摘要：清新的空气是人类健康生活的基本需求。然而，生活水平的提高（按需用电、汽车和消费品）导致了生产制造、能源生产和产品使用过程中的空气污染。随着科学家开始了解空气污染与工业化之间的联系，工程师们开发出了各种技术来最大限度地减少污染。钼在其中的许多技术中发挥着核心作用。

燃烧煤炭、石油等化石燃料产生的温室气体排放是当今最紧迫的空气质量问题，它们是全球变暖和气候变化的驱动因素。但是还有其他严重的空气污染挑战如酸雨、雾霾和颗粒物等。

酸雨

有一定年纪的读者应该还记得，上个世纪 70 年代末，酸雨的影响首次显现。光秃秃的树木和濒临死亡的湖泊的画面，让 "酸雨 "一词深深地印在了公众的脑海里。大面积的森林受到影响，曾经健康的树木变得衰弱和患病。酸雨了破坏树叶和针叶上的保护层，降低了它们支持光合作用的能力，而光合作用是树木和植物茁壮成长所必需的。随着损害的加剧，它们更容易受到低温、昆虫和疾病的影响。具有讽刺意味的是，湖泊和溪流变得清澈，但由于水体酸度的增加，鱼类种群和植物生命受到破坏。当地的生态系统开始感受到影响，因为鱼类被排除在食物链之外，鸟类和其他动物难以生存。

酸雨还会缓慢溶解石灰石和大理石，加速自然侵蚀，导致裸露的石材崩塌，从而造成古老建筑的破坏。事实上，18 世纪首次使用 "酸雨 "一词的英国科学家罗伯特-安格斯-史密斯（Robert Angus Smith）注意到，在烧煤较多的大城镇，石材建筑更容易崩塌。

而随着工业化和对电力需求的增加，人们越来越感受到酸雨的影响。人们很快发现，化石燃料往往含有大量的硫，是问题的根源。科学家们已发现化石燃料发电厂是酸雨的最大贡献者。化石燃料燃烧时释放出二氧化硫和各种氮氧化物气体( NOx )，这些气体与云中的微小水滴反应生成硫酸和硝酸。pH值范围从0 (强酸性)到14 (强碱性)，自然雨水的pH值在5 ~ 6之间，而酸雨的pH值在4左右。由于pH值为对数，pH为4的雨水，其酸度是pH为5的雨水酸度的10倍，是 pH值为6的雨水酸度的100 倍。

由含硫化石燃料排放引起的酸雨会对自然环境造成严重破坏，如被破坏的森林和湖泊

 ©istockphoto/Thomas Takacs

雾霾和颗粒物

即使在酸雨成为问题之前，化石燃料会造成污染也广为人知。维多利亚时期大量建筑采用烧煤取暖导致伦敦出现"豌豆汤"般的浓雾。这种烟和雾的组合被称为"雾霾"，它持续存在于当今世界各地的城市。与维多利亚时期的雾霾不同，当代的雾霾大多是由汽车排放造成的，尽管在法规不太严格的地方，燃煤、土地和森林火灾以及工业活动也是导致雾霾的因素。

雾霾带来了显著的健康问题。雾霾中含有的地面臭氧、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳对儿童、老年人以及支气管炎、肺气肿或哮喘人群的危害最大。由癌症和呼吸系统疾病导致的过早死亡，以及出生缺陷和低出生体重率的增加也与接触雾霾有关。

当排放的气体在阳光和热的作用下与空气中的氨、水分和其他化合物发生反应，形成众所周知的棕色薄雾时即形成了雾霾。汽车尾气中的颗粒物也是一种健康危害。事实上，欧盟已将柴油发动机排放的颗粒物列为致癌物。20 世纪 60 年代，对雾霾和颗粒物排放担忧的迅速升温，促使人们大力减少汽车尾气的排放，这甚至发生在酸雨成为人们的担忧之前。

