淺析我國光化學煙霧的形成及防治

宋雨桐

（蘇州科技大學，江蘇蘇州 215009）

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

1 光化學煙霧概述

1.1 光化學煙霧的概念

大氣中的氮氧化物（NOX）和非甲烷碳氫化合物（NMHC）等大氣一次污染物，在強烈陽光的照射下，會發生一系列光化學反應，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、有機酸和無機酸（如HNO3）等氧化性很強的二次污染物，這種由參與光化學反應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象，稱為光化學煙霧[1]。

1.2 光化學煙霧的危害

1.2.1 對人體和動物健康的危害

據對動物的試驗研究表明，吸入過量的O3會對生命體的局部機制造成危害，如肺部發炎等。若吸入濃度過高，會對肺部結構功能造成不可逆轉的損害。光化學煙霧的其他污染物成分，如PAN、醛類等超過一定濃度時，也會對生物體的眼部和呼吸系統產生明顯的刺激性。據資料統計[2]，在美國加利福尼亞州，有3/4的居民由于光化學煙霧污染而患上紅眼病；在1970年的日本東京，有20 000人因光化學煙霧患上了紅眼病。

1.2.2 對植物的危害

光化學煙霧對農作物、樹木及其他植物的影響甚至比對人體的影響更加嚴重。臭氧會削弱植物的光合作用，抑制植物的正常生長，使農作物產量減少，質量變差。此外，光化學煙霧還會降低農作物抵抗害蟲的能力，加劇病蟲害的發展和蔓延，威脅生態環境的平衡性。

1.2.3 對大氣能見度的影響

光化學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，且會影響光的散射，從而導致大氣能見度降低。由此一來，就會阻礙汽車、火車、飛機等交通工具的正常運行，可能誘發交通事故[3]。

1.2.4 其他危害

光化學煙霧中的O3還能和有機物發生反應，加速橡膠制品的龜裂和老化；光化學煙霧中還含有一定量的硝酸，會形成酸雨，腐蝕建筑材料、設備器械和衣物等，加速染料褪色。

1.3 光化學煙霧的形成

1.3.1 形成條件

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

1.3.2 簡化機理

研究表明[5]，當氮氧化物和碳氫化合物在紫外線下共存時，會經歷以下3個反應過程：（1）NO2光解產生氧原子，從而生成O3；（2）非甲烷碳氫化合物消耗，氧化生成HO·、RO2·等活性自由基；（3）活性自由基引起NO向NO2轉化，又提供了生成臭氧的NO2來源，反復進行鏈式反應，最后碳氫化合物和NO全部消失，形成PAN、臭氧、醛類等二次污染物。光化學煙霧的形成過程可見示意圖1。

圖1 光化學煙霧的形成過程示意圖

2 我國光化學煙霧污染現狀

20世紀70年代初，我國的能源結構以煤炭為主，主要的大氣污染物為煤炭燃燒后產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內，發生了小學生一進教室上課就流淚的奇怪狀況。經過一系列的大氣物理和大氣化學綜合研究，證明為光化學煙霧。1986年夏季，北京也出現了類似的光化學煙霧污染現象[6]。

近年來，隨著我國經濟的高速發展和城市化進程的加快，部分城市的大氣污染由煤煙型向光化學煙霧型轉化，或為呈現二者綜合型的污染特征。我國光化學煙霧主要集中發生在機動車保有量較大、石油化工區密集的大、中城市。我國中、南部地區，特別是沿海城市，也發生過或面臨光化學煙霧的威脅，上海、深圳、廣州等城市也頻繁觀測到光化學煙霧污染的現象。另外，PM2.5也是近些年來大氣環境污染的熱點問題。光化學煙霧中的氮氧化物與VOCs能夠增強大氣的氧化性，加強PM2.5在大氣中的“生存能力”[7]。因此，對于光化學煙霧形成和防治的研究是非常有必要的。

3 光化學煙霧的防治對策

3.1 控制污染源，減少碳氫化合物和氮氧化物的排放

采取有效的措施來抑制光化學煙霧的形成，是控制光化學煙霧污染的根本措施，即控制光化學污染物前體——碳氫化合物和氮氧化物的排放。此二者的來源主要有交通工具排放、化工企業排放和取暖設施排放3個方面[8]。因此，控制污染源的具體措施也應從這3個方面入手。

3.1.1 減少汽車尾氣中碳氫化合物和氮氧化物的排放量

（1）改善機動車裝置：燃料在機動車發動機氣缸內燃燒時，由于含有C、H、O以外的雜質，會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、碳氫化合物、氮氧化物、甲醛等臭氣。為防止這些污染物質隨尾氣一同被排放到大氣中，可改善機動車的裝置，如改進發動機工作技術、為汽車安裝尾氣凈化裝置等。（2）改善運行工況：隨著我國汽車數量的逐年增加，城市車流量迅速增長，然而交通基礎設施和交通管理建設與之不平衡，導致城市機動車運行工況惡化，從而加劇了機動車尾氣排放對大氣的污染。因此，可通過改善道路基礎設施（如拓寬道路、建設立體交通網等）、優先發展公共交通、結合高科技手段使交通管理科學化、提高城市規劃水平等來改善運行工況。

3.1.2 改進能源結構

推廣燃煤電廠使用煙氣脫N技術、改變汽油成分或尋找污染更小的替代能源做燃料，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、地熱能、風能、潮汐能等清潔能源。

3.1.3 區域集中供熱

取締市區矮小煙囪，設立大規模的熱電廠和供熱站，發展區域集中供熱供暖。

3.2 合理使用化學抑制劑，控制光化學煙霧的生成

光化學煙霧的形成屬于鏈式反應，化學抑制劑可以通過消除自由基來抑制光化學煙霧的生成。根據光化學煙霧的形成機理可知，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，來有效控制光化學煙霧的形成。其中，二乙基羥胺效果最好[9]，其作用機理為：

3.3 加強監測，因地制宜建立區域管控機制

光化學煙霧中，當臭氧濃度達到0.08 mg/L時，接近危險水平；當臭氧濃度達到0.2 mg/L時，開始對人體健康有害；當臭氧濃度達到1.0 mg/L時，會對人體健康造成嚴重危害。因此，應構建因地制宜的光化學污染監測網絡，科學合理地布設監測點位，特別是在機動車保有量較大的城市，更應加強O3濃度的長期監測，及時預警[10]。

4 結語

綜上所述，光化學煙霧不僅危害人體健康，還會對社會生活、城市環境帶來一定的不利影響，更會對生態環境的平衡造成威脅。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，一般在太陽輻射強度較大、風速較低、大氣擴散條件較差、存在逆溫現象的地區容易產生。為了有效地防止光化學煙霧，可采取控制污染源、使用化學抑制劑、加強監測并構建因地制宜的區域管控機制等對策。