從“笑氣”到空氣污染主要推手

◎特約撰稿 賀賀

直到現(xiàn)在，“笑氣”還經(jīng)常出現(xiàn)在牙醫(yī)的診所里。有治牙恐懼者親述，用“笑氣”治牙是一種享受。

氮氧化物的前世今生

說起大氣污染物，很多人會(huì)想到PM2.5還有工廠煙囪排放的黑色或黃色的煙霧?？吹胶跓燑S煙感覺嗆人，我們會(huì)本能地捂住口鼻躲開，對(duì)PM2.5也知道要戴上防霾口罩。不過，有一種大氣污染物無色無味，害人于無形，公眾對(duì)其重視程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，它就是氮氧化物。

據(jù)交通運(yùn)輸部官網(wǎng)數(shù)據(jù)，春節(jié)期間京津冀及周邊地區(qū)公路貨車及客車的流量較平時(shí)分別下降了77%和39%，但隨著近日企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，城市內(nèi)和城際間的交通流量明顯增加，二氧化氮的濃度又明顯上升。二氧化氮是空氣污染的“元兇”之一，光化學(xué)煙霧和酸雨背后的主要推手就是二氧化氮。二氧化氮是諸多氮氧化物的一種。

氮氧化物是大氣污染的“主犯”

氮氧化物（NOX）主要以氣態(tài)形式在大氣中存在，按氮（N）和氧（O）結(jié)合形態(tài)不同，它可分為一氧化二氮（N2O，又稱作氧化亞氮）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、氨氣（NH3）、亞硝酸（HNO2）、硝酸（HNO3）以及少量三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）、五氧化二氮（N2O5）、三氧化氮（NO3）等。

氮氧化物是大氣中常見的污染物，在大氣中測(cè)出較多的是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），造成大氣污染的，主要也是它倆。

另外，一氧化二氮（N2O）則是高層大氣尤其是臭氧層的主要污染物之一。在大氣中約有0.3ppb（ppb為體積濃度單位，十億分比）的一氧化二氮，1ppb～1.5ppb的一氧化氮和二氧化氮。

氮氧化物不同于PM2.5，它看不見聞不著，但具有不同程度的毒性，能誘發(fā)多種呼吸道疾病從而影響人體健康，并產(chǎn)生一系列次生危害。因此，近年來氮氧化物是空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)關(guān)注的主要指標(biāo)之一。

斐里德·穆拉德（Ferid Murad）是阿爾巴尼亞裔美國(guó)人，獲得1998年諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，中國(guó)科學(xué)院外籍院士。

人為因素讓氮氧化物家族日趨龐大

我們賴以生存的大氣約有4/5體積的氮?dú)夂?/5體積的氧氣，它們平常會(huì)“和平相處”，不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。但是，當(dāng)電閃雷鳴、飛機(jī)和汽車的高溫內(nèi)燃機(jī)汽缸等很高的溫度條件下（1200攝氏度），氮?dú)夂脱鯕饩徒Y(jié)合生成氮氧化物。人類等到18世紀(jì)才正式發(fā)現(xiàn)氮氧化物。

1772年，英國(guó)化學(xué)家普利斯特里將銅與硝酸發(fā)生反應(yīng)，得到一種無色氣體。通過實(shí)驗(yàn)確定這種無色氣體不能供動(dòng)物呼吸，也不能維持燃燒，它在空氣中還特別不穩(wěn)定，極易與空氣混合后變成黃棕色氣體。原來它只是微溶于水，變成黃棕色氣體后卻極易溶于水，普利斯特里將這種無色氣體稱為“亞硝空氣”。

普利斯特里還用潮濕的鐵屑對(duì)普通空氣和“亞硝空氣”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，普通空氣沒有任何變化，而“亞硝空氣”卻轉(zhuǎn)變成另一種氣體，體積顯著減少。將點(diǎn)著的蠟燭放進(jìn)這種新氣體中時(shí)，火焰比在空氣中燃燒得更激烈，但放進(jìn)小動(dòng)物后卻立刻死亡。這說明這種新氣體支持燃燒而不支持呼吸，他稱其為“減容亞硝空氣”。

現(xiàn)代人回過頭來分析這個(gè)過程：無色的一氧化氮在空氣中極易被氧化為棕黃色的二氧化氮，而且一氧化氮能使潮濕的鐵屑氧化并生成一氧化二氮，一氧化二氮在高溫時(shí)分解放出氧氣，因此，支持物質(zhì)燃燒。

1779年，普利斯特里將鐵等金屬與濃硝酸發(fā)生反應(yīng)，獲得棕黃色氣體——二氧化氮。他注意到將這種氣體裝進(jìn)玻璃管中加熱后顏色明顯變深，在更高的溫度下又變淡。

