三明城区酸雨现象的研究

成员：黄诗鹭、陈天作、庄鑫、叶金荣、郑邦晓

课题组长：何叶龙    指导老师：杨丹

摘要：本文介绍了三明城区的大气污染之一——酸雨，对三明城区的酸雨作了粗略的研究以及详尽的研究报告，分析了酸雨的成因及其危害并且请教了专家和老师，希望我的研究能让大家更了解我们三明城区的酸雨状况，并且对此引起重视，保护我们共有的环境。

关键字：酸雨 三明 环境保护

 

一、背景

对下雨这一现象你一定非常熟悉，也许你还常在雨中嬉戏、打闹，可你知道天上还会下醋一样酸的雨吗？现代文明给人类带来进步,人类成了自然的主人；但享福过了头,自然又反过来惩罚人类,酸雨,人称“空中死神”，就是目前人类遇到的全球性区域灾难之一。在三明地区，存在着普遍的酸雨象，于是，我们对此作了研究。

 

二、什么是酸雨以及酸雨的形成

许多人对酸雨及其形成并不了解，我们有必要解释一下。

简单地说，酸雨就是酸性的雨。什么是酸? 纯水是中性的，没有味道；柠檬水，橙汁有酸味，醋的酸味较大，它们都是弱酸；小苏打水有略涩的碱性，而苛性钠水就涩涩的，碱味较大，它们是碱。科学家发现酸味大小与水溶液中氢离子浓度有关；而碱味与水溶液中羟基离子浓度有关；然后建立了一个指标：氢离子浓度对数的负值,叫pH值。于是，纯水的pH值为7；酸性越大，pH值越低；碱性越大,pH值越高。未被污染的雨雪是中性的，pH值近于7；当它为大气中二氧化碳饱和时，略呈酸性，pH值为5.65。被大气中存在的酸性气体污染,pH值小于5.65的雨叫酸雨；pH值小于5.65的雪叫酸雪；在高空或高山(如峨眉山)上弥漫的雾,pH值小于5.65时叫酸雾。

酸雨是怎样形成的呢？随着现代工业的发展，人们的生活水平迅速提高；而随着人口的剧增和城市化的加剧，煤和石油的耗用量也日益增加。煤和石油燃烧排放到大气中的二氧化硫和氮的氧化物越来越多，它们在大气中与水蒸汽混合，生成硫酸、硝酸和金属盐类的颗粒，降雨时，雨水夹带着这些酸性颗粒降到地面，形成了酸雨。

SO2是如何变成硫酸的呢？人类活动向大气排放的是SO2 气体, 即使它溶于雨水也只能成为酸性较弱的亚硫酸, 然而我们在雨水中测到的确是酸性较强的硫酸, SO2 是如何变成硫酸的? 这是通过三类反应实现的。气相光氧化反应：在纯净的空气中, SO2 难于光氧化。但在污染的空气中,某些有反应能力的基团后者在日光照射下将SO2氧化为SO3 , 再溶于水成为硫酸。这一反应在完全纯净的空气内, 进行极慢, 可以忽略不计; 在污染很轻的自然本底地区也很慢;但在污染严重的城市上空, 其速度可达本底地区的百倍之多。冬季阳光弱, 夏季阳光强, 其速率可高出前者近一倍。液相光氧化反应：日光下, 大气中的烃类与NOx 气相光氧化生成臭氧和过氧化氢, 它们在水滴内表现出很强的氧化能力, SO2 在水滴内被液相氧化为硫酸。固相光氧化反应：在污染的大气中悬浮着一定量颗粒物, 颗粒物可能来自土壤, 可能是烟囱排放的飞灰, 成份相当复杂, 但经化学分析, 一般含有微量的过渡金属铁, 铜的化合物, 它们恰恰是SO2 氧化为SO3 的多相催化剂, 在水滴内, 在这些颗粒物的表面上实现了SO2向硫酸的转变。

