有机化学与环境工程.docx

浅析有机化学与环境工程的相关点王瑞瑞（河南工程学院资源与环境工程系环境专业）摘要：有机化学学科是研究有机化合物的来源、制备、结构、性能、应用及有关理论和方法学的科学。环境工程主要研究由于人类的生产生活而产生的污废水、废气、固体废弃物、物理性污染的控制和污染土壤修复等,以期不超过受纳生态系统的自净容量,从而实现人类社会和大自然的和谐共处。关键字：环境化学 植物化学 环境科学Analysis on organic chemistry and environmental engineeringWangruirui Henan Province Department of resources and environmental engineering, school of engineering and environmental professionalSummary: the origin of the discipline of organic chemistry is the study of organic compounds, synthesis, structure, properties, applications and related theories and methods of science. Environmental engineering research due to the production of human life and pollution of waste water, waste gas, solid waste and physical pollution control and remediation of contaminated soils, with a view to not more than the self-purification capacity of receiving ecosystems, in order to achieve harmonious coexistence of human society and nature.Keywords: Environmental chemistry Plant chemistry Environmental science参考文献1 孔繁翔. 环境生物学M. 北京:高等教育出版社,20002 陈坚. 环境生物技术J， 生物工程进展，2001(5)3 姜成林,徐丽华. 微生物资源的开发与利用M.北京:中国轻工业出版社，2001正文 人类在改造自然创造物质财富的进程中，特别是20世纪，随着有机化学工业的发展，石油、天然气生产的急剧增长，使化工污染越来越突出，环境问题日趋严重。不可否认，化学科学的研究成果和化学知识的应用为推动人类的进步作出了巨大的贡献，化学及其制品已经渗透到人类生活、生产和国民经济的各个领域。但另一方面，随着化学品的大量生产和广泛应用，给人类本来绿色平和的生态环境带来了黑色的污水，黄色的烟尘，五颜六色的废渣和看不见的无色毒物。在大气方面，有马斯河谷烟雾事件、多诺拉烟雾事件、伦敦烟雾事件。特别是伦敦烟雾事件，其致死人数最多，5天内4OOO多人死亡。原因就是燃煤产生的二氧化硫转化成硫酸雾，导致人们胸闷、咳嗽、呕吐，年老体弱者因而死亡。1956年，13本熊本县水俣湾被化工厂排放含汞废水污染，诱发水俣病，使一些人四肢麻木，精神失常，一会酣睡，一会兴奋异常 惨痛而死。环境污染威胁着人们的健康，给人类赖以生存的自然环境的可持续发展带来了巨大的威胁，如何保护我们赖以生存的自然环境，已成为世界各国共同关注和思考的问题。人类的生活与健康与周围环境有着密切的关系,保护我们赖以生存的大气圈、水圈、土壤圈以及生物圈已成为全人类的共识。