《氮氧化反应》课件

氮氧化反应化学变化的奥秘元素相互作用的探索课程概述1氮的基本性质元素特征与存在形式2氮的氧化物NO、NO₂等化合物特性3氮氧化反应机理形成过程与化学原理环境影响和应用氮元素简介原子结构原子序数7，电子构型1s²2s²2p³化学性质常温下稳定，高温下可活泼自然界分布空气中含量约78%，生物体必需元素氮分子结构三重键结构N≡N键能较高键长短(1.09Å)电子紧密排布化学稳定性结合能941kJ/mol常温下难反应需高能激活氮气的物理性质无色无味标准状态下呈气态感官上无法直接识别微溶于水20℃时溶解度约0.02g/L低温高压下溶解度增加密度比空气小相对密度0.97气球中填充可上升氮的化学性质化学惰性室温下极不活泼高温活性可与锂、镁等金属反应电弧下反应与氧形成一氧化氮催化条件与氢反应生成氨氮的固定自然固氮雷电和生物作用转化氮气工业固氮哈伯法等人工转化氮气植物吸收转化为生物可利用形式自然固氮过程雷电作用高温电弧使N₂与O₂反应根瘤菌固氮共生关系中酶催化N₂还原蓝藻固氮水体中重要氮源提供者工业固氮原料准备N₂和H₂纯化与混合反应条件400-500℃，15-25MPa催化转化铁催化剂上N₂+3H₂→2NH₃分离存储冷凝分离氨，循环未反应气体氮的氧化物概览高价氧化物N₂O₅等不稳定物种二氧化氮NO₂，红棕色，强氧化性一氧化氮NO，无色，自由基氧化亚氮N₂O，笑气，弱氧化性一氧化氮(NO)物理状态无色气体，微溶于水分子特性不成对电子，顺磁性化学活性易被氧化，能与O₂反应生物活性体内信号分子，调节血管扩张一氧化氮的制备实验室制法Cu+稀HNO₃→Cu(NO₃)₂+NO↑+H₂O3Cu+8HNO₃→3Cu(NO₃)₂+2NO↑+4H₂O收集方法：排水集气工业制法NH₃催化氧化：4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O催化剂：Pt-Rh合金网温度：800-900℃主要用于硝酸生产一氧化氮与氧气反应反应方程式2NO+O₂→2NO₂反应类型氧化反应反应速率二级反应影响因素温度、浓度现象无色变为红棕色二氧化氮(NO₂)物理性质红棕色气体刺激性气味易溶于水化学性质强氧化性与水反应生成酸受热分解分子结构平面分子N-O键极性存在二聚平衡二氧化氮的制备金属硝酸盐热分解2Pb(NO₃)₂→2PbO+4NO₂↑+O₂↑1一氧化氮氧化2NO+O₂→2NO₂工业来源硝酸生产过程中产生燃烧过程高温燃烧氮化合物生成NO₂与水的反应3反应物3NO₂+H₂O→2HNO₃+NO2酸产物生成硝酸1气态产物释放一氧化氮氮的其他氧化物N₂O(笑气)无色，微甜气味麻醉作用强温室气体氧化性弱N₂O₅(五氧化二氮)白色晶体强氧化剂极易分解与水反应生成硝酸N₂O₃(三氧化二氮)蓝色液体不稳定亚硝酸酐2NO+NO₂→N₂O₃氮氧化物的环境影响酸雨形成机理排放阶段NOₓ和SO₂进入大气转化阶段NO₂+OH→HNO₃，SO₂+H₂O→H₂SO₃→H₂SO₄沉降阶段酸性物质随降水落到地表影响阶段损害建筑、生态系统和人类健康光化学烟雾前体物排放NOₓ和VOCs排入大气光化学反应太阳光引发自由基连锁反应二次污染物生成臭氧、PAN等氧化性物质形成人体危害呼吸道刺激，视力下降，肺功能损害氮氧化物污染控制源头控制清洁燃料低氮燃烧工艺优化末端治理SCR技术SNCR技术湿法脱硝监管措施排放限值总量控制经济手段热力型NOx形成1氮分子活化高温下N₂键断裂形成原子态氮2自由基反应N·+O₂→NO+O·，N·+OH→NO+H·3温度依赖性1300℃以上显著增加4停留时间影响高温区停留时间越长，形成越多快速型NOx形成热力型NOx(ppm)快速NOx(ppm)燃料型NOx形成氮源燃料中含氮化合物转化温度800-1200℃，较热力型低转化率燃料中氮转化率20%-80%典型来源煤炭、生物质等固体燃料低氮燃烧技术分级燃烧燃料或空气分段供给，创造富燃区和贫燃区烟气再循环部分烟气回流降低火焰温度水/蒸汽喷射吸收热量降温，抑制热力型NOx低氮燃烧器优化燃烧气流组织，控制火焰形状烟气脱硝技术SCR技术选择性催化还原温度300-400℃脱硝效率80%-95%催化剂：V₂O₅-WO₃/TiO₂SNCR技术选择性非催化还原温度850-1100℃脱硝效率30%-60%无需催化剂活性炭法吸附还原反应低温运行(80-150℃)多污染协同处理SCR技术原理SNCR技术原理温度(℃)脱硝效率(%)氨选择性催化还原NOx反应方程式4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O工艺流程氨水雾化→催化剂床层→净化烟气安全风险氨逃逸，催化剂中毒温度控制300-400℃最佳反应温度窗口尿素选择性催化还原NOx尿素喷射