Соединения азота

Азот — важнейший элемент, необходимый для питания. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза и образования белков. Основные запасы азота приходятся на атмосферу— (4-6)- 1015 т.

Доля техногенных выбросов соединений азота составляет около 2 % от его валового поступления. Оценка массового количества техногенных поступлений соединений азота в атмосферу колеблется, по разным оценкам, от 17,8 (см. табл. 4.1) до 70 млн т в год. Около 97 % выбросов приходится на Северное полушарие. Мониторинг 411 городов, расположенных на территории России, показал, что средняя концентрация в воздухе N02 составляет 0,041 мг/м3, a NO — 0,032 мг/м3 при соответствующих значениях ПДКСС, равных 0,04 и 0,06 мг/м3. Разброс содержания оксидов азота в атмосфере значителен и находится в прямой зависимости от населенности региона и его промышленной ориентации.

Техногенные выбросы существенно нарушают естественные природные процессы биологической фиксации и миграции азота.

К основным техногенным соединениям азота относятся его оксиды — оксид(П) NO и оксид(1У) N02. Между ними существует подвижное равновесие, которое можно описать реакцией:

2NO + 02                                           2NOz + Q              (4.21)

При температуре выше 600 °С реакция смещена влево, в сторону образования оксида азота(11). При температуре менее 150 °С образуется оксид азота(1У). В интервале температур 150 — 600 °С в газовой фазе присутствуют два кислородных соединения азота.

Оксид азота(\\) быстро окисляется до N02, который под действием солнечных лучей превращается в газообразную азотную кислоту HN03. Этот азот является существенной составной частью кислотных дождей.

Оксид азота(П) — бесцветный газ, быстро окисляющийся в оксид азота(1У). Оказывает прямое воздействие на нервную систему и кровь.

Оксид азота(IV) — бурый газ с удушливым запахом. Оказывает чрезвычайно сильное влияние на легкие человека. При работе в течение трех—пяти лет в среде с концентрацией N02 0,8— 1,5 мг/м3 развиваются хронические бронхиты, энфизема легких, астма. При одновременном присутствии в воздухе оксидов азота и СО ПДК обоих соединений снижают.

Техногеохимия азота имеет большое значение для состояния окружающей среды, так как его аномальные концентрации вызывают нежелательные изменения в развитии экосистем на всех уровнях. Антропогенные соединения азота, в частности NO и N02,

относятся к «парниковым газам» и могут иметь глобальное климатическое значение.

Оксиды азота активно участвуют в фотохимических реакциях в атмосфере, способствуя разрушению озона и переводу его в кислород (см. реакции (4.4), (4.7) —(4.11)). Установлено их влияние на концентрацию озона в стратосфере и тропосфере, изменение радиационного баланса в атмосфере, фотохимическое образование оксидантов и закисление осадков. По величине техногенного экологического давления этот элемент стоит па одном из первых мест.

Имеется несколько источников техногенного поступления оксидов азота в атмосферу.

Оксиды азота образуются в процессе горения топлива. Они формируются из кислорода и азота воздуха при нагревании его до температуры пламени:

(4.22)

Превалирующим является образование оксида азота(П), количество которого зависит от температуры. Процесс образования NO начинается при 1 000 °С и достигает максимума при температуре около 2 700°С. Расчетная объемная концентрация NO при этой температуре составляет 5,2 %. На практике она значительно ниже. При охлаждении NO частично разлагается на исходные компоненты.

Доля оксидов азота в отходящих газах предприятий энергетики мала. Однако с учетом реакций, которые претерпевает этот компонент в атмосфере, присутствие его в отходящих газах даже в малых количествах нежелательно.

Специальной очистки газа от соединений азота не проводят. Считается, что оксиды азота удаляются при очистке вместе с соединениями серы. Ограничение выбросов соединений азота проводят регулированием процесса горения. Необходимо, чтобы избыток воздуха был минимальным, должно быть отрегулировано соотношение первичного и вторичного воздуха.

В химической промышленности получение азотной кислоты сопровождается появлением выброса оксидов азота (0,15 — 0,30%) в отходящих газах. Удельный выброс составляет порядка 25 кг оксидов азота на 1 т продукционной азотной кислоты (в пересчете на 100%-ю кислоту). При объемных концентрациях оксидов азота в воздухе более 0,03 % появляется чистый желтый цвет и отходящие газы азотнокислого производства образуют красноватые дымовые хвосты, которые получили название «лисий хвост».

Очистку отходящих газов от оксидов азота можно проводить методом абсорбции. В качестве абсорбента применяют щелочные поглотители. Однако движущая сила абсорбции невелика. На практике в качестве абсорбента применяют 15 — 20%-ю щелочь. Для достижения полной очистки приходится использовать большое ко-

личество башен. Схема очистки получается громоздкой. При начальной концентрации оксидов азота 0,2 % можно достичь 50%-й степени очистки.

При небольших объемах газов можно применить адсорбционный метод с силикагелем в качестве адсорбента. На силикагеле можно выделять N02 из отходящих газов. Одновременно происходит очистка и от NO, так как силикагель служит катализатором для его окисления до N02.

В некоторых случаях, когда требуется получение очень чистых газов, применяются молекулярные сита из синтетических цеолитов. Эти вещества более эффективны, чем силикагель. Регенерацию адсорбента осуществляют паром или воздухом при температуре 160 °С.

Наиболее перспективным является метод каталитического восстановления оксидов азота до элементарного азота. В настоящее время метод применяют на химических заводах по производству азотной кислоты и азотных удобрений. Восстанавливающими агентами являются водород, природный газ, аммиак. Температура процесса восстановления 750—800 °С. В качестве катализаторов используют платину, палладий, рутений или комбинацию этих металлов.

Технологическое переоборудование предприятий, загрязняющих атмосферу соединениями азота, требует больших капитальных вложений. Например, оборудование коксохимических печей Магнитогорского комбината установками для улавливания пыли и соединений азота оценено в 150 млн долл. Договор на такую сумму был заключен комбинатом в 1998 г. с фирмой «Крупп» (Германия).