《氮氧化反應》課件VIP

氮氧化反應化學變化的奧秘元素相互作用的探索課程概述1氮的基本性質元素特征與存在形式2氮的氧化物NO、NO?等化合物特性3氮氧化反應機理形成過程與化學原理環(huán)境影響和應用氮元素簡介原子結構原子序數(shù)7，電子構型1s22s22p3化學性質常溫下穩(wěn)定，高溫下可活潑自然界分布空氣中含量約78%，生物體必需元素氮分子結構三重鍵結構N≡N鍵能較高鍵長短(1.09?)電子緊密排布化學穩(wěn)定性結合能941kJ/mol常溫下難反應需高能激活氮氣的物理性質無色無味標準狀態(tài)下呈氣態(tài)感官上無法直接識別微溶于水20℃時溶解度約0.02g/L低溫高壓下溶解度增加密度比空氣小相對密度0.97氣球中填充可上升氮的化學性質化學惰性室溫下極不活潑高溫活性可與鋰、鎂等金屬反應電弧下反應與氧形成一氧化氮催化條件與氫反應生成氨氮的固定自然固氮雷電和生物作用轉化氮氣工業(yè)固氮哈伯法等人工轉化氮氣植物吸收轉化為生物可利用形式自然固氮過程雷電作用高溫電弧使N?與O?反應根瘤菌固氮共生關系中酶催化N?還原藍藻固氮水體中重要氮源提供者工業(yè)固氮原料準備N?和H?純化與混合反應條件400-500℃，15-25MPa催化轉化鐵催化劑上N?+3H?→2NH?分離存儲冷凝分離氨，循環(huán)未反應氣體氮的氧化物概覽高價氧化物N?O?等不穩(wěn)定物種二氧化氮NO?，紅棕色，強氧化性一氧化氮NO，無色，自由基氧化亞氮N?O，笑氣，弱氧化性一氧化氮(NO)物理狀態(tài)無色氣體，微溶于水分子特性不成對電子，順磁性化學活性易被氧化，能與O?反應生物活性體內信號分子，調節(jié)血管擴張一氧化氮的制備實驗室制法Cu+稀HNO?→Cu(NO?)?+NO↑+H?O3Cu+8HNO?→3Cu(NO?)?+2NO↑+4H?O收集方法：排水集氣工業(yè)制法NH?催化氧化：4NH?+5O?→4NO+6H?O催化劑：Pt-Rh合金網(wǎng)溫度：800-900℃主要用于硝酸生產(chǎn)一氧化氮與氧氣反應反應方程式2NO+O?→2NO?反應類型氧化反應反應速率二級反應影響因素溫度、濃度現(xiàn)象無色變?yōu)榧t棕色二氧化氮(NO?)物理性質紅棕色氣體刺激性氣味易溶于水化學性質強氧化性與水反應生成酸受熱分解分子結構平面分子N-O鍵極性存在二聚平衡二氧化氮的制備金屬硝酸鹽熱分解2Pb(NO?)?→2PbO+4NO?↑+O?↑1一氧化氮氧化2NO+O?→2NO?工業(yè)來源硝酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生燃燒過程高溫燃燒氮化合物生成NO?與水的反應3反應物3NO?+H?O→2HNO?+NO2酸產(chǎn)物生成硝酸1氣態(tài)產(chǎn)物釋放一氧化氮氮的其他氧化物N?O(笑氣)無色，微甜氣味麻醉作用強溫室氣體氧化性弱N?O?(五氧化二氮)白色晶體強氧化劑極易分解與水反應生成硝酸N?O?(三氧化二氮)藍色液體不穩(wěn)定亞硝酸酐2NO+NO?→N?O?氮氧化物的環(huán)境影響酸雨形成機理排放階段NO?和SO?進入大氣轉化階段NO?+OH→HNO?，SO?+H?O→H?SO?→H?SO?沉降階段酸性物質隨降水落到地表影響階段損害建筑、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康光化學煙霧前體物排放NO?