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5 1环境污染与化学 5 2室内环境与化学 思考与练习题 第五章环境与化学 5 3室外环境与化学 现代文明的四大支柱 环境 材料 能源 信息 人类面临的四大挑战 环境 人口 粮食 资源 环境问题是和平与发展的重要内容 环境污染与化学一 环境概念 中华人民共和国环境保护法 中所称环境 是指影响人类社会生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素总体 包括大气 水 海洋 土地 矿藏 森林 草原 野生动物 自然古迹 人文遗迹 自然保护区 风景名胜区 城市和乡村等 1 自然环境包括大气 水 土壤 岩石以及存在于其交界处的生物圈和阳光 它们组成环境的结构单元进而构成环境整体 2 人类活动环境 大环境与人类生存直接有关的大气层 高20公里 水层和土层 深10公里 范围内人人共享的环境物质之总和 小环境任何个人活动的空间如工厂车间 办公室 农村田野 实验室 课堂 宿舍 居室等 亦称工作和生活环境 外环境大环境和小环境的总称 区域环境指地区 行业的特有环境问题的概括 如城市环境 旅游环境等 五四广场 青岛栈桥 3 环境问题环境问题是指因自然变化或人类活动而引起的环境破坏和环境质量变化 以及由此给人类的生存和发展带来不利影响的各种现象 环境问题的产生有自然原因 也有人为原因 自然原因所造成的环境问题为原生环境问题 也称第一环境问题 如火山喷发 地震 台风 海啸 洪涝 干旱 滑坡 虫灾 流行性疾病等自然界本身的变化而引起环境污染和破坏 这类环境问题在人类社会出现以前就存在于自然界中 人类目前还无法对其施加控制和改造 只能通过监视 预测 预报进行防范 或者迁离可能发生巨大灾变的地区 以减少损失 人为原因所造成的环境问题为次生环境问题 也称为第二环境问题 它是由于人类活动作用于周围环境引起环境质量变化 这种变化又对人类的生产 生活和健康造成影响 平时 我们所讲的环境问题就是指人为原因引起的环境污染和破坏 这类环境问题人类通过对其活动的调整 其危害后果不仅能为人们所估量 而且人们还可以通过正确 有效的手段使其减轻和避免 人为原因造成的环境问题按其表现方式又可分为生态破坏 环境污染和资源浪费等 生态破坏是指人类活动直接作用于自然生态系统 造成生态系统的生产能力显著减少和结构显著改变 从而引起的环境问题 如过度放牧引起草原退化 滥采滥捕使珍惜物种灭绝和生态系统生产力下降 植被破坏引起水土流失等等 环境污染则指人类活动的副产品和废弃物进入物理环境后 对生态系统产生的一系列扰乱和侵害 特别是当由此引起的环境质量的恶化反过来又影响人类自己的生活质量时 环境污染不仅包括物质造成的直接污染 如工业 三废 和生活 三废 也包括由物质的物理性质和运动性质引起的污染 如热污染 噪声污染 电磁污染和放射性污染 由环境污染还会衍生出许多环境效应 例如二氧化硫造成的大气污染 除了使大气环境质量下降 还会造成酸雨 二 环境污染主要包括大气污染 水污染 铅污染和 白色污染 等 1 大气污染除了常规污染问题如颗粒物 氧化剂 氮氧化合物 二氧化硫 一氧化碳 多环芳烃 光化学烟雾等的影响外 还有臭氧层破坏 涉及冰箱的更新 酸雨以及污染的指示等问题 1 臭氧层破坏在离地面20 25公里的太空 覆盖着一层臭氧含量高达0 1 