三甲基砷氧化物

关注焦点： 　　●实施多指标综合管理措施 　　●制定相应的标准体系 　　●推动实施区域联防联控 　　●采取经济激励政策 　　●披露企业污染排放信息 　　 　　据估计，和上世纪80年代相比，我国机动车保有量增加24倍，机动车排放成为部分大中城市大气污染的主要来源。　CFP供图 　　氮氧化物是大气主要污染物之一，是光化学烟雾污染、城市灰霾天气、大气酸沉降等一系列环境问题的重要根源。由于氮氧化物可以在大气层中长距离输送，其引起的全球性或区域性污染问题也日益凸现。 　　发达国家较早采取了一系列政策措施防治氮氧化物污染，其中一些经验对我国“十二五”期间进行氮氧化物污染综合管理和控制有一定借鉴意义。 　　由于氮氧化物的控制涉及到多种二次污染物，因而既要考虑其本身的危害，又要考虑其二次污染物的危害。针对这一特点，欧美等发达国家采取了系统的防控措施，并取得了显著成效。 　　实施多指标综合管理措施 　　美国和欧盟的氮氧化物控制政策目标均是减少氮氧化物及其二次污染物的环境损害。因此，在控制氮氧化物污染时，不仅要求各类排放源达到相应的排放标准，还要求根据二次污染物的削减目标来制定区域氮氧化物的排放总量。 　　欧盟的酸雨政策从一开始便将酸沉降、富营养化和近地面臭氧问题纳入同一控制体系，采取一揽子控制政策。 　　多指标的污染控制政策可以有效避免多个单指标控制政策之间的冲突，并且更易于执行。 　　美国氮氧化物控制主要是以二次污染物臭氧和酸雨为最终控制目标，一方面通过州际合作解决近地面臭氧非达标区的二次污染问题，另一方面通过酸雨计划解决氮沉降问题。美国2005年颁布的《州际清洁大气法案》也考虑了多指标的大气污染控制政策，将臭氧和细颗粒物的污染控制纳入统一政策体系中。 　　制定相应的标准体系 　　美国和欧洲都制定了各类大型固定源以及机动车的氮氧化物排放标准。排放标准本身的制定就同时考虑了环境要求和相关控制技术的经济性、可行性、和费用有效性。 　　美国环保局以1990年《清洁大气法修正案》的第一卷“大气污染预防与控制”以及第四卷“酸沉降控制”为法律依据，通过执行酸雨中氮氧化物的削减计划来控制固定源氮氧化物污染。 　　酸雨计划分两个阶段在全国范围实施燃煤电厂的氮氧化物削减:第一阶段的削减对象为固态排渣墙式锅炉以及切向燃烧锅炉。第二阶段的削减对象为格状喷然器、旋风燃烧器、湿态排渣锅炉以及立式燃烧锅炉。 　　针对机动车排放源，美国和欧洲均出台分阶段的排放标准，通过逐步更新机动车排放控制技术削减氮氧化物的排放。 　　美国和欧洲均采用了包括二氧化氮、臭氧和细颗粒物的多指标体系制定环境空气质量标准来控制氮氧化物污染。欧盟及其成员国制定的二氧化氮标准均符合世界卫生组织的推荐标准。美国虽然对二氧化氮要求较为宽松，但严格控制二次污染物，对氮氧化物起到了协同控制作用。 　　推动实施区域联防联控 　　在解决氮氧化物及其二次污染物的长距离输送问题时，欧洲和美国都制定了区域污染控制政策，建立了地区间协调和合作机制，通过多地区间的协作达到减少氮氧化物区域污染的目的。 　　在欧洲，欧盟各成员国通过签署各类国际公约，提交国家削减计划等方式来达到控制氮氧化物区域污染的目标。 　　1979年，欧洲和北美各国签署了《长距离跨界大气污染公约》来解决酸雨和近地面臭氧等大气污染物跨界输送导致的问题 1988年，联合国欧洲经济委员会制定了这一公约下旨在控制氮氧化物排放和输送的《索菲亚协议》，规定到1994年止，氮氧化物排放量要冻结在1987年的水平，并且自1989年开始，10年间应削减氮氧化物30%的排放量。1999年，欧盟各成员国签署的《控制酸沉降、富营养化和臭氧协议》制定了各签署国到2010年的氮氧化物排放限制目标。 　　另外，欧盟于1997年通过了一项酸雨防治战略，旨在同时解决欧盟范围内的酸沉降、富营养化以及近地面臭氧问题。