現(xiàn)在已有明確結(jié)論：在0～140攝氏度時(shí)，二氧化氮與四氧化二氮相互平衡轉(zhuǎn)變，在150攝氏度時(shí)二氧化氮分解成一氧化氮和氧氣，四氧化二氮和一氧化氮都是無色氣體。

普利斯特里雖然發(fā)現(xiàn)了一氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮，但沒有認(rèn)識(shí)到它們究竟是什么氣體，這些名字也是后來被科學(xué)家們陸續(xù)命名的。

讓你哈哈大笑 也能讓你淚飛成雨

氮氧化物家族被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)后，起初它們作為“笑氣”、麻醉劑以及“養(yǎng)生助手”而存在，直到近年來才陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其毒性以及對(duì)大氣污染的重要影響。

比如，一氧化二氮還有一個(gè)名字叫“笑氣”，它就是個(gè)“活寶”。因?yàn)樗械奶鹞?，人一呼吸到這種氣體，就像喝醉酒一般處于麻醉狀態(tài)，多半人還會(huì)哈哈大笑起來。

這種氣體也是普里斯特里發(fā)現(xiàn)的，后來他實(shí)驗(yàn)室的新成員漢弗萊·戴維吸了幾口這種氣體后，奇怪的現(xiàn)象發(fā)生了：漢弗萊·戴維不由自主地大聲發(fā)笑，還在實(shí)驗(yàn)室里手舞足蹈，過了很久才安靜下來。因此，這種氣體被稱為“笑氣”。

1884年，美國(guó)康涅狄格州的牙醫(yī)威爾斯參加吸入笑氣效果表演會(huì)，他看見一名自愿吸入這種氣體的人興奮得從臺(tái)上跳下來，雖然這個(gè)人腿上還弄了一個(gè)大傷口，但奇怪的是，這個(gè)人一點(diǎn)也不感到疼痛。于是，威爾斯將笑氣作為麻醉劑應(yīng)用于醫(yī)療中，并推薦給醫(yī)院，以減緩手術(shù)中病人的痛苦，這樣還可以幫助牙醫(yī)穩(wěn)住病患的情緒。直到現(xiàn)在，“笑氣”還被用在牙科手術(shù)中。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)醫(yī)學(xué)家穆拉德博士發(fā)現(xiàn)，硝酸甘油進(jìn)入人體后，會(huì)被氧化生成二氧化碳和一氧化氮，其中的一氧化氮對(duì)人體的肌肉等組織有刺激作用。他隨后發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)原本就可以自己合成一氧化氮，這些一氧化氮在生物體內(nèi)很多地方都扮演著信使的作用，比如神經(jīng)傳遞、記憶，甚至男性的性功能。穆拉德博士后來被稱為“偉哥之父”，獲得過諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。他還花了很多精力去研究一氧化氮與人類健康的關(guān)系，寫了一本《神奇的一氧化氮》，書中探討了一氧化氮對(duì)人體各個(gè)部分的影響，從血管到肝肺、腫瘤、婦女健康，甚至提到一氧化氮對(duì)于白領(lǐng)女性、三高人群、長(zhǎng)期飲酒者有想象不到的好處。穆拉德甚至提出，“也許以后，亞健康的我們不用吸氧了，而是吸一氧化氮的配方氣體?！?/p>

在溫度較高或有云霧存在時(shí)，氮氧化物會(huì)與水分子作用形成酸雨。

氮氧化物和碳?xì)浠衔镌谔?yáng)紫外線作用下，會(huì)產(chǎn)生一種具有刺激性的淺藍(lán)色煙霧，其中含有臭氧、醛類、過氧?；跛狨ィ≒ANs）等多種復(fù)雜化合物。

2018年3月11日的全球二氧化氮濃度，顏色越紅表示排放量越大。

在雷電的作用下，氮?dú)夂脱鯕鈺?huì)化合生成一氧化氮。

2019年8月，山東省淄博市博山區(qū)生態(tài)環(huán)境分局聯(lián)合交通局、交警大隊(duì)針對(duì)重型柴油車開展聯(lián)合執(zhí)法活動(dòng)。

一般情況下，二氧化氮和四氧化二氮是一種混合物，在不同的溫度下，兩者可以互相轉(zhuǎn)化。圖中從左到右，溫度不斷升高，瓶中的二氧化氮成分更多，氣體也呈更深的紅顏色。

然而，只有好處沒壞處是不可能的，這不符合辯證法。時(shí)至今日，氮氧化物家族的“惡”越來越彰顯。

20世紀(jì)初，歐美的化學(xué)家發(fā)現(xiàn)氮氧化物對(duì)空氣有污染，并把它們和對(duì)人們有毒、有害的一氧化碳?xì)怏w、二氧化硫以及懸浮顆粒并列為大氣污染物。

