2025年大學《地球化學》專業(yè)題庫——地球化學元素在城市大氣污染治理中的作用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述地球化學循環(huán)對城市大氣環(huán)境中主要元素（如S,N,Na,K,Ca,Mg,Fe,Mn,Al,Si）存在形式和分布特征的影響。二、分析交通排放源中地球化學元素（例如Pb,V,Ni,Cu,Zn等）進入城市大氣的主要途徑及其在大氣化學過程中的可能轉化。三、論述城市土壤或沉積物表面對大氣顆粒物的吸附、解吸及轉化過程在區(qū)域大氣環(huán)境地球化學中的作用機制。四、結合地球化學原理，闡述利用土壤-大氣相互作用控制城市PM2.5污染的潛在途徑和局限性。五、討論大氣中某些地球化學元素（如Cl,F）的天然來源和人為來源對城市空氣質量的影響差異。六、以硫酸鹽或硝酸鹽氣溶膠為例，說明大氣中關鍵地球化學元素（S,N）的氧化過程及其對大氣化學和人體健康的影響。七、分析城市地理環(huán)境因素（如地形、氣象條件）如何影響地球化學元素在城市大氣中的遷移和沉降過程。八、提出至少三種利用地球化學元素特性或地球化學過程原理，針對特定城市大氣污染問題（如重金屬污染、臭氧污染）的治理或監(jiān)測建議。試卷答案一、地球化學循環(huán)通過元素的生物地球化學循環(huán)過程，影響著城市大氣中元素的存在形式和分布。元素的火山、土壤風化、氣象作用等自然過程釋放到大氣中，形成氣溶膠或氣態(tài)污染物。元素在大氣中通過氧化還原、水解、吸附-解吸等化學反應，轉化為不同的化學形態(tài)。例如，硫循環(huán)導致SO?和硫酸鹽氣溶膠的存在，氮循環(huán)產(chǎn)生NOx和硝酸鹽氣溶膠，鈉、鉀、鈣、鎂等堿金屬、堿土金屬主要通過揚塵和海鹽氣溶膠進入大氣，并可能形成碳酸鹽、硝酸鹽或硫酸鹽等顆粒物。城市活動（如工業(yè)、交通、建筑）加速了元素釋放和轉化，改變了元素的自然地球化學循環(huán)，導致城市大氣元素組成與自然背景存在顯著差異。二、交通排放源（尤其是柴油車）中地球化學元素（如Pb,V,Ni,Cu,Zn）主要來源于燃油添加劑、發(fā)動機磨損、尾氣后處理催化劑等。這些元素通過車輛尾氣排放進入大氣。主要進入途徑包括：直接排放形成氣溶膠顆粒物；顆粒物在低空擴散、沉降后再次被交通流揚起；附著在路面上的顆粒物通過再懸浮進入大氣。進入大氣后，這些元素可能發(fā)生物理吸附、化學反應（如氧化、形成硫化物或硝酸鹽），或在云滴中發(fā)生水相轉化，改變其存在形態(tài)和在大氣中的壽命與遷移路徑。例如，Pb可能形成PbSO?；V,Ni,Cu,Zn可能富集在有機或無機核心上。三、城市土壤或沉積物表面對大氣顆粒物的吸附、解吸及轉化過程是區(qū)域大氣環(huán)境地球化學的重要環(huán)節(jié)。吸附作用：土壤/沉積物中的粘土礦物（富含Al,Si,Fe,Mn氧化物和羥基化合物）、腐殖質等具有較大的比表面積和豐富的表面官能團（如-OH,-COOH,-COO?），能夠通過物理吸附（范德華力）和化學吸附（離子交換、靜電吸引、配位作用）捕獲大氣顆粒物。解吸作用：當環(huán)境條件（如pH、離子強度、濕度）變化時，已吸附的顆粒物或其表面吸附的元素可能重新釋放回大氣。轉化作用：吸附在土壤/沉積物表面的元素或污染物可能參與生物化學或化學反應，如被微生物轉化、與其他物質發(fā)生反應生成新的化合物（如重金屬的硫化物沉淀或溶解），影響元素的生物有效性和大氣化學過程。這個過程有助于削減大氣顆粒物濃度，但也可能導致污染物在土壤中的積累或二次釋放。四、利用土壤-大氣相互作用控制城市PM2.5污染的潛在途徑主要包括：1)增強土壤對PM2.5的吸附能力，如通過改良土壤結構、增加有機質含量（腐殖質吸附能力強）來吸附大氣顆粒物，或種植深根植物促進顆粒物沉降；2)利用土壤微生物活動降解PM2.5中的有機成分或轉化部分無機成分；3)通過土壤管理（如覆蓋、灌溉）減少土壤揚塵，即減少PM2.5的一次排放源。