趸锏呐欧?/h3>

采取有效的措施來抑制光化學(xué)煙霧的形成，是控制光化學(xué)煙霧污染的根本措施，即控制光化學(xué)污染物前體——碳?xì)浠衔锖偷趸锏呐欧?。此二者的來源主要有交通工具排放、化工企業(yè)排放和取暖設(shè)施排放3個(gè)方面[8]。因此，控制污染源的具體措施也應(yīng)從這3個(gè)方面入手。

3.1.1 減少汽車尾氣中碳?xì)浠衔锖偷趸锏呐欧帕?/p>

（1）改善機(jī)動(dòng)車裝置：燃料在機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒時(shí)，由于含有C、H、O以外的雜質(zhì)，會(huì)使得燃料的燃燒不完全，因此排放的尾氣中含有一定量的CO、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、甲醛等臭氣。為防止這些污染物質(zhì)隨尾氣一同被排放到大氣中，可改善機(jī)動(dòng)車的裝置，如改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作技術(shù)、為汽車安裝尾氣凈化裝置等。（2）改善運(yùn)行工況：隨著我國汽車數(shù)量的逐年增加，城市車流量迅速增長，然而交通基礎(chǔ)設(shè)施和交通管理建設(shè)與之不平衡，導(dǎo)致城市機(jī)動(dòng)車運(yùn)行工況惡化，從而加劇了機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)大氣的污染。因此，可通過改善道路基礎(chǔ)設(shè)施（如拓寬道路、建設(shè)立體交通網(wǎng)等）、優(yōu)先發(fā)展公共交通、結(jié)合高科技手段使交通管理科學(xué)化、提高城市規(guī)劃水平等來改善運(yùn)行工況。

3.1.2 改進(jìn)能源結(jié)構(gòu)

推廣燃煤電廠使用煙氣脫N技術(shù)、改變汽油成分或?qū)ふ椅廴靖〉奶娲茉醋鋈剂?，推廣使用天然氣、煤氣、液化石油氣、電能等二次能源以及太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、潮汐能等清潔能源。

3.1.3 區(qū)域集中供熱

取締市區(qū)矮小煙囪，設(shè)立大規(guī)模的熱電廠和供熱站，發(fā)展區(qū)域集中供熱供暖。

3.2 合理使用化學(xué)抑制劑，控制光化學(xué)煙霧的生成

光化學(xué)煙霧的形成屬于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，化學(xué)抑制劑可以通過消除自由基來抑制光化學(xué)煙霧的生成。根據(jù)光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理可知，可使用消除HO·自由基的抑制劑，如苯胺、苯酚、苯甲醛、二苯胺等，來有效控制光化學(xué)煙霧的形成。其中，二乙基羥胺效果最好[9]，其作用機(jī)理為：

3.3 加強(qiáng)監(jiān)測，因地制宜建立區(qū)域管控機(jī)制

光化學(xué)煙霧中，當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0.08 mg/L時(shí)，接近危險(xiǎn)水平；當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0.2 mg/L時(shí)，開始對(duì)人體健康有害；當(dāng)臭氧濃度達(dá)到1.0 mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。因此，應(yīng)構(gòu)建因地制宜的光化學(xué)污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)合理地布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位，特別是在機(jī)動(dòng)車保有量較大的城市，更應(yīng)加強(qiáng)O3濃度的長期監(jiān)測，及時(shí)預(yù)警[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，光化學(xué)煙霧不僅危害人體健康，還會(huì)對(duì)社會(huì)生活、城市環(huán)境帶來一定的不利影響，更會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的平衡造成威脅。其形成需要具備一定的前體污染物條件、氣象因素和地理因素，一般在太陽輻射強(qiáng)度較大、風(fēng)速較低、大氣擴(kuò)散條件較差、存在逆溫現(xiàn)象的地區(qū)容易產(chǎn)生。為了有效地防止光化學(xué)煙霧，可采取控制污染源、使用化學(xué)抑制劑、加強(qiáng)監(jiān)測并構(gòu)建因地制宜的區(qū)域管控機(jī)制等對(duì)策。