环境污染和生态破坏已成了全人类面临的最严重的挑战,它已经威胁到我们人类的生存和发展。国外的一位国家元首曾这样说过:当前环境恶化是人类面临的除核战争之外的最大危险。英国一位著名的生态学家爱德华,他也把全球的生态恶化比喻为没有枪声的第三次世界大战。所以保护环境就是保护地球,保护人类自身。这已成为所有公民紧迫而艰巨的任务。从环境污染的原理分析,化学因素造成的污染远比生物因素、物理因素严重得多,因此加强环境化学教育增强环保意识,培养全面高素质的教师队伍是从根本上保护环境的必由之路。化学污染物的危害化学是研究物质化学变化规律的基础科学。人类居住的地球环境是由各类物质组成的,其演化的历程也是物质遵循化学规律变化的过程。研究环境问题离不开化学。化学对人类做出了巨大贡献,化学品极大地丰富了人类的物质生活,提高了人类的生活质量。据20世纪50年代的统计,当时发现和合成的化合物不过200万种,到了1985年,在美国化学文摘(Chemical Ab-stracts,CA)上正式登录的化合物数目已达到了600万种,这个数目到1990年就超过了1000万种,目前世界化学与化工产品已达到7000万种之多,化工总产值约1万亿美元,中国约5000亿人民币。但是化学的这些巨大贡献是伴随着一定的代价的,在生产和使用这些化学品过程中产生了大量的废物,污染了环境。全世界目前每年产生3亿4亿吨危险废弃物,中国化工业排放的废水、废气和固体废物分别占全国工业排放总量的22.5%、7.82%和5.93%,化学工业是最大的有害物质释放工业,给人们带来了不小的灾难。研究证实,约1/61/4人类日常接触的化学品有致癌性,癌症中除皮肤癌外,70%90%为化学致癌物引起,如多环芳烃(PAHs)是一类具有强致癌作用的有机污染物。有毒化学物品的排放和放射性物质泄露事故在世界各地不断发生,如日本水俣病事件(minamata disease event)就是含汞废水排入河海引起的;前苏联的切尔诺贝利核电站(Chernbly Nuclear Power Plant)事故;1984年12月2日在印度中央帮博帕尔市异氰酸甲酯泄露事故等等,均为世界瞩目。至于大量的工业废气和汽车尾气造成的酸雨、温室效应和高空臭氧层破坏(温室效应的主要贡献来自CO2;毒性、光化学氧化和酸化的主要贡献来自SO2;臭氧层破坏的主要贡献来自氟氯烃),更构成全-66-球性危害。总之,大量人工制取的化合物(包括有毒物质)进入环境,在环境中经扩散、迁移、转化和累积,不断地恶化环境,可以这样说,今天的地球上已没有一块干净的土地。栖息在爱尔兰海上的海鸟,体内含有高浓度的多氯联苯;荒无人烟的南极大陆上生长的企鹅体内也测到的DDT的存在;北极附近格陵兰冰盖层中,近几十年来铅和汞的含量在不断上升!发展,不能以牺牲环境为代价化学污染事件迭起,在全世界范围内引起了广泛的关注,许多国家政府都非常重视环境保护和污染治理工作。我国自1973年全国第一次环保工作会议以后,环保工作也有了较快的进展。1989年颁布中华人民共和国环境保护法、以及水污染防治法、大气污染防治法、固体废物污染环境防治法等。我们相信,这些措施的实施都将对环境污染起到控制和改善作用。但是限制和管理只是一种手段,目的是促进治理。从发展的观念看,真正处理好环境和发展的矛盾,实行可持续发展战略,就必须充分依靠和利用先进的科学技术,从生产流程、生产工艺等环节上实行环境优化,也就是开展绿色化学的生产,即是对产品和产品的生产过程用预防污染的策略来减少污染物的产生,并且不再使用有毒有害的物质,不再产生废物,不再处理废物,是一门从源头上阻止污染的化学,实现生产与环境保护同步发展,真正达到造福于人类的目的。加强环境化学教育的重要性要想从根本上解决环境污染问题,除综合运用经济、法律和必要的行政手段进行监督、管理外,更重要的是加强技术研究;强化环境教育,提高人类素质。