局限性在于：土壤吸附容量有限，可能飽和或釋放；土壤-大氣交換過程復雜，受氣象條件影響大；土壤性質空間異質性導致控制效果不均；過度干預土壤可能帶來其他環(huán)境問題（如水體富營養(yǎng)化）；對于二次顆粒物（如硫酸鹽、硝酸鹽）的控制效果有限，主要控制途徑仍是控制其前體物（SO?,NOx）。五、大氣中Cl?和F?元素的天然來源和人為來源存在顯著差異。Cl?的主要天然來源是海洋風化（海鹽飛沫）和巖鹽礦物的風化，貢獻了城市大氣中Cl?的主要部分，通常以氣溶膠形式存在。人為來源包括氯化物農(nóng)藥、工業(yè)過程（如氯堿工業(yè)）、城市污水和垃圾處理等排放。F?的主要天然來源是含氟礦物（如磷灰石）的風化，在特定地質區(qū)域（如火山灰土分布區(qū)）可能成為重要污染源。人為來源則主要是氟氯烴（CFCs，已逐步被限制）及其替代品、含氟聚合物生產(chǎn)和應用、燃煤（特別是含氟煤）、水泥生產(chǎn)、鋁工業(yè)等排放。由于天然來源的多樣性（主要是氣態(tài)HCl和HF）和人為源的特定性，兩者對城市空氣質量的影響特征和治理策略不同。例如，海鹽Cl?通常形成不易沉降的氣溶膠，而人為排放的F?可能以HF形式存在或轉化為氟化物顆粒物。六、以硫酸鹽或硝酸鹽氣溶膠為例，大氣中關鍵地球化學元素（S,N）的氧化過程及其影響：硫酸鹽：大氣中硫的主要前體物是SO?，SO?在大氣中通過均相（如OH,O?氧化）或非均相（如氣溶膠表面催化劑、云霧滴內）氧化過程轉化為硫酸（H?SO?），進而形成硫酸鹽氣溶膠。這個過程不僅消耗大氣中的OH自由基，影響大氣氧化能力，還直接貢獻PM2.5，影響大氣能見度，并可能通過干濕沉降影響地表環(huán)境。硝酸鹽：大氣中氮的主要前體物是NOx（NO,NO?），NOx通過催化轉化（如VOCs和NOx在NO?自由基存在下的光化學氧化）或光化學氧化（OH,O?氧化）轉化為硝酸（HNO?），形成硝酸鹽氣溶膠。硝酸鹽是PM2.5的重要組成部分，尤其在交通密集的城市地區(qū)。硝酸鹽氣溶膠的生成還與大氣氧化性密切相關，并可能通過光解產(chǎn)生二次有機氣溶膠（SOA）的前體物。這兩個過程都是城市大氣化學的關鍵環(huán)節(jié)，影響空氣質量、氣候和人體健康。七、城市地理環(huán)境因素顯著影響地球化學元素在城市大氣中的遷移和沉降：地形：盆地、谷地地形易造成大氣污染物匯集，形成“谷地效應”，導致污染物濃度升高且不易擴散；高聳建筑物形成的城市峽谷效應，可改變局地氣流，影響污染物擴散和地面污染物濃度；山口、隘口等地形則可能成為污染物輸送的通道。氣象條件：風速和風向決定了污染物的輸送方向和距離；風切變、城市熱島效應產(chǎn)生的局地環(huán)流（如上升流）可影響污染物垂直擴散和混合層高度；降水（干濕沉降）是大氣污染物（特別是氣溶膠和可溶性離子）的重要去除途徑，其強度和形式（雨、雪、霧）影響去除效率；濕度影響顆粒物的吸濕增長、化學反應速率和表面性質，進而影響其沉降行為。這些因素共同作用，決定了特定區(qū)域地球化學元素在大氣中的時空分布特征。八、利用地球化學元素特性或地球化學過程原理，針對特定城市大氣污染問題的治理或監(jiān)測建議：1)針對重金屬（如Pb）污染：利用城市周邊或內部的土壤、沉積物對重金屬的吸附富集能力，通過植被修復（如種植超富集植物）或物理化學修復（如吸附劑原位鈍化）將重金屬固定在土壤中，減少其在大氣中的再懸??；發(fā)展基于元素形態(tài)分析的監(jiān)測技術，區(qū)分重金屬的自然背景與污染來源，為精準溯源和治理提供依據(jù)。2)針對臭氧（O?）污染：關注城市大氣中VOCs（碳氫化合物）和NOx的地球化學來源和轉化，VOCs主要來自交通、工業(yè)和溶劑使用，NOx主要來自交通和燃煤。通過控制這些前體物的排放，可以有效減少臭氧的生成。例如，