NOx是如何转化为硝酸的呢？NOx 是NO和NO2 的总称。NO当浓度较大时, 在空气中可被氧气自动氧化为NO2 , 而后溶于水成为硝酸。当被空气稀释后, 速度变慢;但是, 在污染的空气中, 由于存在光氧化活性基团，日光下, NO转化为NO2 的反应可在几分钟内完成。

 

三、我们的实验

我们为了证明酸雨的存在特别作了两个实验：测量三明城区酸雨的PH值和测量土壤的PH值。（实验误差是难免的）

1、测量三明城区酸雨的PH值

我们假设三明城区的雨水PH值在任何时候在三明钢铁场附近都呈酸性，而其他地方则呈中性。因为由于三明钢铁厂排放的氮氧化合物及硫氧化合物会导致酸雨的形成。

我们的实验用品有自制的雨水收集器、玻璃棒及精密PH试纸。

我们实验的过程：

1、漏斗及纸杯（或用去了头的1L的可乐瓶）作成雨水收集器，用蒸馏水洗干净后，然后密封备用。雨天时将容器放在能收集雨水的地方（但不是从落水管或屋檐落下的雨水等处进行收集）收集雨水样品。在盛放雨水样品的容器外壁标上样品收集的时间及地点等标签。

2、测量雨水的PH值：

用精密PH试纸测量雨水的PH值：用干净的玻璃棒蘸取少量的雨水置于不同的精密PH试纸上，雨水的酸性不同，试纸的颜色也不同，将它们和标准的比色卡对比，就能大致得出雨水PH值。记录下各个雨水样品的PH值。

我们将得来的数据制作成表格形式：

2003年10月份列西雨水样品测量数据表（时间-PH值表）

时间

PH值

13号上午

7．0

13号下午

6．5

14号上午

6．0

14号下午

6．0

15号上午

7．0

15号下午

7．0

22号下午

7．0

27号下午

7．0

28号上午

7．0

28号下午

7．0

28号晚上

7．0

2003年10月13号下午不同地区雨水样品测量数据表（地点-PH值）

地点

PH值

列东

7．5

列西

6．0

城关

7．0

2003年11月份雨水样品测量数据表

时间       地点

列东

列西

城关

23号上午

7．0

7．0

7．0

23号下午

7．5

6．0

7．0

24号上午

7．0

6．0

7．0

24号下午

7．0

7．0

7．0

通过表格我们对三明城区的PH值有呈酸性的趋势，并且在部分地区有呈“中性-酸性-中性”的变化作出了推断：由于三钢排放的氮氧化合物及硫氧化合物的影响，比较接近的列西地区会受到酸性雨的影响，从而雨水会有呈酸性；而由于列东附近化工厂及人们用煤的影响，列东地区的雨水呈碱性。而雨水呈“中性-酸性-中性”的转化是由于城区上空原先的高空云层有酸性成分，而低空含有少量的碱性颗粒物，在降雨时，酸性成分先与碱性成分进行中和反应，从而使开始的降雨PH值呈中性；在中和完毕后，过剩的酸性成分使余下的降雨呈酸性。由于城关地区是上风向，大多数的污染性气体会由于风力的影响而飘到其他地方，从而使城关地区的降水几乎没有变化。

对此我们作出了初步的断定：三明城区的确存在着酸雨，但是酸雨的迹象并不是特别的明显，但三明地区大气污染状况还是不容忽视的。

2、测量城区土壤的PH值

我们同样作了假设：我们认为在列西地区的降雨呈酸性，土壤也呈酸性（由于列西靠近三明钢铁厂，雨水的PH值变化较为复杂，我们于是测量了两个点的土壤）；在列东地区的土壤也呈酸性；而在三钢境内的焦化场生产的石灰会使土壤有明显的碱性。

我们的用具有塑料袋、凿土刀、小烧杯、玻璃棒、药匙、漏斗、滤纸以及铁架台个5个及精密PH试纸。

我们的实验过程：

1、  将收集来的泥土样品放入烧杯并且进行编号。

2、  将泥土用药匙盛放到小烧杯中（2-3勺即可），加入蒸馏水用玻璃棒进行搅，使泥土充分溶解于水中，然后静置一边。

3、  用滤纸、漏斗及铁架台制作简易的过滤器。

4、  将溶解后的泥土样品用过滤器进行过滤。（由于泥土干燥，不能用PH试纸直接测量出酸碱性，所以溶解与水中；由于混合了水后，用PH试纸直接测量会粘上泥土，难以分辨出颜色，所以要过滤）

