氮氧化物及其引起的环境污染

氮氧化物及其引起的环境污染

摘要：氮氧化物（NO X，NO 和NO2的统称），的城市空气的主要污染物。本文主要

介绍空气中的NO、NO2的产生、转化过程和由它们引起的光化学烟雾、酸雨和平

流层中臭氧减少等环境污染。

关键词：氮氧化物，污染，环境。

1.空气中氮氧化物的产生和转化

1.1NO的形成

氮气和氧气可以直接化合生成NO。

N2＋O2＝2 NOΔH＝180.5kJ/mol (1) 但空气中有大量的N2和O2长期共存。只有在雷电时，才会有少量的NO生成。反应（1）是一个吸热反应。高温环境有利于平衡向右移动。虽然汽车燃料中并不含氮元素，但汽车内燃机工作时的高温使得NO X成为汽车尾气的重要成分。在平流层中飞行的超音速飞机也因为类似的原因排放数量可观的氮氧化物危害臭氧层

1.2 NO2的形成和NO X的转化

NO2主要来自NO。因为NO很容易被空气中的O2氧化。

2 NO+ O2=2 NO2ΔH=-114.1kJ/mol (2)

反应（2）是氮氧化物转化中最重要的一个反应。它是一个吸热反应。下表反映其平衡常数随温度变化的关系。

温度（℃）25 100 200 500 800 1000

K° 2.3×1023 2.2×1099.1×104 1.17 9.1×10-3 1.9×10-3

因为反应（2）是空气中氮氧化物转化的主要方式。由上表可以看出温度的变化对NO X 的成分有重要影响。例如在汽车内燃机的高温环境下，N2和O2化合形成的NO很难再被氧化。在1100℃时，内燃机工作产生的氮氧化物中NO2只占总量的0.5%以下，其它全为NO。而当NO X随汽车尾气排至空气中后，由于温度下降，反应（2）平衡向右移动。此时NO很快被氧化成NO2。事实上，空气中氮氧化物的主要成分是NO2。另外，随NO X 一同排出由于燃料燃烧不完全而产生的CO也能影响NO X的组成：

NO2＋CO＝NO＋CO2(3)

1.3人类活动加剧空气中氮氧化物的污染

空气中的氮氧化物来源大致可分为自然生成和人为排放两大类。

氮是自然界最重要的元素之一。它本身参加生物圈中的生物地化循环，而氮氧化物则是这个循环中的重要一环。因而在自然状态下NO X有很多天然来源，包括以下几点：

1)生物死亡以后机体腐烂形成硝酸盐，经细菌作用生成NO及水，然后缓慢氧化生

成NO2。

2)有机体中氨基酸分解产生氨，经OH自由基氧化形成NO X。

3)生物源产生N X O，经氧化形成NO X。

这些天然来源的氮氧化物数量虽然庞大，但它们原本处在相对稳定的生物地化循环中。

不会引起严重的环境污染。但是由于人类的活动，如汽车尾气的大量排放，火力发电厂及其他工业生产中燃料的燃烧，向空气中排放了大量的氮氧化物。据估计，每燃烧一吨煤，能产生8－9kg氮氧化物。而每燃烧一吨石油和天然气，则分别会产生9.1－12.3kg和6.35kg氮氧化物。全世界每年因燃烧向大气排放的氮氧化物总量达到一百万吨，这占到整个因人类活动而排放的氮氧化物总量的三分之二。另外三分之一则来自制造硝酸、氮肥和炸药的生产过程。虽然目前人类活动排放的氮氧化物数量还远不及氮氧化物的自然来源量，但它已经破坏了自然界中氮元素的循环，造成了严重的环境污染。