为了寻求污染控制途径并能在短期内阐明化学品的危害性,追溯污染源及其变化,弄清其机制和危害环节,使得以化学为基础的环境课题研究向更深更广的方向发展,研究时除用化学学科的理论和方法外,还需要吸取地学、气象学、海洋学、生物学、医学等学科的方法和手段,并与之互相渗透交叉,向环境学领域延伸,逐渐形成了一些有别于原化学学科的新观点、新方法。于是,一门新兴的化学分支学科,同时又是环境学组成的新兴学科-环境化学,于本世纪60年代后期诞生了。环境化学是研究化学污染对人类生态体系可能带来影响的化学物质在自然环境中发生的化学变化规律的科学。它是化学科学的一个新的重要分支，也是环境科学的核心组成部分。环境化学的发展大致可分为三个阶段：1970年以前为孕育阶段，70年代为形成阶段，80年代以后为发展阶段。二次大战以后至60年代，发达国家经济从恢复逐步走向高速发展，由于当时只注意经济的发展而忽视了环境保护，污染环境和危害人体健康的事件接连发生，事实促使人们开始研究和寻找污染控制途径，力求人与自然的协调发展。60年代初，由于当时有机氯农药污染的发现，农药中环境残留行为的研究就已经开始。这个阶段是环境化学的孕育阶段。到了70年代，为推动国际重大环境前沿性问题的研究，国际科联1969年成立了环境问题专门委员会(SCOPE)，1971年出版了第一部专著全球环境监测，随后，在70年代陆续出版了一系列与化学有关的专著，这些专著在70年代环境化学研究和发展中起了重要作用。80年代全面地开展了对各主要元素，尤其是生命必需元素的生物地球化学循环和各主要元素之间的相互作用，人类活动对这些循环产生的干扰和影响，以及对这些循环有重大影响的种种因素的研究；重视了化学品安全性评价；开展了全球变化研究，涉及臭氧层破坏、温室效应等全球性环境问题。同时加强了污染控制化学的研究范围。1995年诺贝尔化学奖第一次授予三位环境化学家Crutzen,Rowland和Molina，他们首先提出平流层臭氧破坏的化学机制。Crutzen于1970年提出了NOx理论，Rowland和Molina于1974年提出了CFCs理论，这几位化学家的实验室模拟结果在现实环境中得到验证。从发现平流层中氧化氮可以被紫外辐射分解而破坏全球范围的臭氧层开始，追踪对流层大气中十分稳定的CFCs类化学物质扩散进入平流层的同样归宿，阐明了影响臭氧层厚度的化学机理，使人类可以对耗损臭氧的化学物质进行控制。这些理论的研究成果因1985年南极“臭氧洞”的发现而引起全世界的“震动”，从而导致1987年蒙特利尔议定书的签订。这充分表明环境化学家的工作已经引起全人类的重视，环境化学已经开始走向全面发展。我国的环境化学研究也已经有了20多年的历史，自70年代起，在典型地区环境质量评价，环境容量和环境背景值调查，污染源普查，围绕工业“三废”污染，在大气、水体、土壤中环境污染物的表征、迁移转化规律，生物效应以及控制等方面进行了大量的工作。近年来，完成了一批攻关课题和重大基金项目等国家任务。“环境化学”又称为无害化学、环境友好化学和清洁化学。环境化学是指以绿色意识为指导，研究和设计环境负作用没有或尽可能小的，并在技术上，经济上可行的化学品与化学过程。其核心是利用化学知识和技术预防污染，从源头消除污染，避免或减少废物的产生。环境化学的目标是研究与寻找能充分利用的无毒无害原材料，最大限度地节约能源，在各环节都实现净化和无污染的反应途径的工艺。环境化学的最大特点，在于它是在始端就采用实现污染预防的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染。由于它在通过化学转化获取新物质的过程中就已充分利用了每个原料的原子，具有“原子经济性”，因此它既充分利用了资源，又实现了防止污染。