尿素水溶液雾化热解反应CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂催化还原NH₃与NOx在催化剂上反应净化排放N₂、H₂O和CO₂排出氮氧化物检测方法化学发光法NO+O₃反应发光高灵敏度连续监测电化学传感器法电流信号转换便携式设备低成本紫外可见光谱法NO₂紫外吸收远程监测差分吸收光谱氮氧化物排放标准1GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准2GB/T14668环境空气质量标准3GB17691-2018重型柴油车污染物排放限值4地方标准北京、上海等地更严格排放限值氮氧化物在大气中的转化白天转化NO₂光解生成臭氧形成硝酸产生二次有机气溶胶夜间转化NO₃自由基形成N₂O₅生成与水汽反应硝酸盐气溶胶氮氧化物与臭氧形成光解反应NO₂+hv→NO+O·(λ<430nm)原子氧反应O·+O₂+M→O₃+M臭氧消耗O₃+NO→NO₂+O₂VOCs参与促进NO→NO₂转化，不消耗O₃氮氧化物对植物的影响氮氧化物对人体健康的影响短期暴露呼吸道刺激，咳嗽，气喘中度影响支气管炎，肺功能下降长期危害肺气肿，心血管疾病，免疫力下降氮氧化物在工业中的应用硝酸生产氨氧化制硝酸的中间产物火箭推进剂N₂O₄作为氧化剂，用于液体火箭燃料内燃机增效N₂O提高发动机功率电子工业用于半导体氧化工艺硝酸生产流程氨氧化4NH₃+5O₂→4NO+6H₂ONO氧化2NO+O₂→2NO₂吸收反应3NO₂+H₂O→2HNO₃+NO尾气处理NO循环回用，降低排放氮氧化物在火箭推进剂中的应用液体推进剂N₂O₄作为氧化剂与肼类燃料反应自燃性组合高比冲固体推进剂硝酸铵作为氧化剂硝酸盐基组分储存稳定性好点火可靠氮氧化物与材料腐蚀金属腐蚀氧化膜破坏湿式腐蚀酸性水膜加速腐蚀混凝土损伤碳化和硝化作用涂层劣化颜料变色，粘结力降低氮氧化物与建筑材料石灰石溶解CaCO₃+2HNO₃→Ca(NO₃)₂+CO₂+H₂O砂岩侵蚀颗粒间胶结物溶解，强度下降金属构件腐蚀铜构件形成硝酸铜盐，表面发绿氮氧化物与水体富营养化生态系统崩溃水生生物大量死亡溶解氧耗尽微生物分解耗氧藻类过度生长水体变绿，透明度下降氮沉降氮氧化物随降水进入水体全球氮循环大气氮N₂为主，少量NOx和NH₃生物固氮微生物将N₂转化为有机氮矿化与硝化有机氮分解为无机氮人类活动工业固氮，燃烧排放4反硝化作用硝酸盐还原为N₂返回大气氮氧化物与气候变化298N₂O温室效应是CO₂温室效应的298倍114大气寿命N₂O在大气中停留约114年6%贡献比例占全球温室效应的6%0.3年增长率每年浓度增加约0.3%氮氧化物排放清单工业燃烧交通运输电力生产农业活动民用燃烧其他来源氮氧化物排放控制政策国际公约《京都议定书》《哥德堡议定书》《巴黎协定》国内法规《大气污染防治法》《火电厂排放标准》《机动车排放标准》经济手段排污费征收污染物排放权交易清洁生产补贴清洁能源与氮氧化物减排机动车氮氧化物控制技术汽油车三元催化转化器λ值精确控制EGR技术电喷系统柴油车SCR系统LNT技术DPF+DOC组合高压共轨喷射新能源车零排放技术电动车推广氢燃料电池氮氧化物与室内空气质量主要来源燃气灶具，取暖设备安全限值室内NO₂浓度应低于0.1ppm控制措施通风换气，油烟机使用净化方法活性炭吸附，植物吸收新型脱硝催化剂研究分子筛催化剂选择性高，耐硫性好稀土氧化物低温活性，热稳定性强贵金属催化剂Pt-Rh合金，催化效率高等离子体脱硝技术能量输入高压电场产生等离子体活性粒子生成电子碰撞产生自由基氧化还原反应NOx与活性粒子反应转化最终产物形成生成N₂、O₂和副产物氮氧化物资源化利用硝酸盐肥料生产转化为农业肥料增产硝酸工业原料用于炸药、染料、药物合成硝化反应助剂有机合成中的硝化试剂工业废气循环利用脱硝产物回收再利用氮氧化物与光催化光激发TiO₂吸收UV光产生电子-空穴对活性物种生成产生OH·,O₂·-等活性自由基氧化还原反应NOx被氧化成硝酸盐表面清除雨水冲刷清除硝酸盐氮氧化物与雾霾形成2.5PM2.5颗粒物直径小于2.5微米25%硝酸盐占比雾霾中硝酸盐约占25%48h转化时间NOx转化为硝酸盐约需48小时30%贡献率NOx对重污染期间PM2.5贡献约30%氮氧化物监测网络地面监测站固定站点移动监测车网格化布点实时数据传输卫星遥感OMI传感器TROPOMI全球覆盖垂直分布观测便携设备个人监测器无人机搭载微型传感器网络氮氧化物排放预测模型时间(h)实测值(µg/m³)预测值(µg/m³)氮氧化物与生物脱硝微生物脱硝反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气植物吸收绿植吸收利用NO₂作为养分湿地系统人工湿地