和VOCs排入大氣光化學反應太陽光引發(fā)自由基連鎖反應二次污染物生成臭氧、PAN等氧化性物質形成人體危害呼吸道刺激，視力下降，肺功能損害氮氧化物污染控制源頭控制清潔燃料低氮燃燒工藝優(yōu)化末端治理SCR技術SNCR技術濕法脫硝監(jiān)管措施排放限值總量控制經(jīng)濟手段熱力型NOx形成1氮分子活化高溫下N?鍵斷裂形成原子態(tài)氮2自由基反應N·+O?→NO+O·，N·+OH→NO+H·3溫度依賴性1300℃以上顯著增加4停留時間影響高溫區(qū)停留時間越長，形成越多快速型NOx形成熱力型NOx(ppm)快速NOx(ppm)燃料型NOx形成氮源燃料中含氮化合物轉化溫度800-1200℃，較熱力型低轉化率燃料中氮轉化率20%-80%典型來源煤炭、生物質等固體燃料低氮燃燒技術分級燃燒燃料或空氣分段供給，創(chuàng)造富燃區(qū)和貧燃區(qū)煙氣再循環(huán)部分煙氣回流降低火焰溫度水/蒸汽噴射吸收熱量降溫，抑制熱力型NOx低氮燃燒器優(yōu)化燃燒氣流組織，控制火焰形狀煙氣脫硝技術SCR技術選擇性催化還原溫度300-400℃脫硝效率80%-95%催化劑：V?O?-WO?/TiO?SNCR技術選擇性非催化還原溫度850-1100℃脫硝效率30%-60%無需催化劑活性炭法吸附還原反應低溫運行(80-150℃)多污染協(xié)同處理SCR技術原理SNCR技術原理溫度(℃)脫硝效率(%)氨選擇性催化還原NOx反應方程式4NO+4NH?+O?→4N?+6H?O工藝流程氨水霧化→催化劑床層→凈化煙氣安全風險氨逃逸，催化劑中毒溫度控制300-400℃最佳反應溫度窗口尿素選擇性催化還原NOx尿素噴射尿素水溶液霧化熱解反應CO(NH?)?+H?O→2NH?+CO?催化還原NH?與NOx在催化劑上反應凈化排放N?、H?O和CO?排出氮氧化物檢測方法化學發(fā)光法NO+O?反應發(fā)光高靈敏度連續(xù)監(jiān)測電化學傳感器法電流信號轉換便攜式設備低成本紫外可見光譜法NO?紫外吸收遠程監(jiān)測差分吸收光譜氮氧化物排放標準1GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標準2GB/T14668環(huán)境空氣質量標準3GB17691-2018重型柴油車污染物排放限值4地方標準北京、上海等地更嚴格排放限值氮氧化物在大氣中的轉化白天轉化NO?光解生成臭氧形成硝酸產(chǎn)生二次有機氣溶膠夜間轉化NO?自由基形成N?O?生成與水汽反應硝酸鹽氣溶膠氮氧化物與臭氧形成光解反應NO?+hv→NO+O·(λ<430nm)原子氧反應O·+O?+M→O?+M臭氧消耗O?+NO→NO?+O?VOCs參與促進NO→NO?轉化，不消耗O?氮氧化物對植物的影響氮氧化物對人體健康的影響短期暴露呼吸道刺激，咳嗽，氣喘中度影響支氣管炎，肺功能下降長期危害肺氣腫，心血管疾病，免疫力下降氮氧化物在工業(yè)中的應用硝酸生產(chǎn)氨氧化制硝酸的中間產(chǎn)物火箭推進劑N?O?作為氧化劑，用于液體火箭燃料內燃機增效N?O提高發(fā)動機功率電子工業(yè)用于半導體氧化工藝硝酸生產(chǎn)流程氨氧化4NH?+5O?→4NO+6H?ONO氧化2NO+O?→2NO?吸收反應3NO?+H?O→2HNO?+NO尾氣處理NO循環(huán)回用，降低排放氮氧化物在火箭推進劑中的應用液體推進劑N?O?