紫外线对水中污染物的影响分析

《紫外线对水中污染物的影响分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《紫外线对水中污染物的影响分析（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、紫外线对水中污染物的影响分析 第一章 前 言 1.1紫外线概述 紫外线(ultraviolet radiation，UV) 是来自太阳辐射的一部分，其能量仅占太阳辐 射总能量的 8%。是一种波长范围在 100nm400nm 的不可见的光线。在光谱中它的位置介 于 X 射线和可见光线之间，它的最长波长邻接可见光的最短波长（紫光） ，它的最短波长 邻接 X 射线的最长波长 1。是电磁波谱中波长从来不能引起人类视觉的电磁辐射。因此， 紫外线的强度是无法用肉眼来判定的。1801 年，德国物理学家约翰威廉里特经实验发 现，太阳的光线经棱镜色散后在紫光的外侧仍存在着一种光线，这段光线能够使含有 AgBr

2、的照相底片感光，从而发现了紫外线的存在。 1.1.1 紫外线的分类 根据波长范围的不同，可以将紫外线分为 A、B、C、D 四个波段 2-5 ，如图 1-1 所示： 图 1-1 紫外线的分类 Figure1-1 Classification of UV A 波段（UV-A、长波紫外线、黑斑效应紫外线） ：波长在 320nm-400nm 范围之间，它有 很强的穿透能力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料的制品。太阳光线中有 98%的 UV-A 能穿透 O3层和云层到达地球表面， UV-A 的生物作用比较弱， 主要表现是色素沉着作用。 UV-A 可以直达皮肤的真皮层，破坏其中的弹性纤维和胶原蛋白纤维，

3、使皮肤老化、产生皱纹。 360nm 波长的 UV-A 符合昆虫类的趋光性反应曲线，可制作成诱虫灯；300nm-420nm 波长的 UV-A 可透过完全阻止可见光的特殊着色玻璃灯管；以 365nm 为中心的近紫外光，可用于矿 石鉴定、舞台装饰、验钞等场所。 B 波段（UV-B、中波紫外线、红斑效应紫外线） ：波长在 275 nm-320nm 范围之间，约 占太阳辐射总能量的 1.5%，具有中等的穿透能力，其中波长较短的部分会被透明的玻璃所 吸收，太阳光中含有的 UV-B 大部分被 O3层所吸收，只有2%的部分能够到达地球的表面， 在夏天和午后时分特别强烈。适量的照射 UV-B 能促进体内矿物质的

4、代谢和维生素 D 合成， 青海师范大学硕士学位论文 2 可预防佝偻病，但长期或过量照射会使人体产生红疹、皮肤癌、白内障和免疫系统能力下 降等负面的健康效应。 C 波段（UV-C、短波紫外线、灭菌紫外线） ：波长在 200 nm275nm 之间，约占太阳辐 射总能量的 0.5%，它的穿透能力是最弱的，没办法穿透大部分的透明玻璃以及塑料材料。 太阳光线中含有的 UV-C 几乎完全被 O3层所吸收。UV-C 对人体的伤害很大，短时间的照射 就可以使皮肤灼伤，长时间或高强度的照射会对机体的细胞产生强烈的刺激和破坏作用， 甚至会引发皮肤癌。UV-C 段紫外线很容易被生物体所吸收，作用于生物的遗传物质 D

5、NA， 使 DNA 链遭到破坏、断裂而使细胞死亡。因此，UV-C 具有很强的杀菌、消毒的作用。 D 波段（UV-D、真空紫外线） ：波长在 100 nm200nm 之间，UV-D 光量子的能级非常 高，能生成大量的 O3，由于 O3的氧化性非常强，因此 UV-D 有很好的消毒、除臭等作用。 由于观察和研究 UV-D 必须在真空的条件下进行，故称 UV-D 为真空紫外线。 1.1.2 紫外线指数 紫外线指数(Ultraviolet Index)，简称“UVI”指数，是衡量某个地区正午前后到达 地面的太阳光线中的紫外线辐射对人体的组织和器官可能造成损伤程度的一项指标 6。 根据 WMO 和 WHO