5、  用PH试纸测量过滤水的PH值。

用精密PH试纸测量过滤水的PH值：用干净的玻璃棒蘸取少量的过滤水置于不同的精密PH试纸上，将它们和标准的比色卡对比，就能得出大致的雨水PH值。记录下各个雨水样品的PH值。

6、反复做3次同样的实验，将得来的数据进行处理。

2004年2月份三明城区不同地区的土壤PH值数据表

 

颜色

PH值1

PH值2

PH值3

三明钢铁厂

深灰色

6．5

6．5

6．5

列西1

咖啡色

6．0

6．0

6．0

列西2

咖啡色

6．0

6．0

6．0

列东

土黄色

5．5

6．0

6．0

三明二中

棕黄色

6．0

6．0

6．0

我们的结论是：再次证明了三明地区确实存在着酸雨。

 

四、我们的访问

由于实验有误差，我们又没有专业知识，但为了证明我们实验的正确性，我们又访问了环保局的有关人员，我们的访问如下：

1、三明地区存在有酸雨吗？

答：酸雨是PH值低于5.6的雨水称之为酸雨，而三明地区的雨水PH值大约在6.5左右，基本没有酸雨的存在。

2、三明地区存在有碱雨吗？

答：三明地区普遍是酸性雨，应该是不存在有碱雨的。

3、我们从网上得到这样一则报道：我们三明地区因座落于高山环绕的盆地中，降雨的酸碱性主要为当地环境污染源所制约。城市东部是上风向，降水主要受高空大气的层积雨层的影响，该层含有城市燃煤拍放的酸雨前兆体Sox和NOx，故呈酸性，落地就是酸雨。而城市西部，是在下风向，特别是三明钢铁厂、三明化工厂所排放的碱性粉尘和颗粒物，遇到高山，堆积在西部低空，在降雨过程中被冲刷，各种酸碱物质中和，碱性大于酸性，降雨明显呈碱性。这个报道是否属实呢？

答：这个报道应来说是不准确的。三明地区虽然说在前几年是酸雨的严重地区，但最近几年中由于政府的大力支持和企业的积极配合使我们三明市的酸雨明显有所好转；而碱雨所出现的可能性是十分小的，因为如果有碱雨，它的碱性颗粒物由于重力的原因漂浮在低空，并且颗粒物易于沉淀下来，在低空的碱雨不属于是碱性物质的下落就不能算是碱雨。

4、那么酸雨的降雨过程是怎么样的呢？

答：我们三明地区的酸雨是由于高空中含有SO2，使降雨的成分中含有酸性的成分；这些SO2有些是来自于工厂的，有些是来自于民间用煤，还有可能是历史的原因。

5、酸雨的主要污染源有哪些呢？

答：以火电厂最为突出，其次是化工企业以及钢铁企业、印染厂等。

6、三明的酸雨不严重的原因有哪些呢？

答：首先，我们三明地区的雨量较小，即使在上空有酸性的气体的存在，也很难有大范围的降雨；其次，我们三明地区的煤的含硫量较少，比北方的煤少了很多，所以我们三明的煤热值不高；再次，树木可以吸收一部分的硫。

7、酸雨的危害有哪些呢？

答：可能引起土地酸化，结构改变，肥力下降，树木植被无法生存，建筑物被腐蚀等等。

8、解决我们三明地区的酸雨有哪些途径呢？

答：1）从场区由粗放型向集约型转变；

2）对化工厂进行限制；

3）对一些废水进行再利用；

4）选择脱硫煤或者含硫量较小的等等。

9、工厂排放的SO2是否可以用NaOH来吸收呢？

答：这是不可以的。NaOH的费用很高，并且吸收率也不高；现在的高炉一般用喷固体Ca进行吸收和转化为炉渣。

（之后我们又对专门研究酸雨的环保工作人员进行了采访，以下是访问的大致内容。）

监测站通过观察与监测，可以发现在三明的洋溪地区的酸雨率最高，达到87%左右，而在三元区基本上没有出现酸雨；原因有许多，但可能的原因是由于气体的飘散，例如厦门是我省最环保的城市，城市基本上已经没有烟囱了，可是酸雨率是全省数一数二的。城关地区的酸雨率是我们三明城区中最低的，几乎为零，监测站的观察后认为这个原因初步认为是由于酸雨和碱雨的中和的原因。