由于氮氧化物是这3类二次污染问题的前体物质，因此这一战略通过制定全欧盟排放总量目标来解决这些问题。2001年，欧盟委员会通过了《国家最高排放限值公约》，规定了包括氮氧化物在内的4种生态污染物到2010年的排放限值。 　　美国为解决氮氧化物长距离传输所引起的臭氧和细粒子污染问题，制定了区域污染控制策略，建立了地区间的有效协调和合作机制。 　　1994年，美国东部各州建立的臭氧输送委员会形成了谅解备忘录，实施区域性氮氧化物削减计划。第一阶段(1999~2002年)为氮氧化物配额管理方案，规定了氮氧化物的年排放总量和污染源排放配额，合作区域包括12个州和哥伦比亚特区。第二阶段(2003~2008年)为氮氧化物州际执行计划，制定了区域排放总量限值，并规定排污企业可以卖出或者存储多余排放配额，这一计划将合作区域扩大到22个州。 　　2009年开始，美国东部各州在《州际清洁空气法案》基础上执行氮氧化物的臭氧季节削减方案来控制夏季电力部门排放氮氧化物，合作区域增至28个州。 　　采取经济激励政策 　　近年来，发达国家将基于成本收益分析的经济激励政策引入氮氧化物的控制政策体系，成为基于法规政令的命令控制型政策的有益补充。 　　其中，美国最常用的是排污许可证交易制度，欧洲部分国家则借助于排污收费和排污税来控制企业的排污行为。 　　美国在臭氧输送委员会氮氧化物配额管理方案和氮氧化物州际执行计划中实施了氮氧化物配额交易，使得控制政策在实现了污染排放削减目标的同时，大大降低了减排成本。 　　据美国环保局估算，氮氧化物配额交易使臭氧输送委员会氮氧化物配额管理方案第二阶段的污染削减成本从高于13亿美元(2000年价格)降低到7亿美元水平。这一机制成功地降低了氮氧化物的排放量和近地面臭氧的环境浓度。 　　据美国环保局2007年的评估数据显示，在实施氮氧化物配额交易后，2006年目标排放源的氮氧化物排放量与2005年相比削减了7%，与1990年相比削减了74%。 　　西欧部分国家对氮氧化物征收税费，通常只是针对较大的排放源征收排污费，例如发电厂、供热厂等。 　　法国自1990年起即开始对大型燃烧源收取氮氧化物排污税，并将75%的收入用到减排投资和研发。缴税企业可依据减排技术类型申请补贴，标准减排技术补贴比例为增量成本的15%，先进减排技术为30%。这种税收收入分配机制调动了企业使用先进减排技术的积极性，使得1997年氮氧化物削减了13%。 　　1990年，瑞典开始对大型燃煤电厂收取氮氧化物排污费。收费政策实施后，瑞典1993年氮氧化物的排放总量比1990年削减了44%，提前实现了1995年减排35%的目标，取得了显著的减排效果。 　　2007年1月1日，挪威开始针对船舶、航空以及道路等移动源和部分工业固定源征收氮氧化物排污税，税收对象覆盖55%的氮氧化物排放源。排污税政策执行1年之后，氮氧化物排放总量削减了0.6%。 　　披露企业污染排放信息 　　企业作为削减氮氧化物的基本单元，其污染控制手段和实施情况直接影响到减排效果。发达国家将企业排放登记制度和企业污染源信息披露制度作为重要的辅助工具应用于污染物削减政策的制定和执行。 　　2009年10月8日，全球第一份具有法律约束效力的《污染物排放和转移登记议定书》在欧洲17个国家正式生效，并向所有联合国成员国或区域一体化组织开放。参加《议定书》的国家必须对其国内工业、农业、交通和商业等领域排放的包括氮氧化物在内的86种主要污染物污染源进行登记和通报，并将数据以网上公开登记册等方式向公众公开。 　　近年来，奥地利国际系统分析研究所、美国宇航局等科研机构公布了氮氧化物全球排放清单，为决策部门、科研单位和公众披露环境信息，便于有关部门实行监控氮氧化物变化趋势、制定更有效的控制措施。 我国可采取何种对策? 　　