1.1 酸雨

水是生命之源，因为有了水，我们的地球才有别于浩瀚宇宙中的其他任何一个星球，充满生机、绚丽多姿。千百年来，我们总是把阳光雨露比作大自然的恩赐。生命只有经过雨水的沐浴才会生机盎然、欣欣向荣。然而，最近几十年，我们发现并不是所有的雨水都能给地球带来生命的活力。有些林木在雨水的滋润下不但没有枝繁叶茂，反而日益生机衰退。

人们不禁感到奇怪，是什么使雨水从创造生命奇迹的甘露变成了扼杀生命的祸水？为解开这个谜题，科学家们做了大量的科学研究，最终发现是酸雨导致了这一切的发生，并且随着时间的推移，酸雨的酸性有逐渐增强的趋势，威胁的范围也在持续不断地扩大。

1.1.1 什么是酸雨

1872年英国化学家史密斯在《空气和降雨：化学气候学的开端》一书中首先使用了“酸雨（acid rain）”一词。但是，并非p H＜7的降雨都是酸雨，由于大气中CO2气体的存在，通常情况下天然降水都呈弱酸性。按照达到平衡时计算，雨水的pH=5.6。因此，如果降水的pH＜5.6，则被称为酸雨。

“酸雨”是新闻中常用的术语，但对此现象范围较广的描述是“酸性降水（acid precipitation）”，这包括所有pH＜5.6的从空中云雾降落到地面的液态水（雨）和固态水（雪、霰、雹），通常把近地层中水汽直接凝结于物体表面的露和霜也包括在内。

为了对物质的酸性有更直观的感受，在表1-1中列出了一些常见食品的pH值。

1.1.2 酸雨的形成原理

形成酸雨的主要物质是SOx和NOx，它们的来源主要可以分为两类：

（1）化石燃料的燃烧

煤炭、石油和天然气等化石燃料的燃烧产物中含有大量的SOx和NOx。

（2）工业生产

在某些有色金属（如铜、铅、锌等）的冶炼过程中会产生SOx，硫酸和硝酸工业生产过程中会逸出SOx和NOx。

SOx和NOx在未经处理的情况下排放到大气中，经过一系列反应之后会形成H2SO4和HNO3，主要涉及的化学反应如下：

2SO2+O2→2SO3

SO3+H2O→H2SO4

2NO+O2→2NO2

2NO2+H2O→HNO3+HNO2

雨水在降落的过程中吸收并溶解了H2SO4和HNO3，就形成了pH＜5.6的酸雨。

根据形成原因的差异，酸雨可以分为硫酸型酸雨和硝酸型酸雨。我国的酸雨主要是因大量燃烧含硫量高的煤而形成的，因此主要是硫酸型酸雨，而硝酸型酸雨较少。

1.1.3 酸雨的危害

（1）酸雨会造成江河湖海等水体的酸化，破坏水生植物、动物赖以生存的环境，使生态系统的结构与功能发生紊乱，加速水体的富营养化污染，致使浮游动物的种类和数量下降。鱼类虽有一定的适应能力，不至于突然死亡，但会经受不住持续的酸性压力，导致功能失常、组织病变、繁殖能力下降，从而鱼群逐渐减少，最后消失。

（2）酸雨能影响树木的生长发育，甚至导致树木死亡。首先，酸雨直接影响树木的叶片，破坏叶面的蜡质，使叶面失水，其中的养分也会被冲淋流失，并破坏其呼吸代谢、光合作用等生理功能，引起叶片变色、皱褶、卷曲，直至枯萎。其次，酸雨落地渗入土壤后，使土壤酸化，破坏土壤的营养结构，影响树木生长。一方面，酸雨使土壤中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等离子被H+置换出来，并随雨水流失，使土壤贫瘠；另一方面，土壤中的铝和重金属元素被活化，对树木的根系产生毒害。最后，酸性条件更有利于病虫害的扩散，从而危害树木。

（3）酸雨会与混凝土、金属和石料等材料发生化学反应，从而加快桥梁、楼房、历史遗迹、雕塑的腐蚀。我国的故宫汉白玉雕刻、敦煌壁画、乐山大佛，埃及的斯芬克斯狮身人面像，罗马的图拉真凯旋柱等一大批珍贵的文物古迹正遭受酸雨的侵蚀，如今已损坏得相当严重。美国的林肯纪念像自1922年竖立以来，被酸雨侵蚀掉的大理石厚度已达8mm之多。

（4）酸雨可以对人体产生直接影响，它会刺激皮肤，引起哮喘等多种呼吸道疾病。酸雨还会对人体健康产生间接影响，它使土壤中的有害金属被冲刷带入河流、湖泊，一方面使饮用水水源被污染；另一方面，这些有毒的重金属会在鱼类机体中富集，随着食物链的递增，人类因食用而受害。据报道，很多国家由于受酸雨影响，地下水中铝、铜、锌、镉的浓度已上升到正常值的10～100倍。

1.1.4 酸雨的防治

造成我国酸雨污染的主要污染物是SO2。除了火山喷发等自然原因造成大气中SO2气体浓度升高之外，SO2的主要人为源是燃煤（煤炭有机质的元素主要有C、H、O、N和S等）。我国的能源来源主要还是煤炭，它在能源中所占的比例约为70%。随着我国经济的飞速发展，煤炭的使用量逐年增长，导致SO2的排放量也在急剧增长。图1-1显示了我国2006—2012年SO2的排放总量及增长率。

由此可见，控制我国酸雨污染的主要对策是减少因燃煤而引起的SO2排放。

（1）节约用煤，使用低硫煤

将煤炭进行直接燃烧来获取能量的工艺相对简单，但燃烧的效率低下，因此提高煤的燃烧效率，如采用流化床燃烧就是一种比较合理的方式。新型的流化床锅炉的燃烧效率几乎可以达到99%。普通的煤炭中S的含量一般处于0.2%～5.5%，当煤的含硫量达到1.5%时就应当增加一道洗煤的工序，以此来降低S的含量。原煤在经过洗煤之后，SO2的排放量可降低30%～50%。

（2）烟气脱硫

烟气脱硫是减排SO2的一条重要技术途径，它是一种燃烧后脱硫过程。在烟气排出烟囱前，喷以石灰，其中的CaCO3与SO2发生反应，转化成CaSO3，然后由空气氧化为CaSO4，回收的CaSO4可用作建筑材料。这种脱硫技术的脱硫效率非常高，可以达到95%以上，但是设备的造价高昂，维护转运的成本较高，目前只有一些发达国家才会大规模采用这种技术。该技术在我国还处在起步阶段，只有少数的大型发电厂进行示范性的应用。

（3）型煤固硫

煤炭经过成型处理之后便形成了型煤。所谓型煤固硫，就是在型煤加工的过程中加入固硫剂，使得煤在燃烧的过程中不会排出SO2气体，固硫率可达到50%左右。

（4）发展绿色替代能源

开发可以替代燃煤的清洁能源，如核电、水电、太阳能、风能、地热能等，将会对减排SO2作出很大贡献。但目前的技术水平还不能保证从太阳能、风能、地热能等获得大规模稳定的工业电力。因此，替代能源的主要开发目标应当是水电和核电。据估计，我国水能资源理论蕴藏量为7×108kW，可开发量为4×108kW，开发成功后，每年可节约大量的煤炭，减排大量的SO2。