高中化學(xué)在環(huán)境大氣治理中的應(yīng)用

近十年來，霧霾引起了人們的廣泛關(guān)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(xiàn)在公眾面前，2017年，李克強(qiáng)總理親自將“堅(jiān)決打好藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”寫入報(bào)告。從本質(zhì)上講，“霧”和“霾”并不相同，由于大氣中懸浮的水汽凝結(jié)導(dǎo)致能見度低于1公里時(shí)的天氣現(xiàn)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(jié)果，主要由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、揮發(fā)性有機(jī)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(chǎn)物。

最近兩年經(jīng)過全國人民的共同努力，霧霾天氣得到了很好的控制，藍(lán)天白云的天數(shù)越來越多。通過閱讀書籍、論文，我欣喜地發(fā)現(xiàn)，很多工業(yè)廢氣治理均采用化學(xué)法，環(huán)境大氣治理過程中運(yùn)用到了很多高中化學(xué)的知識。

1、SO2治理

按照使用的吸收劑或吸附劑的形態(tài)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(tài)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(jīng)氧化得到（NH4）2SO4。反應(yīng)方程式如下：

吸收反應(yīng)

NH3+ H2O+ SO2→（NH4）2SO3

（NH4）2SO3+ SO2 +H2O→ NH4HSO3

NH4HSO3 + NH3→（NH4）2SO3

氧化反應(yīng)：

（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(yùn)行費(fèi)用低的脫硫技術(shù)，以CaCO3粉末和Ca（OH）2作為吸收劑吸收煙氣中的SO2，副產(chǎn)物為CaSO4·2H2O。化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)的NaOH作為吸收劑吸收SO2，然后再用Ca（OH）2對吸收液進(jìn)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(yīng)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(jīng)典的脫硫技術(shù)應(yīng)用到了很多高中化學(xué)中的知識，如：

（1） 酸性氧化物與堿反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、酸堿中和反應(yīng)等；

（2） 化學(xué)反應(yīng)平衡，可逆反應(yīng)存在化學(xué)反應(yīng)平衡，可以通過增加反應(yīng)物的濃度促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)向希望的方向進(jìn)行；

（3） 不同物質(zhì)的溶解性不同，生成的難溶物質(zhì)、微溶物質(zhì)可不斷析出，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行；

（4） 溶解平衡、電離平衡，如SO2首先溶于水，產(chǎn)生溶解平衡，與水反應(yīng)，電離產(chǎn)生H+、HSO3-、SO32-，產(chǎn)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(shù)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(shù)。在SNCR脫硝工藝中，在較高的反應(yīng)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(jìn)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(nèi)，還原NOx的化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(fā)生NH3與O2的氧化反應(yīng)，從而提高了N2的選擇性，減少了NH3的消耗。

其中主要反應(yīng)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(shù)同樣運(yùn)用了許多高中化學(xué)中的知識：

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

（2） 催化劑的性質(zhì)與作用

在化學(xué)反應(yīng)里能改變反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速率（提高或降低）而不改變化學(xué)平衡，且本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有發(fā)生改變的物質(zhì)叫催化劑。

SCR反應(yīng)中催化劑存在降低了化學(xué)反應(yīng)的溫度，選擇性地促進(jìn)了NH3與NO、NO2的反應(yīng)，抑制了NH3與O2的反應(yīng)。

3、 揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）治理

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）治理技術(shù)包括冷凝、膜回收、化學(xué)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(jī)物與氧氣反應(yīng)生成CO2和水，通用的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

CxHyOz+（2x+y/2-z）O2→xCO2+（y/2）H2O

主要運(yùn)用的高中化學(xué)知識有：

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

（2） 催化劑的作用，可降低反應(yīng)溫度，一般的燃燒技術(shù)反應(yīng)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(fā)性有機(jī)物均為導(dǎo)致霧霾的主要前驅(qū)體，環(huán)保工作者利用其性質(zhì)研發(fā)了各種廢氣治理技術(shù)，為廢氣治理做出了巨大貢獻(xiàn)，為恢復(fù)藍(lán)天白云、消滅霧霾發(fā)揮了巨大作用。許多高中化學(xué)中的知識可以應(yīng)用于大氣環(huán)境治理過程，作為一個(gè)熱愛環(huán)境的高中生，我誓要認(rèn)真學(xué)習(xí)化學(xué)知識，學(xué)以致用，為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)做出自己的貢獻(xiàn)。

作者簡介：

郝宏源（2001—），男，山東泰安市人。