随着经济的持续快速发展和能源消耗量的增加，我国氮氧化物排放量也在增长。1980年的排放量约为476万吨，2008年增长到1625万吨。从排放源来看，第一次全国污染源普查的数据表明，我国97%的氮氧化物排放来自工业源和机动车尾气。其中电力热力的生产和供应是最主要的氮氧化物排放企业，排放量占到我国排放总量的40%。 　　随着我国机动车保有量从1990年的620万辆增长到2009年的1.86亿辆，机动车尾气在氮氧化物排放中的比例逐年上升，已由1995年的10.4%快速增长到2007年的31%。 　　针对这一情况，建议采取以下对策: 　　第一，实施多指标综合管理。就我国目前氮氧化物的污染状况而言，应该尽早形成覆盖二氧化氮、臭氧、细颗粒物以及酸沉降等多项控制指标的综合指标体系，实施氮氧化物的多目标管理，从一次污染物到二次污染物进行全生命周期控制。 　　第二，开展氮氧化物区域联防联控。存在严重氮氧化物污染问题的地区，有必要制定区域层面的氮氧化物污染联防联控政策，建立污染源协调和管理机制，从而有效地解决区域整体的环境污染问题。 　　第三，加强企业排污监管。结合氮氧化物总量控制目标加强企业监督，督促其严格执行排放标准。通过环境信息披露制度，在政府、企业与公众之间形成相辅相成的良性互动，达到更好的污染防治效果。 　　第四，推行经济激励。在我国氮氧化物的防控工作中引入市场化的经济政策，使命令控制方式和市场化机制互相补充。在实施氮氧化物排放总量控制时，配套实施相应的减排激励政策，鼓励多减排、早减排、尽快实施氮氧化物排污收税和排污削减量交易等措施。

摘要 　　“十二五”期间，氮氧化物的总量控制要突出重点行业和重点区域，推行以防治火电行业排放为核心的工业氮氧化物防治体系和以防治机动车排放为核心的城市氮氧化物防治体系。要推进能源结构持续优化，严格控制新增量 全面开展电力行业氮氧化物减排 采取综合措施加强机动车氮氧化物排放控制 推进以水泥行业为主的其他行业氮氧化物排放控制。 　　2011年3月14日，全国人大审议通过了“十二五”规划纲要，提出化学需氧量、二氧化硫分别减少8%，同时将氨氮和氮氧化物首次列入约束性指标体系，要求分别减少10%，氮氧化物已经成为我国下一阶段污染减排的重点。 　　把氮氧化物作为“十二五”减排约束性指标的必要性 　　■阅读提示 　　由氮氧化物等污染物引起的臭氧和细粒子污染问题日益突出，威胁人民群众的身体健康，成为当前迫切需要解决的环境问题。若不加严控制，今后一段时期我国城市光化学烟雾、酸雨污染和灰霾天气还将呈迅速发展和恶化之势。 　　氮氧化物活性高、氧化性强，是造成我国复合型大气污染的关键污染物。随着国民经济持续快速发展和能源消费总量大幅攀升，我国氮氧化物排放量迅速增长。“十一五”期间，我国氮氧化物排放量逐年增长，2008年达2000万吨，排放负荷巨大。火力发电、工业和交通运输部门三者之和占我国氮氧化物排放总量的85%，基本呈现三足鼎立之势。氮氧化物排放量的迅速增加导致了一系列的城市和区域环境问题。北京到上海之间的工业密集区已成为对流层二氧化氮污染较为严重的地区，“十一五”期间全国降水中硝酸根离子平均浓度较2005年有较大幅度增长。由氮氧化物等污染物引起的臭氧和细粒子污染问题日益突出，威胁人民群众的身体健康，成为当前迫切需要解决的环境问题。若不加严控制，今后一段时期我国城市光化学烟雾、酸雨污染和灰霾天气还将呈迅速发展和恶化之势。综上分析，“十二五”期间我国必须对氮氧化物进行全面控制，针对氮氧化物的污染特征，进入以质量改善为切入点、以主要行业为突破口的大规模削减阶段。 　　从减排管理的基础条件来看，自“十一五”以来，随着污染减排三大体系能力建设的加强，氮氧化物统计、监测管理工作取得突破性进展。