高中化學在環境大氣治理中的應用

近十年來，霧霾引起了人們的廣泛關注，柴靜的“穹頂之下”使霧霾對日常生活的危害、影響都赤裸裸地展現在公眾面前，2017年，李克強總理親自將“堅決打好藍天保衛戰”寫入報告。從本質上講，“霧”和“霾”并不相同，由于大氣中懸浮的水汽凝結導致能見度低于1公里時的天氣現象稱為霧；霾是由于空氣中懸浮的大量微粒和氣象條件共同作用的結果，主要由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、揮發性有機物等粒子組成的，而硫酸、硝酸主要是SO2、NOx等與空氣中的O2、水共同作用的產物。

最近兩年經過全國人民的共同努力，霧霾天氣得到了很好的控制，藍天白云的天數越來越多。通過閱讀書籍、論文，我欣喜地發現，很多工業廢氣治理均采用化學法，環境大氣治理過程中運用到了很多高中化學的知識。

1、SO2治理

按照使用的吸收劑或吸附劑的形態和處理過程的不同，煙氣脫硫的方法分為干法和濕法兩大類。其中，濕法脫硫主要指用液態吸收劑吸收煙氣中的SO2的方法。濕法脫硫包括：氨吸收法、石灰石—石膏吸收法、鈉鉀吸收法（即雙堿法）等。

（1）氨吸收法

氨吸收法是指用氨水吸收煙中的SO2，生成亞硫酸銨（NH4）2SO3和亞硫酸氫銨（NH4HSO3），（NH4）2SO3和NH4HSO3經氧化得到（NH4）2SO4。反應方程式如下：

吸收反應

NH3+ H2O+ SO2→（NH4）2SO3

（NH4）2SO3+ SO2 +H2O→ NH4HSO3

NH4HSO3 + NH3→（NH4）2SO3

氧化反應：

（NH4）2SO3+O2→（NH4）2SO4

（2） 石灰石—石膏法

石灰石—石膏法脫硫是目前最成熟可靠、運行費用低的脫硫技術，以CaCO3粉末和Ca（OH）2作為吸收劑吸收煙氣中的SO2，副產物為CaSO4·2H2O。化學反應方程式如下：

吸收過程

CaCO3+SO2+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O+CO2

Ca（OH）2+SO2→CaSO3·1/2H2O+1/2H2O

CaSO3·1/2H2O+SO2+1/2H2O→Ca（HSO3）2

氧化過程

2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O→2CaSO4·2H2O

Ca（HSO3）2+O2+2H2O→CaSO4·2H2O+H2SO4

（3） 鈉堿吸收法

鈉堿法脫硫又稱為雙堿法，先用活性極強的NaOH作為吸收劑吸收SO2，然后再用Ca（OH）2對吸收液進行再生，由于在吸收和吸收液處理中使用了不同類型的堿，故稱為鈉鈣雙堿法。反應方程式如下：

吸收過程：

2NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O

Na2SO3 + SO2 + H2O → 2NaHSO3

再生過程：

Ca（OH）2 + Na2SO3 → 2 NaOH + CaSO3

Ca（OH）2 + 2NaHSO3 → Na2SO3 + CaSO3·1/2H2O +1/2H2O

氧化過程

Ca（OH）2 + Na2SO3 + 1/2O2 + 2 H2O → 2 NaOH + CaSO4·H2O

上述經典的脫硫技術應用到了很多高中化學中的知識，如：

（1） 酸性氧化物與堿反應、氧化還原反應、酸堿中和反應等；

（2） 化學反應平衡，可逆反應存在化學反應平衡，可以通過增加反應物的濃度促進化學反應向希望的方向進行；

（3） 不同物質的溶解性不同，生成的難溶物質、微溶物質可不斷析出，促進化學反應進行；

（4） 溶解平衡、電離平衡，如SO2首先溶于水，產生溶解平衡，與水反應，電離產生H+、HSO3-、SO32-，產生電離平衡：SO2（g）= SO2（aq） ；

SO2（aq）+H2O（l） =H++HSO3-= 2H++SO32-

2、 NOx治理

煙氣脫硝，是指把已生成的NOX還原為N2，從而脫除煙氣中的NOX。常用的NOx治理技術主要有選擇性催化還原煙氣脫硝（SCR）、選擇性非催化還原法脫硝（SNCR）。

（1） SNCR脫硝

SNCR是選擇性非催化還原，是一種成熟的低成本脫硝技術。在SNCR脫硝工藝中，在較高的反應溫度（930～1090℃）將尿素或氨基化合物注入煙氣，將NOx還原為N2。還原劑通常注進爐膛或者緊靠爐膛出口的煙道。

采用NH3作為還原劑，在溫度為900℃～1100℃的范圍內，還原NOx的化學反應方程式主要為：

4NH3 + 4NO+ O2 →4N2 +6H2O

4NH3 + 2NO+ 2O2 →3N2 +6H2O

8NH3 + 6NO2 →7N2 +12H2O

而采用尿素作為還原劑還原NOx的主要化學反應為：

CO（NH2）2→2NH2 + CO

NH2 + NO→N2 + H2O

CO + NO→N2 + CO2

（2） SCR脫硝

選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）的原理是在催化劑作用下，還原劑NH3在290-400℃下有選擇地將NO和NO2還原成N2，而幾乎不發生NH3與O2的氧化反應，從而提高了N2的選擇性，減少了NH3的消耗。

其中主要反應如下：

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

8NH3+6NO2=7N2+12H2O

4NH3+3O2=2N2+6H2O

4NH3+5O2=4NO+6H2O

上述脫硝技術同樣運用了許多高中化學中的知識：

（1） 氧化還原反應，SCR與SNCR脫硝技術的主要反應為氧化還原反應，通過加入還原劑將NOX還原為N2。

（2） 催化劑的性質與作用

在化學反應里能改變反應物化學反應速率（提高或降低）而不改變化學平衡，且本身的質量和化學性質在化學反應前后都沒有發生改變的物質叫催化劑。

SCR反應中催化劑存在降低了化學反應的溫度，選擇性地促進了NH3與NO、NO2的反應，抑制了NH3與O2的反應。

3、 揮發性有機物（VOCs）治理

揮發性有機物（VOCs）治理技術包括冷凝、膜回收、化學吸收、燃燒法、催化燃燒法、生物法、低溫等離子、光催化氧化等。

其中燃燒法、催化燃燒法、光催化氧化法均為在一定的條件下比如合適的溫度、光照、催化劑存在等條件下，使有機物與氧氣反應生成CO2和水，通用的化學反應方程式如下：

CxHyOz+（2x+y/2-z）O2→xCO2+（y/2）H2O

主要運用的高中化學知識有：

（1） 有機物的性質，可與氧氣發生燃燒反應，生成CO2和水，并放出大量的熱。

（2） 催化劑的作用，可降低反應溫度，一般的燃燒技術反應溫度為700～800℃，而催化燃燒的溫度僅為260～420℃。

綜上所述，SO2、NOX、揮發性有機物均為導致霧霾的主要前驅體，環保工作者利用其性質研發了各種廢氣治理技術，為廢氣治理做出了巨大貢獻，為恢復藍天白云、消滅霧霾發揮了巨大作用。許多高中化學中的知識可以應用于大氣環境治理過程，作為一個熱愛環境的高中生，我誓要認真學習化學知識，學以致用，為打贏藍天保衛戰做出自己的貢獻。

作者簡介：

郝宏源（2001—），男，山東泰安市人。