我们学生的简单实验对酸雨的研究有一定的真实性，但是由于毕竟是学生实验，误差是难免的，而且还有可能造成实际性错误，所以研究报告只能作为一种参考，也可以是对我们工作的一种肯定。

   

五、三明城区酸雨产生的来源

我们证明了三明城区酸雨的存在，那么我们就有必要对酸雨产生的来源进行分析。三明市位于福建省中部，属内陆山区，酸雨污染在我省属较严重地区。由于其四面环山，海洋气候对酸雨的产生影响较小，主要受局部地区污染源影响。

1、离子来源及主要影响因素分析

三明市共设立了三个降水监测点，三个监测点中，主要阴离子硫酸根离子与主要阳离与铵根离子、钙离子浓度均是三元区最高，排列顺序均是三元>列东>洋溪。

2、铵的来源分析

作为缓冲元素在三个测点中，铵根离子的浓度值最高。铵的来源较广，主要来源于大量农田施用含铵化肥不同程度地分解出铵根，散发到空气中；此外，以燃煤为主，据资料报告，1千克煤在燃烧时可释放出0.2克铵根。

洋溪对照点以农业为主，工业较少，农田施用化肥及含铵化肥，使空气中的氨气含量增高，导致该点铵根高的主要原因。列东点位于市区的上风向，但位于印染厂、纺织厂的下风向，受到这些企业燃煤的影响，铵根较洋溪点较高。三元区政府测点位于城市下风向，受到市区重点污染源三钢、三化合成氨的影响最大，氨的含量最高。

3、无机阴离子来源分析

控制降水酸度的致酸物质中，硫酸、硝酸占有重要比例。硫酸的前体物主要为二氧化硫、硫化氢，硝酸的前体物组要包括一氧化氮、二氧化氮、氮的氧化物等，主要来源于大气中的二氧化硫、氮的氧化物的分子运动及扩散，在扩散过程中，由于受空气尘埃中Mn、Cu、Na、Fe等多种金属元素的催化、光氧化及云层中的液相催化氧化，而形成硫酸根、硝酸根等，导致了降水的酸化。我市以燃煤为主，燃油较少，加上脱硫技术的落后，为此硫酸根高于硝酸根。

 

六、酸雨的危害

酸雨从空中降落到地球表面后，对陆生和水生生物、建筑材料、文物和人体健康带来明显的影响，特别是对森林和湖泊的危害，已成为国际纠纷的焦点。

酸雨对陆生生物的伤害：

酸雨是青蛙和鸟类的天敌，鸟穿过酸雾，酸对角膜有刺激性，而鸟和青蛙对酸又十分敏感，即患红眼病。

酸雨对水生生物的伤害：

湖水pH值在9.0～6.5之间的中性范围时，对鱼类无害；在5.0～6.5之间的弱酸性时，鱼卵难已孵化，鱼苗数量减少；当湖水pH值低于5.0时，大多数鱼类不能生存。因此，湖泊酸化会引起鱼类死亡。草本植物是一些鱼类生活的基础，湖水酸化，水生生物种群将减少，那么鱼类也将随之减少。因此，从生态食物链角度来看，湖泊酸化，也将使水生生物难以生存。

酸雨对森林的危害：

比较不同年代树木年轮，可知产生酸雨前后对林木生长的影响。酸雨还可造成叶面损伤和坏死，早落叶，林木生长不良，以致单株死亡。土壤肥力降低，产量下降，造成大面积森林衰退。例如四川盆地受酸雨危害的森林面积达28万公顷，占林地总面积的三分之一，死亡面积1.5万公顷，占林地面积6%。同样受酸雨侵袭的贵州省，受危害的森林面积达14万公顷，为四川盆地的二分之一。