2.NO X造成的污染

NO X是城市空气主要污染物，它能够引起光化学烟雾和酸雨。另外，平流层中的NO X 还能导致臭氧含量减少。

2.1NO X与光化学烟雾

空气中的NO2吸收大气底层的可见光和紫外光，与某些碳氢化合物发生光化学反应，产生臭氧、过氧基、烷基、醛以及硝基化合物。例如：

NO2＋hv →NO +O

O + O2 + M →O3 + M

O3 + NO →NO2 + O2

式中M表示O2、N2或其它分子。O、O3和碳氢化合物反应，又能形成一系列稳定的化合物或自由基。这些自由基和NO、NO2或自由基之间又能发生反应，生成其他的自由基或稳定的产物。总之，光化学烟雾包含了一系列复杂的链式反应。这些由NO而来的二级污染物能刺激眼睛，缩短视程，造成肺水肿。NO2还能进入人体血液，形成氧化血红蛋白，使血红蛋白失去输氧功能。光化学烟雾还能危害农作物和观赏植物。光化学烟雾易在高温度、强阳光、低湿度的异常天气条件下发生。

世界上第一次光化学烟雾1946年发生在美国洛杉矶市。因此光化学烟雾又叫洛杉矶烟雾。

2.2NO X与酸雨

空气中的NO、NO2与云雾结合，生成硝酸和亚硝酸，然后随雨水降落而形成酸雨。酸雨严重影响农作物的生长，还能腐蚀建筑，是现代工业社会的常见污染。目前在我国己形成华中、华南、西南等五个酸雨区。其中以华中区最为严重。

2.3NO X与平流层中臭氧减少

扩散到平流层中的NO X能够与臭氧发生反应，把它转变成氧气：

NO + O3 →NO2 + O2

NO2 + O →NO + O2

在这一过程中，NO2起了催化剂的作用。

上世纪七十年代，美国科学家麦克唐纳首先指出超音速飞机的远行会对臭氧层产生不利影响。他估计：协和“500”和“图144”在飞行中排放的废气将使平流层中臭氧的产量下降4%，“波音707”排放的废气将使平流层的臭氧产量减少15%。同时，他还指出，臭氧层中的臭氧量每减少1%，美国每年就要增加皮肤癌患者5000～10000人。

突破性的工作是由加州大学的江斯登做的。他调查了低空光化学烟雾，分析了臭氧层中的氮氧化物，得出的结论是：500架“协和”飞机两年的飞行将使平流层中的臭氧至少减少10%。

1974年以后的3年间，美国交通部组织实施了“超音速飞机环境影响评估项目”，全世界10多个国家的1000名科学家参加，耗资2100万美元。这个项目最后得出的结论是：500架“波音707”每天在平流层中飞行7～8小时，每使用1000克左右的燃料排放14克的氮氧化物，将使北半球平流层中的臭氧减少15%；尽管它很少飞到南半球，那里的臭氧也将受到影响，平流层中的臭氧也将减少8%。

1970年前后，科学家逐渐认识到，农业生产中大量施用氮肥，以及固氮植物的大面积种植，向大气排放了大量的氮氧化物。这些氮氧化物进入平流层，进而影响臭氧的生成量。有科学家预测，21世纪的前25年间，平流层中臭氧还将减少，其中20%是由于农业施用氮肥造成的。

核试验也是破坏臭氧层的主要因素之一。在任何情况下，空气只要被加热达到2300Ｋ，就会产生大量的一氧化氮。核爆炸产生的强大冲击波将把这些一氧化氮等氮氧化物送入平流层。核爆炸形成的橘色蘑菇云就是由氮氧化物变成二氧化氮的结果。大的核爆炸相当于50万吨的ＴＮＴ炸药、高空核爆炸会把大量氮氧化物推入平流层。在1961年～1962年的核试验高峰时期，34000万吨当量的核爆炸把大约130～170万吨氮氧化物注入平流层，这相当于600～1000架“协和”飞机的满载飞行所排放的氮氧化物量。研究发现，1961年～1962年间的核爆炸使平流层中的臭氧减少了大约2%～4.5%。

有人估计，如果进行100亿吨当量的核爆炸，北半球上空平流层中的臭氧量将减少30%～70%，南半球的将减少40%。

目前氮氧化物已经在全世界范围内造成了比较严重的污染，这是大自然给我们敲响的警钟。人类应该携起手来，共同努力，解决这一环境公害。