的稀薄大气 称为臭氧层 这个臭氧层能吸收太阳发射到地球的大量紫外线 保护人类和整个地球的生态系统免受过量紫外线的危害 据研究 如果该层臭氧减少1 则抵达地球表面的紫外线将增加2 人类的皮肤癌患者也将增加2 导致臭氧层破坏的原因 在于排进大气中的许多化学物质能与臭氧发生反应而消耗臭氧 其中主要是氟里昂 吉林石化爆炸形成的烟雾 吉林石化烟囱冒出的黑烟 重度污染的城市 2 酸雨所谓酸雨是指气态染污物 飘尘和大气雨云结合形成的pH 5 6的雨雪或其它形式的大气降雨 通常认为由于石化燃料燃烧放出的二氧化硫及氮氧化物 是酸雨形成的主因 即酸雨的主要成分为硫酸和硝酸 酸雨使土壤 湖泊 河流酸化 它抑制土壤中有机物的分解和氮的固定 淋洗与土壤粒结合的钙 镁 钾等营养元素 使土壤贫瘠 酸雨与大气中的烟雾结合形成酸雾 其酸性和腐蚀能力大增 使建筑物和各种露天材料受损 目前 全球已形成三大酸雨区 我国覆盖四川 贵州 广东 广西 湖南 湖北 江西 浙江 江苏和青岛等省市部分地区 面积达200多万平方公里 是世界三大酸雨区之一 我国酸雨区面积扩大之快 降水酸化率之高 在世界上是罕见的 世界上另两个酸雨区是以德 法 英等国为中心 波及大半个欧洲的北欧酸雨区和包括美国和加拿大在内的北美酸雨区 这两个酸雨区的总面积大约1000多万平方公里 有时降水的pH值小于0 5 有的甚至小于0 4 国家环保总局2005年6月2日公布的 2004年中国环境状况公报 显示 2004年我国酸雨污染略呈加重趋势 统计显示 2004年我国出现酸雨的城市有298个 占全国527个统计市 县 的56 5 降水年均pH值小于5 6 酸雨 的城市达218个 占统计城市的41 4 与上年相比 出现酸雨的城市比例增加了2 1 酸雨城市比例上升了4 其中pH值小于4 5的城市比例增加了2 酸雨频率超过80 的城市比例上升了1 6 南京历史上酸雨的极值出现在1997年3月份 其PH值为3 06 达到了重度酸雨的标准 这场酸雨的酸性比醋还强 醋酸Ph 4 76 2 水污染人体组织内约有65 是水分 每人每天至少需饮用1 5 2 5升水 1 水的卫生和保健意义水是生命物质的溶剂 也是生命的营养物质 水是消化过程中水解反应的主要反应物和食物润滑剂 也是体温调节剂 卫生要求饮用水应是无臭 无味 透明的液体 水中的细菌数应不超过国际标准 应含有多种营养物质 如矿泉水就含有多种人体需要的常量元素和微量元素等 保健作用活化水 将水放在粉碎机内加速运转而得到的水 脱氧水 将水烧开后立即冷却或超声脱氧而得到的水 低重水 指重氢 氘 含量少的天然水 科学饮水第一 饮水数量要适量 尤其是对肾脏或心脏病患者 由于排泄困难或血液循环障碍 宜限制饮水 否则造成水肿和体温降低 会导致水中毒 但并不排除特定情况下某些人可多量饮水 如人体发热 腹泻 呕吐 多尿或昏迷以及炎热出汗时 都会失去大量水分 这就要补充水量 早晨 人的血液凝固度比晚上大20倍 早晨锻炼者应多喝水 这样能把血液中可能产生的活化因子加以稀释 并经血液的冲刷作用把局部的凝血物冲散 同时也能补充运动和夜晚丢失的水分 还有 吃大量肉或鸡蛋的人 也必须多喝水 因为肉含脂肪多 脂肪的代谢给人体提供的能量也多 会产生酸和丙酮 血液中这两种物质多了 人就会患病 鸡蛋含蛋白质高 它的消化产物为尿素等 将逐渐聚集在血液中 引起尿毒症 多喝水可增加尿量 以消除血中的毒性物质 