    酸雨对湖泊的危害：

天然水体中含有碳酸氢根离子; 有的水质发浑, 含有某些有机碱; 因此它们有中和酸的能力。碱度就是酸中和能力。碳酸氢盐水体中的碱性主要来自于含钙和镁的矿物质的风化。因此水体碱度为碳酸氢根离子浓度, 加上两倍的碳酸根离子的浓度(因为每个碳酸根离子可中和两个氢离子) , 再加上氢氧根离子浓度, 即:

碱度 = [HCO3] + 2[CO3] + [OH] - [H]。
当酸性物质进入碳酸氢盐水体, 首先中和氢氧根离子, 然后中和碳酸根离子形成碳酸根离子, 最后中和碳酸氢根离子形成碳酸,再增加氢离子, 水体将明显酸性提高。因此, 水体碱度大, 酸中和能力大, 其对酸性的缓冲能力大, 可容纳更多额外增加的酸。据碱度定义, 湖泊完全失去碱性叫酸化。当某水体接受氢离子量超过其本身中和离子量 (通常是碳酸氢盐) , 便发生了酸化。

湖底基岩一般为碳酸盐, 不断以碳酸氢盐形态慢慢溶入湖水中, 故一般湖水为弱碱性或中性。酸雨引入湖中的氢离子, 首先中和碳酸氢根离子形成弱酸性的碳酸, 这时湖水的pH值下降很慢, 有时需要数年时间; 一但该过程中和完毕, 碳酸氢根被耗尽时, 再引入新的氢离子, pH值就下降很快了, 可能一年之内便可酸化。

酸雨与文物：

碑林、石刻大都由石灰岩雕成，遇到酸雨立即起化学反应，酸碱中和，即被腐蚀。酸雨还可使油漆泛白，褪色。给古建筑和仿古建筑带来许多麻烦，缩短粉刷装修的时间周期。

酸雨与人体健康：

人体耐酸能力高于耐碱能力，如经常用弱碱性洗衣粉洗衣服,不带手套，手就会变得粗糙，皮革工人，经常接触碱液，也有类似情况；但皮肤角质层遇酸就好一些。可是，眼角膜和呼吸道粘膜对酸类却十分敏感，酸雨或酸雾对这些器官有明显刺激作用，导致红眼病和支气管炎,咳嗽不止,尚可诱发肺病,这是酸雨对人体健康的直接影响。另一方面，农田土壤酸化，使本来固定在土壤矿化物中的有害重金属,如汞、镉、铅等,再溶出,继而为粮食，蔬菜吸收和富集,人类摄取后,中毒,得病。这是酸雨对人体健康的间接影响。

   

七、酸雨的防治

既然酸雨的危害如此之大，如何对酸雨进行防治呢？我们针对三明的酸雨现状提出几点建议。

我国广大农村习惯用秸秆,薪材取暖和炊饭,利用量约为2.6亿吨标准煤,占农村能源消费的70% 左右。但利用效率不高,且能排放少量SOx和NOx酸性气体。可发展沼气池,生产沼气取暖和炊饭,沼气池渣尚可肥田,且减少酸性气体排放。

火力发电和工业锅炉是排放酸性物质到大气中,形成酸雨的主要罪魁祸首。通过使用低硫优质煤，使用天然气和燃料油代替煤，可在一定程度上减少酸性物质的排放。此外应用型煤、湿法脱硫除尘、炉内喷钙固硫、电厂锅炉排烟脱硫和流化床除尘脱硫等新环保技术可有效减少酸性物质向大气排放。

可以在使用煤前, 先将煤洗洗烧煤前, 不是图干净, 是为了脱硫。用专用洗煤设备, 洗煤, 可将煤中10-40%的可溶性硫酸盐除去, 如果洗煤前煤的含硫量是1.5%, 那么洗后可接近1.0%, 这是脱硫的一种简单而有效的方法。

