高中化学在环境大气治理中的应用

近十年来，雾霾引起了人们的广泛关注，柴静的“穹顶之下”使雾霾对日常生活的危害、影响都赤裸裸地展现在公众面前，2017年，李克强总理亲自将“坚决打好蓝天保卫战”写入报告。从本质上讲，“雾”和“霾”并不相同，由于大气中悬浮的水汽凝结导致能见度低于1公里时的天气现象称为雾；霾是由于空气中悬浮的大量微粒和气象条件共同作用的结果，主要由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、挥发性有机物等粒子组成的，而硫酸、硝酸主要是SO2、NOx等与空气中的O2、水共同作用的产物。

最近两年经过全国人民的共同努力，雾霾天气得到了很好的控制，蓝天白云的天数越来越多。通过阅读书籍、论文，我欣喜地发现，很多工业废气治理均采用化学法，环境大气治理过程中运用到了很多高中化学的知识。

1、SO2治理

按照使用的吸收剂或吸附剂的形态和处理过程的不同，烟气脱硫的方法分为干法和湿法两大类。其中，湿法脱硫主要指用液态吸收剂吸收烟气中的SO2的方法。湿法脱硫包括：氨吸收法、石灰石—石膏吸收法、钠钾吸收法（即双碱法）等。

（1）氨吸收法

氨吸收法是指用氨水吸收烟中的SO2，生成亚硫酸铵（NH4）2SO3和亚硫酸氢铵（NH4HSO3），（NH4）2SO3和NH4HSO3经氧化得到（NH4）2SO4。反应方程式如下：

吸收反应

NH3+ H2O+ SO2→（NH4）2SO3

（NH4）2SO3+ SO2 +H2O→ NH4HSO3

NH4HSO3 + NH3→（NH4）2SO3

氧化反应：

（NH4）2SO3+O2→（NH4）2SO4

（2） 石灰石—石膏法

石灰石—石膏法脱硫是目前最成熟可靠、运行费用低的脱硫技术，以CaCO3粉末和Ca（OH）2作为吸收剂吸收烟气中的SO2，副产物为CaSO4·2H2O。化学反应方程式如下：

吸收过程

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

氧化过程

2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O→2CaSO4·2H2O

Ca（HSO3）2+O2+2H2O→CaSO4·2H2O+H2SO4

（3） 钠碱吸收法

钠碱法脱硫又称为双碱法，先用活性极强的NaOH作为吸收剂吸收SO2，然后再用Ca（OH）2对吸收液进行再生，由于在吸收和吸收液处理中使用了不同类型的碱，故称为钠钙双碱法。反应方程式如下：

吸收过程：

2NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O

Na2SO3 + SO2 + H2O → 2NaHSO3

再生过程：

Ca（OH）2 + Na2SO3 → 2 NaOH + CaSO3

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

氧化过程

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

上述经典的脱硫技术应用到了很多高中化学中的知识，如：

（1） 酸性氧化物与碱反应、氧化还原反应、酸碱中和反应等；

（2） 化学反应平衡，可逆反应存在化学反应平衡，可以通过增加反应物的浓度促进化学反应向希望的方向进行；

（3） 不同物质的溶解性不同，生成的难溶物质、微溶物质可不断析出，促进化学反应进行；

（4） 溶解平衡、电离平衡，如SO2首先溶于水，产生溶解平衡，与水反应，电离产生H+、HSO3-、SO32-，产生电离平衡：SO2（g）= SO2（aq） ；

SO2（aq）+H2O（l） =H++HSO3-= 2H++SO32-

2、 NOx治理

烟气脱硝，是指把已生成的NOX还原为N2，从而脱除烟气中的NOX。常用的NOx治理技术主要有选择性催化还原烟气脱硝（SCR）、选择性非催化还原法脱硝（SNCR）。

（1） SNCR脱硝

SNCR是选择性非催化还原，是一种成熟的低成本脫硝技术。在SNCR脱硝工艺中，在较高的反应温度（930～1090℃）将尿素或氨基化合物注入烟气，将NOx还原为N2。还原剂通常注进炉膛或者紧靠炉膛出口的烟道。

采用NH3作为还原剂，在温度为900℃～1100℃的范围内，还原NOx的化学反应方程式主要为：

4NH3 + 4NO+ O2 →4N2 +6H2O

4NH3 + 2NO+ 2O2 →3N2 +6H2O

8NH3 + 6NO2 →7N2 +12H2O

而采用尿素作为还原剂还原NOx的主要化学反应为：

CO（NH2）2→2NH2 + CO

NH2 + NO→N2 + H2O

CO + NO→N2 + CO2

（2） SCR脱硝

选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）的原理是在催化剂作用下，还原剂NH3在290-400℃下有选择地将NO和NO2还原成N2，而几乎不发生NH3与O2的氧化反应，从而提高了N2的选择性，减少了NH3的消耗。

其中主要反应如下：

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

8NH3+6NO2=7N2+12H2O

4NH3+3O2=2N2+6H2O

4NH3+5O2=4NO+6H2O

上述脱硝技术同样运用了许多高中化学中的知识：

（1） 氧化还原反应，SCR与SNCR脱硝技术的主要反应为氧化还原反应，通过加入还原剂将NOX还原为N2。

（2） 催化剂的性质与作用

在化学反应里能改变反应物化学反应速率（提高或降低）而不改变化学平衡，且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂。

SCR反应中催化剂存在降低了化学反应的温度，选择性地促进了NH3与NO、NO2的反应，抑制了NH3与O2的反应。

3、 挥发性有机物（VOCs）治理

挥发性有机物（VOCs）治理技术包括冷凝、膜回收、化学吸收、燃烧法、催化燃烧法、生物法、低温等离子、光催化氧化等。

其中燃烧法、催化燃烧法、光催化氧化法均为在一定的条件下比如合适的温度、光照、催化剂存在等条件下，使有机物与氧气反应生成CO2和水，通用的化学反应方程式如下：

CxHyOz+（2x+y/2-z）O2→xCO2+（y/2）H2O

主要运用的高中化学知识有：

（1） 有机物的性质，可与氧气发生燃烧反应，生成CO2和水，并放出大量的热。

（2） 催化剂的作用，可降低反应温度，一般的燃烧技术反应温度为700～800℃，而催化燃烧的温度仅为260～420℃。

综上所述，SO2、NOX、挥发性有机物均为导致雾霾的主要前驱体，环保工作者利用其性质研发了各种废气治理技术，为废气治理做出了巨大贡献，为恢复蓝天白云、消灭雾霾发挥了巨大作用。许多高中化学中的知识可以应用于大气环境治理过程，作为一个热爱环境的高中生，我誓要认真学习化学知识，学以致用，为打赢蓝天保卫战做出自己的贡献。

作者简介：

郝宏源（2001—），男，山东泰安市人。