6、 的规定，将不同波长的紫外线强度和“红斑作用光谱曲线”内对应的 权值相乘，在将所有相乘所得的结果加和，可以得到总紫外线强度，其单位是 mWm 2。然 后再将总紫外线强度乘以 0.04，便得到了紫外线指数。它是一个无量纲的数值 7。 表1-1 紫外线辐射指数与紫外线辐射分级 Table1-1 UVI and classification of UVI 等级 一级 二级 三级 四级 五级 “UVI” 指数 0，1，2 3，4 5，6 7，8，9 10 强度 最小 较低 中等强度 较强 最强。 到达地面的紫外线辐射 量（280-400nm）W/m 2 5 5-10 10-15 15-30 30 “U

7、VI”指数是国际上公认的衡量紫外线辐射强度的标准。一般用0-15的数字来表示 它的强度、划分它的等级。通常规定，夜间的紫外线指数为0；在热带、高原地区，晴朗 无云时的紫外线指数为15 8。分级标准如表1-1所示：紫外线指数的数值越大、等级越高， 表示人体可以承受紫外线辐射的时间就越短，造成损害的程度也就越高。 1.1.3 紫外线辐射强度的影响因素 1.1.3.1 纬度与海拔的影响 UV 的辐射强度随纬度的降低而增强。但是，不同波段的 UV 的变化情况是不完全相同 的。短波 UV 的辐射量随纬度的升高而急剧的下降；而长波 UV 的辐射量随纬度的变化趋势 紫外线对水中污染物的影响分析 是比较缓慢的

8、。这是因为短波 UV 更易被大气所削减，纬度越高 UV 受到大气的削弱也就越 多 9。 UV 的辐射强度随海拔的增加而增强（除 390 nm 波长外） 。短波 UV 的辐射量随海拔的 增加而急剧升高；而长波 UV 的辐射量随海拔的变化趋势是比较缓慢的。高海拔地区的紫 外线强度大于低海拔地区的紫外线强度，且海拔每增加 1000 米，紫外线强度就增强 10%-12%。这是因为海拔越高，可吸收和散射 UV 的大气层就越薄 10。 1.1.3.2 太阳天顶角的影响 太阳天顶角(solar zenith angle，SZA)是太阳光线与地面垂线的夹角。当 SZA=0时， UV 在大气中经过的路程最短，因

9、此，地面探测到的 UV 强度最大。随着 SZA 的不断增大， UV 的辐射强度会逐渐减小，变化规律与余弦曲线相似 11。夏天 UV 的辐射强度平均为冬天 的 2 倍。在热带以外地区，在太阳处于其最高位置(夏季月份、太阳中午)时，UV 的辐射会 出现最高水准 12-13。 1.1.3.3 云量的影响 云对 UV 强度的影响主要取决于云的厚度。 据相关研究表明， 光学厚度为 5 的云(薄云) 可以减弱地面 UV 辐射的 35%左右；光学厚度为 10 的云(较薄云)可以减弱地面 UV 辐射的 50%左右；光学厚度为 80 的云(厚云)可以减弱地面 UV 辐射的 90%左右 14。 云的形状也可能影响

10、 UV 的辐射强度。总云量相同的情况下，卷层云时的 UV 强度要比 蔽光高积云时的 UV 强度大。 由瑞利定理可知，不同波长的辐射被大气分子散射的程度与其波长的 4 次方成反比。 由于短波 UV 中散射所占的比例很大，所以在有云的情况下，UV 的辐射强度也可能是很高 的 15。 1.1.3.4 臭氧的影响 表 1-2 不同纬度、不同季节到达地面的紫外辐射通量密度 16 Table1-2 UV radiation flux density of different latitudes、seasons reaching the ground 纬度 一月紫外辐射通量密度(W/m 2) 七月紫外辐射通

11、量密度(W/m 2) 25 N 86.0 87.4 30 N 85.2 87.2 40 N 83.5 86.7 45 N 82.2 86.3 O3对 UV 有极为强烈的吸收，这是因为臭氧在 UV-B 波段存在着很强的吸收带哈特 利(Hartley)带和赫金斯(Huggins)带。大气层中 O3的总量会直接影响到达地表的 UV 辐射 量，而大气中的 O3量每时每刻都在不停地变化着。表 1-2 列出了不同纬度、不同季节到达 青海师范大学硕士学位论文 4 地面的 UV 辐射量的多少。 等量的 O3分布在不同的高度上，也会影响 UV 的辐射强度。王普才、吴北婴 14等进行 了一个模拟试验： 分别将等量