在雷電的作用下，氮?dú)夂脱鯕饣仙傻囊谎趸诳諝庵泻苋菀妆谎趸啥趸?。在溫度較大或有云霧存在時(shí)，二氧化氮進(jìn)一步與水分子發(fā)生反應(yīng)，形成酸雨中的重要成分——硝酸。

更令人討厭的是，二氧化氮會(huì)和混入空氣的其他很多烴類等物質(zhì)一起，生成一種叫做過氧乙酰硝酸酯的東西，這種物質(zhì)容易吸附在霧霾中，它對(duì)人的呼吸道傷害非常大，而且催淚效果是甲醛的200多倍。

意外不意外？一氧化二氮會(huì)讓你笑，但二氧化氮會(huì)讓你哭。它們都是氮氧化物家族的重要成員，在不同環(huán)境和輔料作用下，是會(huì)相互轉(zhuǎn)化的。

發(fā)動(dòng)機(jī)是氮氧化物的“潘多拉魔盒”

作為一種大氣污染物，氮氧化物的來源可分為自然和人為兩種。自然污染源主要有雷擊、火山噴發(fā)、細(xì)菌活動(dòng)等。根據(jù)排放方式，人為污染源可以劃分為固定污染源、移動(dòng)污染源（汽車、船舶、飛機(jī)、柴油機(jī)車等）以及群體小污染源如廚房、采暖設(shè)備等。

近年來，城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量暴增，污染物排放量隨之大幅增加，已直接影響到中心城區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量。機(jī)動(dòng)車排放的氮氧化物已成為公眾日益關(guān)注的環(huán)境熱點(diǎn)，可以說，汽/柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒，是氮氧化物污染的最主要源頭。打個(gè)比方，發(fā)動(dòng)機(jī)就像古希臘神話中的“潘多拉魔盒”，一打開后，氮氧化物這“魔鬼”就跑出來危害人間了。

由于來自紫外線的光化學(xué)反應(yīng)，汽車排放的氮氧化物在空氣中積聚并產(chǎn)生污染危害。

【環(huán)境百科】

光化學(xué)煙霧

光化學(xué)煙霧（photo-chemical smog），是汽車、工廠等污染源排入大氣的碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）等一次污染物在陽(yáng)光（尤其是其中的紫外線）作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成二次污染物，再與一次污染物混合所形成的有害淺藍(lán)色煙霧。

光化學(xué)煙霧多發(fā)生在陽(yáng)光強(qiáng)烈的夏秋季節(jié)，隨著光化學(xué)反應(yīng)的不斷進(jìn)行，反應(yīng)生成物不斷蓄積，濃度不斷升高，約在三四小時(shí)后達(dá)到峰值。光化學(xué)煙霧是一種嚴(yán)重的大氣污染現(xiàn)象，對(duì)人體健康以及動(dòng)植物都有負(fù)面影響，還會(huì)損害建筑材料，大幅降低能見度影響出行。

空氣進(jìn)入機(jī)動(dòng)車燃燒的汽缸里時(shí)，氧氣供給燃料燃燒，氧氣和氫氣在高溫高壓下會(huì)發(fā)生化合反應(yīng)，生成氮氧化物排放進(jìn)入空氣中，未燃盡的氮氧化物以廢氣形式排放到空氣中。機(jī)動(dòng)車排放到空氣中的氮氧化物不僅會(huì)造成光化學(xué)煙霧（詳見【環(huán)境百科】）污染，還會(huì)給人體健康帶來長(zhǎng)期負(fù)面影響。

日光促使空氣中的氮氧化物和碳?xì)浠衔锓磻?yīng)后生成活潑的氧氣分子，繼而再與氧分子結(jié)合形成臭氧。臭氧又與一氧化氮反應(yīng)生成二氧化氮，氧原子又和碳?xì)浠衔锓磻?yīng)生成有機(jī)基團(tuán)，這些基團(tuán)進(jìn)一步與一氧化氮、氧氣、碳?xì)浠衔锓磻?yīng)，生成一些醛、酮等。這樣空氣就成了一個(gè)大量化學(xué)物質(zhì)混合在一起的“大反應(yīng)器”，生成以臭氧、醛類為主的過氧化產(chǎn)物，這就是臭名昭著的光化學(xué)煙霧。