在吃饭时适当增加些汤羹食品有利于消化 第二 饮水方式要与生理要求相协调 老年人的结肠 直肠肌肉易于萎缩 排便能力较差 加上肠道中粘液分泌减少 大便容易秘结 因此老年人应多饮水 但又不能太多 因心肾处于衰竭期 太多饮水会加重心肾负担 一般饮水量控制在每日2升左右 2岁以下婴儿各系统还处在发育中 宜多次少量给水 第三 饮水品种要与工作要求相一致 如运动员喝保健饮料 稍加点盐和糖 高血压病人 一般应少盐少水 老年人和小孩最好是饮用温开水 温开水对人刺激小而且有利于提高酶的活性 饮水方式要与生理要求相协调 饮水品种要与工作要求相一致 2 水污染对健康的影响据调查 世界上80 的疾病与水或水源污染有关 例如 洪水灾难时 人们往往容易患腹泻病 原因是喝了被霍乱孤菌等物质污染的水 据历史记载 霍乱共有7次大流行 第一次始于1817年 当时霍乱起于印度 传到阿拉伯地区 然后到了非洲和地中海沿岸 在1826年的第二次大流行中 它抵达阿富汗和俄罗斯 然后扩散到整个欧洲 第三次大流行 它漂洋过海 1832年抵达北美 20年不到 霍乱就成了 最令人害怕 最引人注目的19世纪世界病 到1923年的百余年间 霍乱6次大流行 造成损失难以计算 仅印度死者就超过3800万 比较紧的一次是在1991年 秘鲁有336554人患霍乱 其中死亡3538人 瘟疫穿过拉丁美洲蔓延 最后于1994年平息 到了当年的9月 从中美洲和南美洲报到世界卫生组织 WHO 的感染人数为1041422人 死亡9643人 但WHO估计报告上所说数据大约是实际数据的2 果真如此 那么便有5200万人染病 几乎占该大陆人口的12 有超过48 2万人死亡 铅厂周围居民易腹痛 原因是喝了破铅污染的水而发生铅中毒 食物链毒化 这是化学污染的恶果 如甲基汞 水俣病 镉 痛痛病 农药及氟 砷 铬 铅 钡等均可引起饮水或食物毒化 传染病 以水为媒介的细菌性肠道传染如伤寒 痢疾 肠炎等 病毒传染如血吸虫 传染性肝炎等 间接影响发生异臭 异味 异色 呈现泡沫和油膜等 使水生物毒化 有机物的分解和生物氧化受到抑制 从而妨碍水体的正常利用 3 铅污染铅 Pb 是一种蓝白色的重金属元素 是重要的工业原料 广泛运用于冶炼 印刷 焊接 陶瓷 橡胶和涂料 油漆 杀虫剂及机动车燃料中 铅是一种既有用又有毒的元素 它既为人类服务又毒害 摧残着人类 目前 全世界每年约消耗400万吨铅 汽车尾气已经成为人类健康的一大公害 汽油无铅化 是人类生存 环境保护的必然趋势 也是提高效率 节约能源的一大重要举措 70年代以后 世界各国尤其是工业化国家越来越严格地限制使用含铅汽油 而提倡使用被誉为汽车 绿色食品 的无铅汽油 无铅汽油一般是加入了甲基叔丁基醚 CH3OC CH3 3 作为高辛烷值组份 这种组份沸点较低 可以改善汽油的蒸发 汽车的启动 加速等性能以及减少发动机活塞磨损和耗油量 美国1972年12月开始实施逐步淘汰含铅汽油战略 于1996年1月l日实现全面禁止含铅汽油 日本早在1985年就实现了普通汽油无铅化 整个欧州联盟无铅汽油市场占有率已达60 新加坡 马来西亚等亚太国家和地区均已在2000年全部实现汽油无铅化 到2003年底中国汽车保有量已经达到2383万辆 其中家用汽车占31 预计中国的汽车保有量在2030年将到达3 15亿辆 其中家用汽车的比例将从2003年的19 上升到2030年的78 我国政府对无铅汽油的推广使用也很重视 