12、的 O3垂直分布向上或向下移动 6 km， 那么在 292-305nm 之间， 相应的到达地面的 UV 辐射的差别较大，可达到 10%。在对流层，大气密度稍大，并且存在 很多的气溶胶，增加了散射，因此，等量的 O3在对流层比在平流层能更有效地吸收 UV。 1.1.3.5 地面反照率的影响 不同的地表对 UV 辐射的反射和散射作用也是不同的。地面反照率与 UV 辐射强度成正 比。若地面反照率相同，则随 UV 波长的减小，UV 的辐射量会增加。但是在320 nm 处， 由于 O3的强烈吸收，辐射强度会随波长的减小而减少。地表反照率对 UV 的总辐射强度影 响不大，地表反照率增加 30%，紫外线 U

13、V 的辐射强度仅增加了 3%。 但当地表反照率达到 0.8 以上时，UV 的辐射就会有大幅度的增加。 新雪可以反射 80%以上的 UV 辐射，干沙地可以反射约 15%的 UV 辐射，海面可以反射 约 25%的 UV 辐射。另外，在植被越密集的区域，UV 的辐射强度就越低 17。 1.1.4 紫外线在我国的分布情况 18-19 大体而言，我国 UV 辐射的分布趋势是:西部高，东部低；高原高，平原低；低纬度高， 高纬度低；但东部地区的纬度差别较小。同时也随季节发生变化，表现为:夏季最高,春、 秋季次之，冬季最低。 通过资料我们可以发现，在每年的 11-1 月，青藏高原、云南地区的 UV 辐射强度最

14、强， 华南及其他省份次之，并向北逐渐的递减。UV 的月平均辐射强度在 20MJ/m 2以下。在 2-4 月、9-10 月，青藏高原地区的 UV 辐射强度最高，其余它地区呈现由南向北逐渐减小的趋 势，长江中下游地区和四川盆地最低。在 2 月、3 月、9 月出现由东向西逐渐增大的趋势， 两广和海南地区 UV 辐射强度相对要小。7-8 月高值仍出现在青藏高原一带，西北部明显的 高于东南部，环渤海地区、东北的东部、长江下游及华南一带地区 UV 辐射强度较小。5-6 月份，青藏高原的辐射强度仍是最高，淮河以南地区的强度相对偏小，趋势依然是西北大 于东南。 通过以上数据可知，青藏高原的 UV 辐射强度是最

15、高的。主要原因是青藏高原的海拔 最高，在高海拔的高原地区，大气的质量较小，空气比较稀薄，透明度高，对 UV 辐射的 散射和吸收相对要少，所以，UV 的辐射强度要大于平原地区。另外，南方 UV 辐射强度较 低,主要是受天气的影响，当南方雨季来临，会出现较多的云雾天气，这将很大程度的削 弱 UV 的强度，4 月的四川盆地和 6 月的江淮地区就属于这样的情况。 1.1.5 紫外线对人类的影响 紫外线对水中污染物的影响分析 1.1.5.1 促进维生素 D 的代谢 维生素 D 主要包括维生素 D2和维生素 D3。是影响 Ca、P 代谢；维持人体健康和细胞生 长发育的必要物质之一。人体所需的维生素 D 只

16、有不到 10%是来源于食物的，大部分维生 素 D 的形成是来源于太阳光中 UV 的照射 20。在 UV 的照射下，皮肤中的 7-脱氢胆固醇会转 化成内源性维生素 D3；人体不能吸收植物中的麦角固醇，但经 UV 照射后麦角固醇会转变 成维生素 D2被人体吸收。 维生素 D2和维生素 D3在人体内进一步转化成 1， 25 二羟胆骨化醇， 在人体内发挥着作用 21。 1.1.5.2 影响机体的免疫功能 接受少量的 UV 照射具有增强人体免疫功能的作用。但是在一定的条件下，UV 照射能 抑制机体的免疫功能，这种抑制作用与 UV 的波长有关。 小剂量的 UV-A(210-1680mJ/cm 2)可以使 T 细胞的免疫功能增强，增加细胞的转化率。 但是照射大剂量的 UV-A (3360mJ cm 2)就会抑制 T 细胞的免疫功能。而 UV-B、UV-C 则会 抑制细胞的免疫功能 22。 Fry 指出，小剂量的 UV 可改变朗格罕细胞中 ATP 酶的活性或降低其加工抗原的能力。 UV