空氣中的氮氧化物對(duì)人體有許多危害。常溫下大氣中的氮氧化物容易和氧氣結(jié)合反應(yīng)生成二氧化氮，空氣中二氧化氮含量達(dá)到3.5ppm（濃度單位，百萬分比）且持續(xù)1小時(shí)，就開始對(duì)人體有影響；含量20ppm～50ppm時(shí)，對(duì)人的眼睛有刺激作用；當(dāng)含量達(dá)到150ppm時(shí)，對(duì)人的呼吸器官則有強(qiáng)烈刺激。過量氮氧化物進(jìn)入肺泡后能形成亞硝酸鹽和硝酸，并對(duì)肺產(chǎn)生劇烈刺激，在3～8小時(shí)內(nèi)發(fā)生肺水腫，可能引起致命危險(xiǎn)。

此外，氮氧化物對(duì)人體健康還有長(zhǎng)期影響。一氧化二氮在高空同溫層中會(huì)破壞臭氧層，使較多的紫外線輻射到地面，增加皮膚癌的發(fā)病率，還可能影響人體的免疫系統(tǒng)；接觸濃度為2.5ppm的一氧化氮十幾年的工人，可觀察到牙齒脫落、齒齦發(fā)炎和肺氣腫等變化；吸入一氧化氮可引起血紅蛋白變性，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成影響。還有，長(zhǎng)期接觸氮氧化物，可引起人體類脂代謝的紊亂。

氮氧化物污染有規(guī)律可循

國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，氮氧化物濃度在冬季最高、夏季最低，污染最嚴(yán)重的月份集中在每年11月份到次年2月份，而6～8月的氮氧化物濃度最低。

氮氧化物不光有季節(jié)性，每天的變化也有一定規(guī)律。二氧化氮濃度變化呈“雙峰雙谷”分布特征：兩次峰值分別出現(xiàn)在每天上午9～11點(diǎn)和夜間7～9點(diǎn)，且夜間峰值高于白天；兩次谷值出現(xiàn)在凌晨5～7點(diǎn)和下午3～5點(diǎn)。交通早高峰后二氧化氮不斷積累，從早上7點(diǎn)到11點(diǎn)，濃度不斷升高，之后有所回落。下午3～5點(diǎn)達(dá)到低谷，隨著交通晚高峰到來，二氧化氮濃度又逐漸上升，并在夜間達(dá)到最高值。

機(jī)動(dòng)車排放占氮氧化物總排放量的40%～60%，對(duì)城市環(huán)境空氣中二氧化氮濃度升高的貢獻(xiàn)在70%以上，是環(huán)境中氮氧化物污染的主要來源。目前，對(duì)氮氧化物排放源的分析表明，柴油機(jī)車排放占七成，這也是近年來我國(guó)加大力度治理柴油機(jī)車污染的主要原因。

提升排放標(biāo)準(zhǔn) 整治柴油機(jī)車

氮氧化物的污染治理在歐美國(guó)家開始得稍早。其主要措施包括：不斷提升機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)，提高油品質(zhì)量，使用清潔燃油；從技術(shù)上改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，加裝機(jī)動(dòng)車尾氣凈化裝置等。此外，設(shè)立監(jiān)測(cè)站，經(jīng)常監(jiān)測(cè)污染熱點(diǎn)地區(qū)氮氧化物大氣組分及變化也必不可少。

我國(guó)機(jī)動(dòng)車排放的氮氧化物治理也越來越受重視，很多地方出臺(tái)了相應(yīng)的治理方案。

2016年12月23日，國(guó)家環(huán)保部（現(xiàn)生態(tài)環(huán)境部）與國(guó)家質(zhì)檢總局（現(xiàn)市場(chǎng)監(jiān)管總局）聯(lián)合發(fā)布了國(guó)標(biāo)GB18352.6-2016《輕型汽車污染物及測(cè)量方法》，該標(biāo)準(zhǔn)公布了第六階段輕型汽車的排放要求（即“國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)”）的具體限值、測(cè)試方法及實(shí)施時(shí)間。國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣中的氮氧化物限值更加嚴(yán)格。2019年，多個(gè)城市宣布提前實(shí)施機(jī)動(dòng)車“國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)”。預(yù)計(jì)在今年7月，全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施國(guó)六A排放標(biāo)準(zhǔn)；2023年7月，全國(guó)實(shí)施國(guó)六B排放標(biāo)準(zhǔn)。

去年11月1日，江蘇蘇州率先將氮氧化物納入柴油車尾氣檢測(cè)范圍。交警部門正在制定高排放柴油車限行政策，交通管理部門正在制定柴油貨車淘汰政策。接下來，相信還會(huì)有越來越多的城市加入減少氮氧化物排放的隊(duì)伍中。

2019年1至4月份和2020年1至4月份的美國(guó)二氧化氮濃度監(jiān)測(cè)圖