化工, 冶金, 有色金属冶炼和建材工业生产过程中排放二氧化硫, 约占二氧化硫总排放量20%左右。应对尾气进行治理；严重污染的旧工艺和旧设备应加改造和更换；应实行清洁生产, 全过程控制。

烟囱内壁涂一层石灰乳后, 当烟道气通过时, 所含微量的SO2将被吸收。大概烟气中90%以上的二氧化硫可被脱去。同时可回收石膏和亚硫酸钙。

石灰 (CaO 或Ca(OH)2)乳浆液与二氧化硫的化学反应是:

Ca(OH)2 + H2SO3 = CaSO3和Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4

有的工厂或附近厂区有化肥厂或合成氨车间, 可引来氨水吸收烟气中的二氧化硫, 即:

2 NH4OH + H2SO3 = (NH4)2SO3和2 NH4OH + H2SO4 = (NH4)2SO4所得产物尚可加硫酸生成高浓度二氧化硫和硫酸铵, 即:(NH4)2SO3 + H2SO4 = SO2 + (NH4)2SO4硫酸氨是良好的化肥。

有的工厂或附近厂区有造纸厂, 其碱性废液含有NaOH或NaCO3, 十分难于处理, 用它吸收烟气中二氧化硫, 彼此中和, 有双嬴之利, 即:2 NaOH + SO2 = Na2SO3 + H2O

有的工厂用活性碳吸附二氧化硫以脱除烟气中微量二氧化硫, 其脱硫效率高, 活性碳尚可再生, 循环使用, 在解吸后, 回收石膏, 高浓度二氧化硫和硫酸等副产品。

大城市中，应改变无组织取暖和分散的小煤球炉炊饭的混乱状况。发展城市煤气，天然气和液化石油气以代替燃煤；发展居住小区集中供热，代替分散供热。

我国汽车数量越来越多，汽车尾气污染问题日益严重。可应用甲醇、液化气等干净的代用燃料代替汽油，将明显降低NOx的排放。甲醇分子含有氧，比不含氧的汽油，易于燃烧完全，从而较少排放NOx。

日前, 美国通用汽车公司生产的新型电动汽车业已面市, 并在加利福尼亚和亚利桑那州投入使用。该电动公共汽车使用高效燃料电池, 白天用, 晚上充电； 或部分电池使用, 部分电池充电。发展中国家可以利用此电车减少车的污染尾气排放。

文本框: 在酸雨问题受世界关注下二氧化硫的量已逐年下降当然，如此这些方法，最根本都是要减少SOx、NOx以及NH3的排放量。

 

八、结束语

到此，我们的研究工作就全部结束了。

环境保护需要环保工作者献身。作为终身为之奋斗的事业, 我国许多科学工作者为了研究我国酸雨的形成规律, 贡献了自己的全部精力。例如, 我国玉龙雪山, 风景优美, 空气清洁, 十分适宜于酸雨本底值测定。但是生活条件十分艰苦, 采样人员常年住在野外帐蓬内, 没有电, 食品和饮用水靠人力几天送一次, 他们坚持了数年, 取得成千上万组数据, 完成了本底研究, 实在是功不可没。

中小学生也应该尽可能参予一些环保活动, 其中包括酸雨。例如, 有的中小学生在校园内, 种植一些对酸雨敏感性植物, 以观测酸雨对环境的影响；或筛选和培植抗酸雨经济作物, 花卉等, 以改造环境。这些活动有利于提高他们的环保意识和增加环保知识。环保需要正确的公众舆论。青少年参加环保宣传, 出于童心稚语, 情真意切, 感染力强；形式也较为生动活泼, 容易为听众接受。可以办画展, 讲故事, 发宣传品, 建立环保标帜, 向社会提出环保倡议, 清理市容, 种树养树等等, 都有良好的社会效益。这些内容也应该成为青少年日常德育的一部分。

环境是我家，保护环境靠大家。在此，我们郑重呼吁：关注城市大气，保护我们共有的家园。

资料来源于http://218.7.19.211/xinxixue/gb/earth/acidrain/index.html

                              制作人：郑邦晓     完成时间：4月20日