传统化学虽然具有不可替代的作用，但在许多场合却不能有效地利用资源，又大量排放废物造成严重污染。以1993年为例，美国仅按365种有害物质排放估算，化学工业的排放量为136万吨，1992年美国化学工业用于环境的费用为l150亿美元，清理已污染地区花费7000亿美元，所以从环保、经济和社会的要求来看，化学工业已不能再使用和产生有毒、有害物质了，需大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色技术而不仅是对废水、废气、废渣等局部性终端治理技术的开发。环境化学包括节约材料和能源，淘汰有毒原材料；在生产过程排放废物之前减降废物的数量和毒性；对产品而言，绿色化学旨在减少从原材料的提炼到产品的最终处置全过程的不利影响。环境化学不仅对传统的化学工业带来革命性的变化，而且还将推进绿色能源工业、绿色农业的建立和发展。随着生产力的发展和工农业的现代化，排放到环境的污染物日益增加，大大超过了生态系统自然净化的能力，造成了环境污染。为了减少环境污染，措施很多，基于有机化学与环境工程的基础上提出了植物防止环境污染，因为植物有净化环境的能力，对各种污染物都有吸收、积累、分解和代谢作用，能降低大气中有毒气体的浓度，而且能保持大气层中氧和二氧化碳的平衡，减少空气中放射性物质的浓度，减弱躁声，杀菌除尘，净化环境污染。同时，由于不同植物对不同污染物的敏感性不同，又可用来监测预报环境污染植物在大气环境保护中的作用1.植物对于大气的净化，主要有三方面的作用，即去除环境中微生物，对粉尘等的物理吸附作用和对化学物质的吸收转化作用。绿色植物具有抑制或杀死细菌的功能。利用这一功能栽植适当的绿化植物，可使大气中细菌数量下降。一方面绿化地区空气中灰尘减少，细菌失去滋生的场所，从而使细菌数量下降；另一方面植物的分泌物本身具有杀菌作用。目前，已经发现许多植物能分泌出具有杀死细菌、真菌和原生动物能力的挥发物质，例如洋葱的碎糊能杀死葡萄球菌、链球菌及其他细菌；地榆的水浸液能在1分钟内杀死伤寒、副伤寒A和B的病原菌和痢疾杆菌的各菌系；柠檬桉分泌的杀菌素可杀死肺炎球菌、痢疾杆菌、结核病和流感病毒等病菌；柑桔、迷迭香和吊兰，可使空气中的细菌和微生物大为减少。植物一般具有吸附灰尘的作用，植物的叶面有皱纹、粗糙或分泌油脂，可吸附或粘着粉尘，从而降低植物中灰尘等颗粒物的含量，净化环境作用。蒙尘的植物，一经雨水冲洗，又能迅速恢复吸附的能力；此外，草坪也有显著的减尘作用。常春藤、无花果、蓬莱蕉和普通芦荟，都可以吸纳灰尘。植物对环境中的化学物质，能够通过吸收、转化等方式去除一部分的化学物质。植物可以吸收环境中的二氧化碳、二氧化硫、甲醛等物质，并将这些物质转化为自身物质，降低环境中的化学物质浓度。如酚进入植物体后，大部分参加糖代谢，和糖结合成酚糖苷，对植物无毒，贮存于细胞内；另一小部分呈游离酚，则会被多酚氧化酶和过氧化物酶氧化分解，变成CO2、水和其他无毒化合物，解除其毒性。氰化物在植物体内能分解转变为营养物质。地衣、垂柳、臭椿、山楂、板栗、夹竹桃、丁香等吸收SO2能力较强，积累较多硫化物；垂柳、拐枣、油茶具有较大的吸收氟化物的能力。芦荟、吊兰和虎尾兰等可吸收甲醛。紫苑属、黄耆、含烟草和鸡冠花，这类植物能吸收大量的铀等放射性核素。常青藤、月季、蔷薇、芦荟和万年青，可有效清除室内的三氯乙烯、硫比氢、苯、苯酚、氟化氢和乙醚等。天门冬可清除重金属微粒。龟背竹、虎尾兰和一叶兰，可吸收室内80%以上的有害气体。月季，能较多地吸收硫化氢、苯、苯酚、氯化氢、乙醚等有害气体。植物能够进行光合作用。光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程。光合作用除了能转化太阳能，制造有机物之外，还能调节大气中氧和二氧化碳的含量，使大气中的氧和二氧化碳的含量相对稳定。