2006年全国环境统计中将氮氧化物因子纳入到环境统计范畴 2007年开展的污染源普查工作对全国氮氧化物排放系数和排放现状进行了全面调查。在污染源监测方面，随着国控重点源烟气排放连续监测设施建设完成，氮氧化物排放重点源大都具备了自动监测的能力，并与省、市监控中心实现了联网。此外，国内火电行业氮氧化物控制技术日趋成熟，除催化剂等核心技术外，基本实现了国产化。这些都为全面实施氮氧化物排放总量控制奠定了良好的基础。 　　“十二五”氮氧化物总量控制总体考虑及目标的确定 　　■阅读提示 　　在确定国家总量控制目标的同时，也将减排任务分解到了各省(自治区、直辖市)，确定了减排项目清单，真正把减排任务落到实处，这是总量控制目标制定的一次突破。 　　污染物排放总量控制是环境管理的重要手段，我国氮氧化物的总量控制模式要根据排放物的污染特征来确定，氮氧化物排放具有行业、区域集中的特点，因此，“十二五”期间氮氧化物的总量控制要突出重点行业和重点区域，推行以防治火电行业排放为核心的工业氮氧化物防治体系和以防治机动车排放为核心的城市氮氧化物防治体系。强化总量控制对经济发展方式、经济结构调整和能源结构调整的优化作用，严格控制增量，强化结构减排，细化工程减排，实化监管减排，确保减排约束性指标目标的完成。 　　值得一提的是，此次在总量控制目标确定方面，我国首次采用了“二上二下”的方式。通过印发《“十二五”主要污染物总量控制规划编制指南》(以下简称《指南》)，提出了“十二五”氮氧化物减排的总体思路、减排要求、减排技术路线及总量目标测算方法，各省结合本省的环境质量状况、经济社会发展情况及减排潜力，根据《指南》要求编制总量控制规划，测算总量控制目标，提交减排项目清单。在此基础上，统筹考虑国家宏观经济政策、节能减排重大战略、产业布局和结构调整要求，确定国家总量控制目标，实现了统筹协调、上下衔接、部门联动，增强了总量控制目标确定的科学性、合理性和可行性。在确定国家总量控制目标的同时，也将减排任务分解到了各省(自治区、直辖市)，确定了减排项目清单，真正把减排任务落到实处，这是总量控制目标制定的一次突破。 　　“十二五”氮氧化物总量控制基本思路 　　■阅读提示 　　推进能源结构持续优化，严格控制新增量 全面开展电力行业氮氧化物减排 采取综合措施加强机动车氮氧化物排放控制 推进以水泥行业为主的其他行业氮氧化物排放控制。 　　推进能源结构持续优化，严格控制新增量。严格执行国家产业政策，全面落实淘汰落后产能要求，在单位面积排放强度大的地区要进一步加严产业结构调整要求，遏制高耗能、高污染产业过快发展。严格控制污染物新增量。新建项目必须按照先进的生产技术和最严格的环保要求进行控制，大幅度降低污染物排放强度。煤电及水泥行业新建项目要求配套建设烟气脱硝设施。提高机动车准入门槛，执行国家第Ⅳ阶段排放标准，部分城市提前执行国家第Ⅴ阶段排放标准，供油油品实现配套。进一步改善能源消费结构，控制煤炭消费增量，促进经济发展的绿色转型。 　　全面开展电力行业氮氧化物减排。电力行业属于高架源，排放的氮氧化物在大气中发生远距离传输和化学转化，不但会影响当地的环境质量，而且存在跨界污染的问题，是造成区域性环境问题的主要原因。截至目前，我国已有80%的火电机组采用了低氮燃烧技术，已建烟气脱硝设施达到9700万千瓦。目前我国正在修订火电厂大气污染物排放标准，氮氧化物的排放标准将会非常严格。这就要求在“十二五”期间，除淘汰的小火电机组外，全面推进现役机组低氮燃烧技术改造及脱硝设施的建设，加大已安装脱硝设施机组的监管力度，提高减排能力。东部地区和其他地区的省会城市单机容量20万千瓦及以上的现役燃煤机组实行脱硝改造，其他地区单机容量30万千瓦及以上的现役燃煤机组实行脱硝改造。 　　采取综合措施加强机动车氮氧化物排放控制。