作為氧化劑與肼類燃料反應自燃性組合高比沖固體推進劑硝酸銨作為氧化劑硝酸鹽基組分儲存穩(wěn)定性好點火可靠氮氧化物與材料腐蝕金屬腐蝕氧化膜破壞濕式腐蝕酸性水膜加速腐蝕混凝土損傷碳化和硝化作用涂層劣化顏料變色，粘結力降低氮氧化物與建筑材料石灰石溶解CaCO?+2HNO?→Ca(NO?)?+CO?+H?O砂巖侵蝕顆粒間膠結物溶解，強度下降金屬構件腐蝕銅構件形成硝酸銅鹽，表面發(fā)綠氮氧化物與水體富營養(yǎng)化生態(tài)系統(tǒng)崩潰水生生物大量死亡溶解氧耗盡微生物分解耗氧藻類過度生長水體變綠，透明度下降氮沉降氮氧化物隨降水進入水體全球氮循環(huán)大氣氮N?為主，少量NOx和NH?生物固氮微生物將N?轉化為有機氮礦化與硝化有機氮分解為無機氮人類活動工業(yè)固氮，燃燒排放4反硝化作用硝酸鹽還原為N?返回大氣氮氧化物與氣候變化298N?O溫室效應是CO?溫室效應的298倍114大氣壽命N?O在大氣中停留約114年6%貢獻比例占全球溫室效應的6%0.3年增長率每年濃度增加約0.3%氮氧化物排放清單工業(yè)燃燒交通運輸電力生產(chǎn)農業(yè)活動民用燃燒其他來源氮氧化物排放控制政策國際公約《京都議定書》《哥德堡議定書》《巴黎協(xié)定》國內法規(guī)《大氣污染防治法》《火電廠排放標準》《機動車排放標準》經(jīng)濟手段排污費征收污染物排放權交易清潔生產(chǎn)補貼清潔能源與氮氧化物減排機動車氮氧化物控制技術汽油車三元催化轉化器λ值精確控制EGR技術電噴系統(tǒng)柴油車SCR系統(tǒng)LNT技術DPF+DOC組合高壓共軌噴射新能源車零排放技術電動車推廣氫燃料電池氮氧化物與室內空氣質量主要來源燃氣灶具，取暖設備安全限值室內NO?濃度應低于0.1ppm控制措施通風換氣，油煙機使用凈化方法活性炭吸附，植物吸收新型脫硝催化劑研究分子篩催化劑選擇性高，耐硫性好稀土氧化物低溫活性，熱穩(wěn)定性強貴金屬催化劑Pt-Rh合金，催化效率高等離子體脫硝技術能量輸入高壓電場產(chǎn)生等離子體活性粒子生成電子碰撞產(chǎn)生自由基氧化還原反應NOx與活性粒子反應轉化最終產(chǎn)物形成生成N?、O?和副產(chǎn)物氮氧化物資源化利用硝酸鹽肥料生產(chǎn)轉化為農業(yè)肥料增產(chǎn)硝酸工業(yè)原料用于炸藥、染料、藥物合成硝化反應助劑有機合成中的硝化試劑工業(yè)廢氣循環(huán)利用脫硝產(chǎn)物回收再利用氮氧化物與光催化光激發(fā)TiO?吸收UV光產(chǎn)生電子-空穴對活性物種生成產(chǎn)生OH·,O?·-等活性自由基氧化還原反應NOx被氧化成硝酸鹽表面清除雨水沖刷清除硝酸鹽氮氧化物與霧霾形成2.5PM2.5顆粒物直徑小于2.5微米25%硝酸鹽占比霧霾中硝酸鹽約占25%48h轉化時間NOx轉化為硝酸鹽約需48小時30%貢獻率NOx對重污染期間PM2.5貢獻約30%氮氧化物監(jiān)測網(wǎng)絡地面監(jiān)測站固定站點移動監(jiān)測車網(wǎng)格化布點實時數(shù)據(jù)傳輸衛(wèi)星遙感OMI傳感器TROPOMI全球覆蓋垂直分布觀測便攜設備個人監(jiān)測器無人機搭載微型傳感器網(wǎng)絡氮氧化物排放預測模型時間(h)實測值(μg/m3)預測值(μg/m3)氮氧化物與生物脫硝微生物脫硝反硝化細菌將硝酸鹽還原為氮氣植物吸收綠植吸收利用NO?作為養(yǎng)分濕地系統(tǒng)人工濕地