从1993年起在部分机动车辆试用无铅汽油以来 至2000年底 全国已基本实现汽油无铅化 4 塑料污染及其危害塑料作为人工合成的高分子材料 由于它具有良好的成型 成膜 绝缘 耐酸碱 耐腐蚀 低透气 透水性能以及易于着色 外观鲜艳等特点 从50年代开始 随着石油化工的发展而得到迅速发展 成为一类与生活息息相关的材料 广泛用于家电 汽车 家具 包装用品 农用薄膜等许多方面 世界塑料原料 树脂 产量1991年首次突破1亿吨 1994年突破1 1亿吨 1995年突破1 5亿吨 2001年和2002年分别突破1 8亿吨和1 9亿吨 2003年突破2亿吨 达到2 06亿吨 2004年已突破2 1亿吨 目前全球塑料产量超过1000万吨的国家有5个 即中国 美国 德国 日本和韩国 我国塑料产量增长十分迅速 1991年产量仅为250万吨 2000年突破1000万吨 增至1080万吨 2002年和2003年增达1290万吨和1590万吨 从产量看 我国已经成为仅少于美国和德国的世界第3大塑料生产国 我国塑料消费量增长更快 包括PE PP PC PS和ABS在内的5种主要树脂的消费量2000年为2200万吨 2002年增加为2530万吨 2003年为2680万吨 加上进口废塑料和添加剂后 消费量为3117万吨 是继美国之后的世界第2大塑料消费国 然而随着塑料产量增大和成本降低 大量的商品包装袋 液体容器以及农膜等 人们已经不再反复使用 而是用后即丢 即或是大型成型件 最后也会随着产品的损坏而被丢弃 使塑料成为一类用过即丢的产品代表 废弃塑料带来的 白色污染 已经成为一种不容忽视的社会公害 长江葛洲坝岸边堆积的 白色垃圾 室内环境与化学一 环境舒适度所谓环境舒适度是指人在一定环境中主观感受到的快慰 影响环境舒适度的主要因素有阳光 空气 微气候等 当然也与一些个体因素如肥胖程度 汗腺功能甚至脾气禀赋有关 1 阳光的化学 1 杀菌作用阳光中的紫外线与人体健康关系极为密切 紫外线之所以能杀菌 是因为它能被核酸吸收 使DNA分子上相邻部位的胸腺嘧啶形成 二聚体 从而破坏DNA的正常功能 其杀菌能力与形成胸腺嘧啶二聚体的数量成正比 正因为紫外线能杀灭空气中的流感病毒 肺炎及流脑病菌 所以在日照充足的夏季 很多靠空气传播的传染病不易流行 但如不正确利用阳光 也会有害健康 因为紫外线的过度作用可致皮肤癌 2 维D合成阳光中具有促进人体合成维D的紫外线 从而抗佝偻病 经紫外线照射后 可使皮下组织中的麦角固醇和7 脱氢胆固醇转化成维D2 D3 进而使血液无机磷和磷酸酯酶含量均保持在合适范围 有利于维持机体的正常代谢功能 促进钙的吸收 试验表明 即使动物体内有足量维D 但不接受紫外线照射 则仍会使血液无机磷下降 磷酸酯酶活性升高 而导致佝偻病的发生 相反 如果适当照射紫外线 即使只摄入低剂量维D 仍可防止佝偻病 孕妇和婴幼儿晒太阳十分重要 紫外线有 太阳维生素 的雅称 3 红斑作用红斑作用指人的皮肤在阳光照射下 其照射部位呈浅红色 即为红斑 产生红斑作用的波长范围为290 330纳米 而以296 5纳米最强 红斑作用的功能是能使皮肤血液流畅 并通过刺激皮肤末稍的神经感受器 全面增进人体生理功能 加强机体的免疫反应能力 红斑作用是一种对人体极为有益的作用 其强度用 红斑剂量 表示 成人每天接受日照紫外线辐射不应低于1 8红斑剂量 儿童应不少于1 4红斑剂量 4 晒焦作用即色素形成作用 