在一些大城市，机动车排放已经超过工业排放成为重要的大气污染源，氮氧化物的分担率一般在50%左右，由于其排气高度低，对人体的危害非常大，因此机动车氮氧化物的控制对改善城市环境质量具有至关重要的作用。“十二五”期间我国将在有条件的重点城市实行机动车新增量总量控制，并严格执行黄标车淘汰政策。按照东、中、西部差别化的政策，加大黄标车的淘汰力度，到“十二五”末，东部地区基本淘汰所有黄标车，即国0的汽油车和国Ⅲ以前的柴油车。提高机动车准入门槛，实施油品升级改造工程。“十二五”期间，在全国范围内严格实施国家第Ⅳ阶段机动车排放标准，部分重点区域和城市提前实施国家第Ⅴ阶段排放标准 2011年在全国范围内供应国Ⅲ标准的车用燃油，2015年底前基本实现国Ⅳ水平车用燃油的供应，实现车、油同步升级。 　　推进以水泥行业为主的其他行业氮氧化物排放控制。我国水泥行业氮氧化物的排放占总排放量的10%左右，是我国氮氧化物排放的第三大源。随着水泥行业落后产能淘汰工作的推进，新型干法窑的使用比例将大幅增加，在提高能源使用效率的同时，由于燃烧温度高等原因，氮氧化物排放量将显著增加。“十二五”期间需大力开展水泥行业新型干法窑降氮脱硝工作，根据水泥窑的现状和特性，推进烟气脱硝工程建设，要求长三角、珠三角、京津冀鲁等重点区域氮氧化物年排放量在1000吨以上或熟料生产规模在2000吨/日以上的现役新型干法窑实行脱硝改造。 　　钢铁、工业锅炉也是氮氧化物的重要排放源，为拓展氮氧化物减排领域，推进氮氧化物持续减排，“十二五”期间应加快冶金行业、工业锅炉等其他行业氮氧化物控制技术的研发和产业化进程，推进烟气脱硝示范工程建设。 　　“十二五”氮氧化物总量减排的难点 　　■阅读提示 　　电力行业大规模脱硝受多种因素的影响和制约 油品质量保证和机动车排放标准实施进程直接影响到氮氧化物的减排进展 重点行业污染治理技术的发展水平将影响“十二五”氮氧化物的减排效果。 　　电力行业大规模脱硝受多种因素的影响和制约。为实现氮氧化物“十二五”总量控制目标，“十二五”期间我国电力行业脱硝装机容量比例需达到70%以上(包括新增机组)，这将大于“十一五”期间二氧化硫的脱硫装机容量，减排压力非常大。此外，电厂脱硝还原剂氨的需求量将很大，脱硝装置中的催化剂也未实现国产化，这些因素都将增大电力行业氮氧化物减排的难度。 　　油品质量保证和机动车排放标准实施进程直接影响到氮氧化物的减排进展。车用燃油质量差、含硫量高是制约机动车排放控制的主要因素，尤其是当前柴油品质极不利于柴油机尾气后处理技术的使用，影响氮氧化物减排效果。目前我国还未实现国Ⅲ油品柴油的全面供应，这与“十二五”期间要基本实现国Ⅳ水平车用燃油的供应仍有较大差距，需要多部门加强协调推进这项工作。另外，提高机动车排放标准是控制机动车氮氧化物新增量的主要手段，但标准实施后减排效果需要一定的时间才能显现，因此，“十二五”期间国Ⅳ排放标准能否及时推行是保障机动车氮氧化物减排的关键。 　　重点行业污染治理技术的发展水平将影响“十二五”氮氧化物的减排效果。尽管我国已有电厂烟气脱硝的控制技术，但火电厂烟气脱硝的一些关键技术仍受制于国外，钢铁、水泥、工业锅炉等行业氮氧化物排放控制技术也处于研究阶段，其研发及应用的发展水平将影响“十二五”氮氧化物的减排效果。“十二五”期间，国家应该对氮氧化物控制技术研究及产业化给予更多的支持及优惠政策，尽快推动国内氮氧化物控制技术的规模化示范应用和产业化，为氮氧化物的大规模削减提供更多技术支撑。