在严重依赖汽车的城市，雾霾是一个严重的问题。洛杉矶是一个典型的例子，在地形上它处于容易聚积污染排放的盆地 ©istockphoto/Daniel Stein

钼：改变的催化剂

酸雨 

早在十九世纪，人们就开始尝试去除发电站废气中的硫。但烟气脱硫（FGD）装置，或被称为洗涤塔，直到二十世纪八九十年代才开始普及。燃煤发电厂最广泛采用的烟气脱硫系统是石灰石-石膏湿法脱硫工艺，在该工艺中，二氧化硫和其他酸性烟气被碳酸钙所中和。洗涤塔是一个非常大的容器，烟气在其中向上通过石灰石浆液喷淋装置。洗涤器的内部构件必须能够承受腐蚀性极强的环境，因此材料的选择是设备设计的一个重要环节。现代脱硫装置采用耐腐蚀性能很好的含钼合金，来确保较长的使用寿命，避免频繁更换带来的高昂费用。因此，建造烟气脱硫装置或采用含钼不锈钢，或采用碳钢包覆含钼镍基合金。

雾霾和颗粒物

如今汽车的催化转换器采用贵金属来分解那些导致雾霾的化合物。但是，燃料中天然含有的硫会使催化剂中毒失效。这意味着，要想大规模利用汽车催化转化器，必须广泛采用低硫燃料。同时，实现汽油无铅化，需要开发新工艺提高辛烷值。这些工艺使用的催化剂也会受到硫的毒害，因此汽油脱硫成为减少雾霾的关键第一步。

在生产低硫液体燃料和天然气的加氢脱硫工艺中，钼起着至关重要的作用。在该工艺中，燃料蒸汽通过由二硫化钼和少量钴、镍或钨组成的催化剂床。二硫化钼催化剂加速游离氢和硫之间的化学反应，燃料中的硫以硫化氢气体的形式脱除。随后硫化氢转化为硫，大部分用于生产硫酸。如今全世界通过加氢脱硫生产的硫比开采的硫还要多。

与汽油发动机相比，柴油发动机的问题更为复杂，因为它排放的污染物种类更多，其中包括许多固体烟尘颗粒。柴油中硫的有害作用与在汽油中类似，会使氧化催化剂中毒。催化剂通过消除排放的气体和 "燃烧 "通过过滤器的细小烟尘颗粒来提高颗粒过滤器的效率。有了低硫柴油，使将污染成分转化为无害气体的技术成为可能。

含钼催化剂大大降低了油燃料的硫含量©Haldor Topsøe

空气质量提升百倍

尽管人们已经认识到雾霾对人类健康和环境的影响，但面临着解决以下双重挑战的难题：需要采用催化转换器来减少雾霾，同时需要低硫燃料来实现这一目标。20世纪70年代到80年代，美国部分地区立法规定使用低硫燃料，推动了燃料脱硫技术的发展。1993 年欧盟委员会为了改善整个欧洲的城市空气质量，要求所有汽油和柴油必须符合新的清洁法规。为了逐步降低燃料中的硫含量，欧盟规定2009 年之前要生产超低硫（硫含量低于10ppm）汽油和柴油。

有一个关于超低硫柴油（ULSD）的生命周期评估分析研究，对欧盟国家从 1993年的含硫2000ppm 柴油转换到如今的10ppm 超低硫柴油在整个生命周期对环境的影响进行了比较。该研究考虑了与车辆使用和性能相关的一系列环境指标。它计算出采用超低硫柴油可减少的排放如下：

环境酸化的可能性减少近 25%。

可吸入颗粒物和其他无机化合物减少 44%。

产生雾霾的可能性降低近 5%。

在整个欧洲大陆，采用超低硫柴油，每年二氧化硫排放减少了75万吨以上(基于2011年道路车辆的柴油消耗量)。此外，尽管过去20年柴油需求翻了一番，但柴油车辆的二氧化硫排放还不到1993年排放量的1%。

低硫燃料、催化转换器和柴油颗粒物过滤器大大减少了全球各个城市的雾霾。多伦多是一个从这些创新中受益匪浅的城市 

©istockphoto/slobo

小结

随着人们生活水平的提高，自然界面临的挑战无疑将继续增加，但发达国家已有效解决了酸雨这一环境问题，并大幅减少了汽车尾气排放，这表明我们没有必要牺牲一个目标来换取另一个目标。钼为改善空气质量做出了重大贡献：它为发电站烟气脱硫设备提供了耐腐蚀性能很高的材料，它也是一种重要的催化剂，用于去除液体燃料和气体燃料中的硫，这一工艺使汽车催化转换器得以大规模应用。这些成就证明了创新在解决一些世界性重大问题中的力量，以及钼对这些解决方案的卓越贡献。