皮肤基底细胞中的黑色素在紫外线照射下可被氧化形成黑色素 沉着于皮肤上 这是机体的一种保护性反应 由于黑色素的沉积 可使大部分太阳辐射线特别是其短波部分被皮肤表面吸收 阻止其透入深部组织 受照射的表层皮肤则由于吸收射线而温度升高 通过表面血管舒张及出汗 增加体表散热 使机体和环境达到代谢平衡 2 空气的化学我们的生命离开空气几分钟就会死亡 比挨饿忍渴的时间短得多 我们呼吸的空气量每天约为13 14公斤 比食物 1公斤 和饮水 2公斤 的量大得多 因此保证我们直接呼吸的即室内及居室周围的空气质量极其重要 1 清洁空气的概念清洁空气除了要符合一定的污染物允许标准 包括能见度 颗粒物 臭氧和其它毒物 恶臭和刺激性等有关规定 外 通常还要符合 二氧化碳的最高允许含量不超过0 1 体积比 正常值为0 03 如果达到0 4 就有昏迷 呕吐等病象 如达到3 6 则会出现严重病态如窒息 休克 达10 则会死亡 适量负离子浓度 负离子浓度可作为空气新鲜程度的一个重要指标 如达到每立方厘米1000 1500个 则可显著提高健康水平和工作效率 如达到每立方厘米5000 10000个 则会感到呼吸舒畅 心旷神怡 3 呼吸的化学空气是通过呼吸对人体发挥作用的 吸入人体需要的氧气 呼出产生的二氧化碳 其作用机制大致如下 一是肺泡功能 人体呼吸最重要的器管是肺 两肺共有3亿个肺泡 每个肺泡平均直径0 25毫米 其上皮中的细胞可分泌一种叫做二棕榈醛卵磷脂表面活性物质 使肺得以扩张而避免肺泡塌陷 从而保持肺活量 一呼一吸间的气体差额 大约为4600毫升 可承受每分钟呼吸量约为6000毫升 每次吸入或呼出500毫升 每分钟呼吸12次 的交换需要 二是肺泡气浓度变化 空气进入肺泡后 氧被持续不断地吸到血液里 使肺泡中的氧气浓度由19 7 降低为13 6 二氧化碳不断从血液中释放到肺泡中而使浓度达到5 3 三是呼吸膜的作用 肺泡壁非常薄 在各泡之间有很坚固的交织成网的毛细血管 这些壁总称呼吸膜 又称肺泡膜 厚约0 2微米 总表面积约70平方米 在每一瞬间 肺毛细血管内血液总量为60 140毫升 相当于将如此少的血铺在一间长70平方米房间的地面上 所以交换反应十分迅速 四是气体的运输 氧和血红蛋白结合 利用系数一般为25 二氧化碳进入血液后立即被碳酸酐酶催化与水结合生成碳酸 以碳酸氢根形式在红细胞内扩散 起缓冲作用 另一部分与血红蛋白结合成氨基甲酸血红蛋白配合物 在肺泡内释放出二氧化碳呼出 3 微气候居室内外的小气候对环境舒适度影响甚大 其中室内温度和湿度是两个重要参数 通风换气是改善环境的必要措施 1 温度指环境的热舒适度 即人在心理上感到满意的热环境 一般认为18 20 的温度为舒适温度 此时人的皮肤温度基本不变 热调节机能处于稳定状态 个体心理普遍感到满意 试验表明 人体耐受 冷 而不导致异常反应的下限温度为11 左右 而耐受 热 的上限温度为29 32 因此在11 29 范围 夏天21 32 冬天11 20 内 人们一般均有舒适感 可维持最佳工作效率 2 湿度湿度也是热环境舒适的重要因素 这是由于机体散热与空气中的水蒸气分压有密切关系 大量考察表明 24 70 的相对湿度可认为舒适湿度 此时机体体温易于维持 体感满意 夏季20 70 冬季24 83 可认为适宜湿度 人体对热和冷的耐受性与湿度关系很大 实验表明 如空气完全干燥 人可耐93 的气温而没有显著病理影响 