据估计，全世界所有生物通过呼吸作用消耗的氧和燃烧各种燃料所消耗的氧，平均为10000 ts(吨每秒)。以这样的消耗氧的速度计算，大气中的氧大约只需二千年就会用完。然而，这种情况并没有发生。这是因为绿色植物广泛地分布在地球上，不断地通过光合作用吸收二氧化碳和释放氧，从而使大气中的氧和二氧化碳的含量保持着相对的稳定。植物对大气污染还有监测和指示作用。植物监测是利用植物对某些大气污染物的反映，监测空气中有害气体的种类和含量或大气污染程度，以了解大气环境质量状况。在植物受到有害物质的侵害时，一般有害气体都是从叶片上的气孔钻入的，因此叶片上往往出现肉眼看得见的各种伤斑。不同气体引起的伤斑也会有所不同。因而可以通过调查叶片受害症状，测量植物生长量、解析年轮等症状判断空气中的环境质量。如果伤斑是二氧化硫引起的，则多出现在叶脉间，呈点状或块状，严重时出现鲱骨效应；而由氟引起的伤斑大多集中在叶子的尖端和叶片边缘，呈环状或带状。比如，苔藓枯死；雪松呈暗竭色伤斑，棉花叶片发白；各种植物出现“烟斑病”。这是SO2污染的迹象。菖蒲等植物出现浅褐色或红色的明显条斑，是氮氧化物中毒的显示。假如丁香、垂柳萎靡不振，出现“白斑病”，说明空气中有臭氧污染。要是秋海棠、向日葵突然发出花叶，则是氯化物污染引起的。其他的指示植物还有：紫花苜蓿、胡萝卜、菠菜可以监测SO2污染；菖兰、郁金香可以监测氟污染；苹果、玉米可以监测氯污染等等。利用水生植物净化污水是一种成本低廉，节约能源、效益较高的简便易行方法，目前，国内外有关部门正广泛应用生物处理措施净化污水。曾有人做过这样一个实验：在一个实验水池中栽培了芦苇后，从水中排除的悬浮物减少了30%，氯化物减少90%，有机氮减少60%，磷酸盐减少20%，氨减少66%，总硬度减少了33%。水池中的水经芦苇的净化，明显清洁多了。植物对水域的净化，主要有以下途径：首先是植物能分解和转化某些有毒物质。在低浓度的情况下，植物能吸收某些有毒物质，并在体内将有毒物质分解和转化为无毒成分。例如，植物从水中吸收丁酚，丁酚进入植物体后，就能与其他物质形成复杂的化合物，而失去毒性。其中最常见的为酚糖苷，它可以贮藏在液泡内变成对植物无毒的结合态物质，在以后的生长发育过程中，可以被分解和利用，参加细胞正常的代谢过程。其他苯、氰等也都有相似的情况；其次是植物的富集作用。水生植物能吸收和富集水中的有毒物质，其富集能力依植物种类不同而异，但一般可高于水中有毒物质浓度的几十倍、几百倍甚至几千倍以上。经试验证明，多种高等水生植物对氮、磷和各种金属以及酚、氰、农药等有机物都有吸收、积累、分解和转化的能力。其中，水葫芦、水花生、水葱、浮萍、紫萍、水浮莲等都能有效地吸收、积累、分解废水中的营养盐类和多种有机污染物在最适宜的生长条件下，一公顷水葫芦能将800人排放的氮、磷元素当天吸收掉。通过试验进一步证明，在自然界中的多种水生植物，对水中的重金属元素也有去除作用。如水葫芦、水花生能从污水中除去镉、铅、汞、铊、银、钴、锶等重金属元素。除此之外，浮萍在夏秋也能大量吸收、积累电厂洗煤废水中的重金属元素。另外，水生植物还能净化废水中的多种有机污染物。水生植物在净化污水方面各显神通：水葱、田蓟、水生薄荷等植物可以有效杀死水中的细菌；凤眼莲、浮萍、菹草、金鱼藻等植物有较高的吸收水中重金属的能力。 我国水生植物资源十分丰富，对进一步研究、开发利用新的种类净化污水，还有很大潜力。 土壤污染可以由大气污染和水质污染而引起。工厂排出的含有重金属的废气、烟尘和其他有害气体、工业废水、废渣，以及农业上施用化学农药、某些毒性除莠剂及污水灌溉等都会污染土壤。其他放射性物质也会对土壤污染。土壤污染后，能引起土壤酸化或碱化，以及影响有些作物的正常生长发育，因此，利用某些植物对土壤中污染物质的吸收，就能达到消除和净化的目的，降低土壤污染。