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氨（NH3）污染
氨 (NH3) 是一种有毒化合物，源自农业和工业产生的气体和废水。因此，将 NH3 转化为无毒的 N2 已成为环境处理催化剂研究的首要任务之一。本文将概述 NH3 排放的危害及其重要来源。
农业土壤中NH3、NOx和N2O的来源
氮氧化物 (NOx) 和硫氧化物 (SOx) 长期以来被认为是环境酸化的主要因素。在空气中，它们很容易转化为硝酸和硫酸。然而，NH3 排放也是环境酸化的间接因素。NH3 与空气中的酸（例如 H2SO4 和 HNO3）发生反应，形成含有硫酸铵 ((NH4)2SO4) 和硝酸铵 (NH4NO3) 的气层。这些盐随后被土壤中的细菌氧化，再次生成 HNO3。此外，氨对人体健康也具有毒性。低浓度的 NH3 会引起刺痛感，高浓度的 NH3 甚至会导致失明。其气味会导致接触者出现严重的过敏反应。因此，氨被认为是长期导致支气管炎的诱因。此外，在工业领域，气体泄漏 NH3 会腐蚀设备，从而堵塞生产流程。1999年，发表在《环境科学》杂志上的一项研究证明了氨在城市光化学烟雾形成中的作用。
农业和畜牧业活动会排放大量的氨气（NH3）。荷兰是受氨气污染导致农业用地酸化影响最严重的国家之一。超过一半的林地受到影响，大部分沼泽地酸化，土壤中的硝酸盐浓度超过允许水平并持续上升。最近，美国北卡罗来纳州东北部也发现土壤中氨气污染也对其产生了负面影响。在工业中，氨气通常被用作选择性催化还原法中氮氧化物（NOx）的还原剂，其反应如下：
NH3 + NO + ¼ O2 → N2 + H2O。
该反应仅在使用过量氨时才会发生，因此存在极高的NH3泄漏风险。此外，许多工业生产源头也存在NH3泄漏，例如纯碱生产、硝酸、冶金工业……
因此，尽管过去30年来人们对NH3处理工艺进行了大量研究，但NH3处理（NH3氧化为N2）已成为当今工业领域的一大挑战。NH3处理主要分为两类：液相NH3氧化和气相NH3氧化。在水中，NH3可以被氯化剂（Cl2）完全氧化。然而，NH3处理后，需要去除水中的氯。另外两种用于氧化NH3溶液的方法是催化湿式氧化法和电化学法。
在气相中，过去常用的方法是将NH3气体溶解到 H2SO4溶液 收集硫酸铵。硫酸铵随后将用于化肥工业。然而，工业对硫酸铵的需求也在下降。因此，另一种备受关注的处理气相NH3的方法是在金属催化剂（Pt、Pd、Cu、Ag、Ni、Fe……）或金属氧化物（Co3O4、Cr2O3、CuO、Fe2O3……）存在下进行高温氨氧化。后续文章将更详细地介绍这种方法。
一种新的环境氨气去除技术利用催化反应选择性地将氨气氧化为氮气和水。该方法适用于处理低浓度和高浓度、气相和液相的氨源。
NH3与空气中的O2的氧化反应理论上可以按以下方式进行：
2 NH3 + 3/2 O2 → N2 + 3 H2O + 151 kcal
2 NH3 + 2 O2 → N2O + 3 H2O + 132 kcal
2 NH3 + 5/2 O2 → 2 NO + 3 H2O + 108 千卡
NO 和 N2O 都是对环境和生物体都有毒害的气体。N2O 是造成温室效应的主要因素之一，而 NO 很容易被 O2 氧化成 NO2，而 NO2 是酸雨的来源。长期暴露于 N2O 中会导致窒息、维生素 B12 缺乏或全身瘫痪。NO 的危害更大，会导致血管阻塞、上皮癌、结肠炎等。因此，在 NH3 污染源处理过程中，催化剂的作用不仅是提高 NH3 氧化反应的速度，还要提高反应的选择性，促进 N2（一种对环境无毒的气体）的生成，并最大限度地降低产物中 NOx 气体（造成酸雨、环境污染的主要因素）的含量。控制产物组成使得 NH3 催化氧化反应成为最有趣和最重要的非均相催化过程之一。
对这些催化剂的研究始于20世纪初。贵金属和过渡金属氧化物最先被研究用于NH3分解反应，因为它们通常对许多其他物质的氧化反应表现出有效的氧化催化活性。目前，针对从金属到金属氧化物的许多催化材料，已经发表了大量的研究成果。例如，在铂或钴的氧化物存在下，在750至900°C的温度下，NH3主要被O2氧化为NOx。相反，在300°C以下的低温下，使用Pt、Pd、Cu、Ag、Au等金属或Co3O4、MnO2、CuO、CaO、Fe2O3等金属氧化物催化剂，NH3氧化的产物为N2和N2O。提高温度和O2/NH3含量会提高NH3的转化活性，但会降低N2的选择性[2]。另一项研究也表明，对于氧化物催化剂，在低温下，催化剂（ZnO、TiO2、MoO3）的活性越低，最终产物N2的选择性越高。
以O2为催化剂对高浓度NH3（气体）氧化反应不同催化剂活性对比表[1]
（[NH3] = 11400 ppm，氦气中，催化剂质量：0,2 g）
O2 在 Pt 金属催化剂上氧化 NH3 引起了全球范围内的广泛研究。1960 年之前已经提出了许多反应机理，然而由于缺乏实验证据，这些机理仅基于假设。最近，Mieher 和 Ho 利用 TPD（程序升温脱附）、EELS（电子能量损失谱）和 LEED（低能电子衍射）技术分析了 NH3 在 Pt (111) 上的氧化反应。这些技术可以识别反应过程中的中间体化合物。据此，两位作者得出结论，反应过程将是 NH3 被氧原子简单裂解，然后 N 原子与 O 结合生成 NO，或者 N 原子自身结合生成 N2 [3]。
NH3 + O → NH2 + OH
NH2 + O → NH + OH
NH + O → N + OH
N + O → NO
N + N → N2
Van den Broek 和 van Santen 最近的研究表明，NH3 在空气中氧化后，Pt 表面吸附的主要粒子为 NH 和 OH，NH 与 OH 的反应是整个反应的控速步骤。NO 与催化剂表面吸附的 N 反应会生成 N2O [4]。Fahmi 和 van Santen 通过对 Pt6 团簇的理论计算也发现，只有当催化剂表面存在氧气时，NH3 才会解离。该反应机理也与 Mieher 和 Ho 通过实验分析方法发现的机理相似 [5]。这些研究为进一步研究 NH3 在 Cu、Ag 和过渡金属氧化物等其他催化剂上的氧化机理奠定了基础。
（收集）
来源：diendankienthuc.net
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