但若空气100 润湿 只要环境温度高于34 体温即开始升高并导致中暑病变 在潮湿的冷空气中 对 冷 的敏感显著加剧 例如干燥时 机体在 40 仍可生活 但若浸在冰水中或冷湿的空气中 则20 30分钟后体温将显著降低 甚至僵化和休克 3 气流速度通风换气是改善室内微气候的重要办法 一般认为气流速度以保持在0 1 0 5米 秒为适宜 气流速度的波动使人很不舒服 实验表明 一套80立方米的住房在室内外温差为20 时 开窗9分钟 就能把室内空气交换一遍 温差为15 时 则需12分钟 交通要道换气时间应选在上午10时和下午3时左右 以避开污染高峰 二 居室环境保护1 居室中的污染物及有关毒物 1 污染源人们普遍认为室内污染比 户外污染 更严重 主要污染物来自 厨房 排泄废物 室外污染物 自生毒物 污垢和生活垃圾 室内外各种噪声 家用电器的电磁波和建筑材料的放射性等 2 污染物室内污染物主要有 一氧化碳 各种燃料 如煤气 石油气 煤等 若在供氧不足条件下燃烧时常会大量产生一氧化碳 二氧化硫 主要来自燃煤炉灶 呈酸性 强烈刺激呼吸道 甲醛 是泡沬塑料板 家具材料中各种胶合板 碎料板中使用的胶粘剂成分 苯并芘 为一强致癌物 其来源与一氧化碳 二氧化硫基本相同 放射性氡 这是一种致癌和危害生育系统的毒物 氡是从砖块 混凝土 土壤和水中散发出来的 3 其它污物 污垢 通常指积附在衣物上的脏东西 主要有人体污垢 餐具污垢和住宅污垢三类 按其性质可分为有机 油污 及无机 矿尘 物 垃圾 是日常生活的副产品 城市垃圾主要包括生活垃圾 医院垃圾 市场垃圾 建筑垃圾和街道扫集物等 飘尘 飘尘是室内最厉害的杀手 它是各种微生物 人体排出的不洁气体 痰沫 病毒等的传播载体 使个体受到交叉感染 是呼吸道炎症的主要病源 尤其使婴幼儿和老弱者受害 2 卫生居室的建立在社会条件允许下可采取多种措施 使居室 包括办公室 更卫生 1 改善居住条件 居室位置及大小 一般居宅区应位于工业污染源的上风侧 应与工厂有一定的卫生防护距离 在净高2 7米的条件下 每人应有6 9平方米居住面积 对于减少传染病和呼吸道感染是十分必要的 合理利用居室 故宜小室分居 2 采取合理措施 合理采光 充分利用阳光 不仅可增加室内照明度 更可净化空气 湿式扫除 勤清扫 改善微气候 劳动卫生 室外环境与化学所谓室外环境指居室外的近域如阳台及庭院 城市楼群间 农村宅基地的环境 是室内环境的延伸 主要涉及庭院美化和职业环境的改善 一 庭院美化家庭美化 工厂花园化 城市公园化的设计中都着眼于绿化和良好的景观 1 绿化绿化的主要作用是改善小气候 杀菌 净化空气 1 改善小气候 温度 盛暑时绿地和树荫下的气温比柏油和石子路面低10 树木却能吸收50 热量 冬天 由于树木 野草仍在进行生化放热反应 以及阻挡寒流和冷空气 故林密处气温比旷野高3 5 湿度 绿化后相对湿度提高10 2 灭菌闹市区上空的细菌数目比绿地高10 15倍 3 净化大气许多植物有滞尘和吸毒功能 滞尘 吸毒 2 景观 1 基本要求景观美是在模仿自然的基础上产生的 是指环境中给人感官以肯定感觉的因素如整洁 安宁 清香 和谐等 也就是在摆设 颜色 香感 音调诸方面都应体现美学要求 而以方便 实用为基调 2 美的感受 摆设 指室外建筑 室内陈设 个人服饰的得体 通常应按对称性 黄金分割原则进行安排 颜色 环境色调要尽可能加大对比度 防止互补色 香感 环境