植物除能吸收有害物质外，还具有防风固沙，涵养水源的作用。对于一些已经遭受污染或本身环境不好的土壤，植物也能够对此进行调节和改善，保护土地资源。这类具有改良土壤能力的植物，称为“绿肥”。人们常常请它们当开路先锋，到十分艰苦的旱、涝、盐、碱、酸、瘠的盐碱荒地或红壤荒地去“落户”。它们不仅能在这些地区扎根生长，而且还积极地替庄稼创造美好的生活环境。此外，绿肥植物多有强大的根系，能够充分吸收利用深层的水分和养分。因此，在它们死亡腐烂后，土壤表层就留下了丰富的养分。据计算，每亩如果收1500公斤苕子，土壤里就相当于增加了57公斤氮肥、12公斤磷肥、13 公斤钾肥！像紫云英、苜蓿等一些豆科绿肥，自身就是一个小小的化肥厂它们利用根瘤中的固氮菌，将空气的氮气合成为氮肥，每亩可产氮肥50公斤左右。这些植物大大的改善了土壤环境，有利于土壤资源的保护和永续利用。除了环境化学、植物化学以外，有机化学与环境工程的一个重要领域就是环境科学。生态环境问题是一个多学科综合性大课题，其中化学学科起着十分重要的作用，当今社会丰富多彩的物质生活都是由化学创造和维持着的。虽然生态环境问题与化工有关，但将化学和化学品作为污染和有害物质的代名词则纯属偏见。 针对日益恶化的环境问题，想法将今天应用广泛的煤转化为清洁燃料，以减少燃煤过程中产生的废气，甚至达到零排放零污染，将煤中的元素原子100%转化成对人类有益的有机产物，在环保的基础上提高利用率。 此外，农业生产当中为了增产，要使用化肥、农药，但是这些物质都会对我们的环境造成威胁。就如，六六六和DDT是很有效的杀虫剂，但也是很不易分解的化合物，大量的使用之后使它们不仅在土壤中残留，而且也进入了作物并通过食物链进入牲畜乃至人体，因此这些氯的农药禁止使用的名单。尽管除虫菊酯类和有机农药应运而生，但这些产品仍然存在污染问题，因此开发绿色农药对有机化学家仍然是一大挑战，有机化学就要研究如何生产出残留时间短，药效更专一的农药，减轻环境的负担。加上一些机溶剂的应用也在一定程度上造成了环境的污染，所以现在人们也在试图减少使用或采用无毒、无污染、可回收、可循环使用的介质加以代替。 面对生态环境问题提出的挑战，化学界在20世纪90年代提出了“环境科学”这一新概念。 绿色工艺环境友好有机合成工艺是绿色化学的主要发展方向，与有机合成研究所追求的高校、高选择性、简捷、反应条件平和、原子经济性等目标一致，其涉及领域十分广泛。将化学剂量的有机反应转换成催化反应一直是有机合成追求的目标，也是绿色工艺的重要方面。以往解决问题的主要手段是治理、停产、甚至关闭，人们为治理环境污染花费了大量的人力，物力和财力，20世纪90年代初，化学家提出了与传统的“治理污染”不同的“环境科学”的概念，即如何从源头上减少，甚至消除污染的产生。通过研究和改进化学化工过程及相应的工艺技术，从根本上降低，以至消除副产品或废弃物的生成，从而达到保护和改善环境的目的。“绿色化学”的目标要求任何一个化学的活动，包括使用的化学原料，化学和化工过程，以及最终的产品，对人类的健康和环境都应该是友好的。因而，环境科学的研究成果对解决环境问题是有根本意义的。对于环境和化工生产的可持续发展也有着重要的意义。“十五”环境保护计划指标没有全部实现，二氧化硫排放量比2000年增加了27.8%，化学需氧量仅减少2.1%，未完成削减10%的控制目标。淮河、海河、辽河、太湖、巢湖、滇池（以下简称“三河三湖”）等重点流域和区域的治理任务只完成计划目标的60%左右。主要污染物排放量远远超过环境容量，环境污染严重。全国26%的地表水国控（国家重点监控）断面劣于水环境V类标准，62%的断面达不到III类标准；流经城市90%的河段受到不同程度污染，75%的湖泊出现富营养化；30%的重点城市饮用水源地水质达不到III类标准；近岸海域环境质量不容乐观；46%的设区城市空气质量达不到二级