一氧化二氮与环境保护

来源:本站2021-01-20 13:37:00
在自然条件下,氧化亚氮主要从土壤和海洋中排放。然而,人类的种植、生产、氮肥的使用、尼龙的生产以及化石燃料和其他有机物的燃烧增加了一氧化二氮的排放。
 
破坏臭氧层
 
N2O在大气中停留时间较长,可参与大气中的多种光化学反应,并可被输送到平流层,破坏臭氧层。有研究人员表示,根据1987年通过的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》,人们逐渐减少了氯氟化碳和溴化氢氟碳化合物等消耗臭氧层物质的使用,但一氧化二氮的使用和排放不受议定书的限制。然而,它对臭氧层的破坏越来越明显。
 
美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室的研究人员利用数学模型计算出,人类每年通过使用化肥和化石燃料向大气排放约1000万吨一氧化二氮。如果不采取措施限制其排放,它将成为21世纪最具破坏性的臭氧消耗物质。
 
温室效应
 
全球变暖和臭氧层破坏是两大全球环境问题。N2O是《京都议定书》中规定的六种温室气体之一。根据该公约,包括中国在内的所有国家必须定期向联合国提交其国家温室气体排放清单。虽然大气中N2O的含量很低,但其单分子增温潜能是CO2的298倍,即其温室效应是CO2的298倍,是仅次于CO2和甲烷的第三大温室气体。
 
日本海洋研究开发署地球环境研究中心的研究员石岛健太郎在南极洲收集了冰雪样本并进行分析。发现南极冰雪大气中氧化亚氮浓度为290 ppb(1952年LPPB(LPPB为十亿分之一),2001年增加到316ppb。研究人员认为,随着人口的增加和耕地的扩大,氮肥被广泛使用,氮肥在大气中挥发的一氧化二氮含量急剧增加。一氧化二氮进入大气后,需要120年才能完全分解。
 
一氧化二氮减排措施
 
工农业生产的一氧化二氮对环境的负面影响越来越受到人们的关注,人们也在大力减少一氧化二氮的排放。
 
工业氧化亚氮减排主要是氧化亚氮减排系统的应用。减排系统的设计主要采用三种减排技术:一是优化催化反应过程,抑制氨氧化反应器中N2O的形成;其次,氨氧化炉催化剂网络中产生的N2O通过反应分解为N2和O2;第三种方法是用催化剂分解废气中的N2O。
 
如荷兰皇家壳牌石油公司的DeNOx系统采用催化技术将一氧化二氮(N2O)分解为氮气和水,特别适用于尾气中一氧化二氮浓度高、减排效率高的硝酸、己内酰胺、己二酸工厂的生产。
 
人类活动产生的N2O主要来自农业生产,农业土壤排放的N2O约占人类活动排放的N2O总量的52%。比如美国人类活动排放的N2O  70%来自农业生产,氮肥的施用是促使农田N2O排放的直接原因。作为农业大国,化学氮肥是我国农业生态系统中主要的氮素补充来源。根据粮农组织2004年的统计,中国每年化学氮肥的消费量约占全球总量的25%。中国农田对全球N2O排放的影响已成为全球变化研究的热点之一。研究表明,农业生产造成的N2O排放随着氮肥用量的增加呈指数增长。
 
要解决施肥带来的氧化亚氮温室效应问题,首先要了解它的产生过程。在农业生产中,施用的化肥只有一部分被作物吸收,相当一部分被土壤中微生物活动引起的硝化反硝化过程利用,产生一氧化二氮。近年来,分子生物学的发展为研究一氧化二氮的产生机制提供了强有力的技术支持,世界上也有很多人参与了氮循环的分子机制研究。为了提高氮肥利用率,减少氮素损失,减少氧化亚氮的产生,应用了抑制氮循环中某一步的脲酶抑制剂、硝化抑制剂等制剂,取得了良好的效果。美国国家科学基金会的凯洛格生物站(KBS)为美国农业设计了一种“一氧化二氮温室气体减排方法”。研究负责人之一Neville  miral认为,这种方法的主要价值在于简单易行。农民可以利用它尽可能减少对氮肥的依赖,有利于减少农业生产中一氧化二氮的排放;此外,这种方法还可以在减少地下水中的氮排放和大气中其他形式的氮排放方面发挥作用。
 
中国科学院亚热带农业生态研究所研究员韦文学领导的土壤微生物学研究组致力于氮循环研究,在红壤性水稻土硝化反硝化过程中关键功能基因群体对施肥模式的响应、微生物硝化基因和一系列反硝化基因在干湿交替过程中的多样性演变、关键基因表达与N2O排放的耦合机制等方面取得了一定的成果。将继续探索温室气体N2O的排放机理,为N2O减排提供理论依据。
 
一氧化二氮的回收和利用
 
世界上每年排放的N2O量是巨大的。单纯通过分解或选择性催化还原不是消除N2O的最佳途径。近年来主要针对高排放的工业生产。比如己二酸尾气中N2O的体积分数在30%左右,所以有学者针对N2O回收利用做了大量的工作。特别是N2O作为氧化剂与苯反应生成苯酚,使得N2O具有利用价值。更有意思的是,苯N2O氧化得到的苯酚可以加氢生成环己醇,环己醇是生产己二酸的原料。这样既解决了环境问题,又带来了经济效益。如果这个过程开发成功,将是一条变废为宝的绿色技术路线。