12年级

空气、水与土壤污染

污染物会在空气、水和土壤之间迁移，并发生反应、累积或危害生物。本课介绍其来源、影响及化学控制方法，包括烟气脱硫和汽车催化转化。

直觉污染连接三种环境

排入空气的污染物可能溶于雨水、沉降到土壤、进入河流，并在生物体内累积。与扩散后的治理相比，源头减排往往更有效。

调节扩散/混合系数 D。颜色越深表示浓度越高；D 增大时污染羽流浓度降低，但会向河流和土壤扩散得更远。

定义: 一次污染物与二次污染物

一次污染物是直接排放的物质，例如 SO₂ 或 CO。二次污染物由排放物与环境成分反应生成，例如近地面臭氧和硫酸盐气溶胶。

常见污染物、来源与影响
污染物	来源与主要危害
SO₂、NOₓ	含硫燃料燃烧及高温发动机、炉窑；造成酸沉降并刺激呼吸道
CO；颗粒物（PM₂.₅/PM₁₀）	不完全燃烧、烟尘和道路扬尘；CO 妨碍氧输送，细颗粒可深入肺部
VOC；重金属（Pb、Hg、Cd、As）	来源包括挥发、燃烧、采矿、冶金和废弃物；部分 VOC 形成光化学烟雾，金属可能有毒且持久存在
营养盐；农药	肥料和污水径流带入氮、磷并可能引发富营养化；持久性农药可能生物累积

燃料中的硫燃烧生成 SO₂。它在空气中氧化并与水结合，可生成硫酸和硫酸盐颗粒；氮氧化物也可生成硝酸。这些酸降低雨水和土壤的 pH，使养分离子流失或有毒铝进入溶液。

\ce{S + O2 -> SO2; 2 SO2 + O2 ->[catalyst] 2 SO3; SO3 + H2O -> H2SO4}

\ce{N2 + O2 ->[high\ T] 2 NO; 2 NO + O2 -> 2 NO2; 4 NO2 + O2 + 2 H2O -> 4 HNO3}

硫酸型烟雾与寒冷潮湿空气中的 SO₂ 和颗粒物有关；光化学烟雾则在阳光下由 NOₓ 和 VOC 生成臭氧等氧化剂。近地面臭氧有害，而平流层臭氧具有保护作用。

硝酸盐和磷酸盐径流可引发富营养化：藻类大量繁殖，随后分解过程消耗溶解氧，缺氧可能导致鱼类死亡。过量施肥并非唯一原因，污水排放和水流改变也有影响。

\ce{C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O}

例题: 脱除二氧化硫

烟气脱硫使用石灰石。按化学计量，捕集 6.40 kg SO₂ 需要多少纯 CaCO₃？已知 M(SO₂)=64.1、M(CaCO₃)=100.1 g mol⁻¹。

解答

总反应为 CaCO₃ + SO₂ + ½O₂ + 2H₂O → CaSO₄·2H₂O + CO₂，物质的量比为 1:1。n(SO₂)=6400/64.1=99.8 mol，因此 n(CaCO₃)=99.8 mol，m≈9.99 kg。实际装置需过量投加吸收剂，并考虑接触不完全。

通常含 Pt/Pd 和 Rh 的三元催化器在接近理论空燃比时氧化 CO 和未燃烃，同时还原 NOₓ。柴油系统还可采用氨选择性催化还原。

\ce{2 CO + O2 -> 2 CO2; 2 NO + 2 CO -> N2 + 2 CO2}

例题: 比较雨水酸性

与同大气 CO₂ 平衡的清洁雨水典型 pH 5.6 相比，pH 4.0 时的 [H⁺] 高多少倍？

解答

[H⁺]=10⁻ᵖᴴ mol L⁻¹，因此比值为 10^(5.6−4.0)=10^1.6≈40。清洁雨水因溶解 CO₂ 形成碳酸而呈弱酸性；酸沉降则主要因硫酸和硝酸而酸性更强。

均匀混合箱体的简化收支式为 dC/dt = E/V − kC − Qout C/V + Qin Cin/V。它描述排放 E、体积 V、化学反应或沉降去除 k 以及通风；扩散图则呈现空间上的扩散与去除竞争。

环境控制结合源头减排、捕集和转化。石灰石烟气脱硫将 SO₂ 转为固体硫酸盐；催化器把有害气体转化为危害较小的产物，但不能消除所有排放，仍需维护。