【研究背景】氧化物水相界面是广泛存在的自然界重要组成部分，因其在生态系统中的关键作用而受到广泛关注。例如，硅酸盐在水中的质子化和去质子化过程主导着地球风化作用，并在全球碳循环中扮演重要角色。与传统的固液界面材料相比，氧化物水相界面在现代工业应用中同样具有重要作用，如可再生能源领域中的氧气析出反应。然而，氧化物水相界面难以通过常规手段探测，其原因在于该界面对带电粒子和原子的高阻挡性，以及其与低温和真空系统的不兼容性。因此，如何准确研究氧化物水相界面的结构和反应机制成为一大挑战。为了解决这些问题，复旦大学物理系刘韡韬教授、沈元壤院士团队联合在氧化物水相界面研究中取得了新进展。该团队设计了一种新型实验方案，实现了在液态水中对氧化物表面的原位和频振动光谱（SFVS）探测。利用该方法，研究人员首次在pH变化条件下，揭示了硅石-水界面上表面硅醇与硅醇盐物种并未直接相互转化的现象。结合从头计算，他们发现了一条新的反应路径，展示了非常规的五配位硅中间体的形成过程。通过该方案，显著提高了对界面结构的认识，成功获取了水相硅石界面中复杂化学反应的分子级理解。这一研究不仅解决了长期以来关于氧化物水相界面的争议，还为进一步探索氧化物-水界面的结构和功能提供了新的研究方向。【表征解读】本文通过采用典型的宽带表面光声光谱（SFVS）实验装置，深入研究了经典二氧化硅—水界面的微观特性，揭示了氧化物表面结构对界面水特性的深刻影响。通过这一技术，作者能够有效地探测到二氧化硅表面与水分子之间的相互作用，为作者重新审视界面水的性质提供了新的视角。作者发现，即便在一个研究得十分详尽的系统中，依然存在一些意想不到的发现，这强调了对其他氧化物—水界面进行原位研究的重要性和紧迫性，尤其是结合高精度的表面核磁共振技术（NMR）等其他手段，可能会发现新的现象。在本文研究中，作者针对二氧化硅—水界面特征，利用密度泛函理论（DFT）分子动力学（MD）模拟与DFT-MD元动力学结合的方法，探讨了表面羟基的酸碱平衡行为。这种微观机理的表征为理解界面反应提供了深刻的理论基础。作者的模拟结果表明，不同羟基密度的二氧化硅表面呈现出明显不同的水分子排列和相互作用特性，这些发现进一步挖掘了水分子在界面上的结构和动力学行为。在此基础上，通过结合SFVS和DFT-MD的表征手段，作者系统研究了二氧化硅薄膜的光学性质以及与水的相互作用，得到了在不同pH值下二氧化硅—水界面的光谱特征。这些结果展示了界面结构如何影响水分子的行为，并为开发新型的水处理材料提供了理论指导。作者发现，在酸性条件下，二氧化硅表面的羟基会发生显著变化，从而影响水分子的吸附和排列。这一发现为优化二氧化硅基材料的性能提供了新的思路。总之，经过以上的实验和模拟表征，作者深入分析了二氧化硅—水界面的微观特性，揭示了界面结构对水分子行为的影响。这不仅有助于作者理解传统材料在水环境中的表现，也为新材料的制备提供了重要参考。最终，这些研究成果推动了水处理、能源存储及环境修复等领域的进步，展现出二氧化硅基材料在现代科技中的广阔应用前景。【图文速递】图1. 二氧化硅界面的实验装置、界面场增强及SF谱。图2. 水中硅-水界面Si-O拉伸振动谱随pH的演化。图3. SiO2-H2O界面反应的MD模拟结果。图4. 计算表面覆盖率和非线性光学极化率。【科学启迪】作者通过原位光谱和理论方法的结合，达到了对经典硅石-水界面的全新理解。作者的发现呼吁重新审视界面水的特性，因为作者对氧化物表面结构有了更深入的认识。尽管该体系已被广泛研究，但意外的发现强调了对其他氧化物-水界面的原位研究的相关性和紧迫性，尤其是结合其他技术（例如高精度表面核磁共振）进行联合研究时，可能会发现新的现象。原文详情：Li, X., Brigiano, F.S., Pezzotti, S. et al. Unconventional structural evolution of an oxide surface in water unveiled by in situ sum-frequency spectroscopy. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01658-y