第10章化学与环境保护2

第10章 化学与环境保护 10 1环境与污染10 2大气污染及其防治10 3水污染及其防治10 4土壤及其防治10 5绿色化学 本章教学要求 掌握大气污染 主要大气污染物 重要的大气污染现象及治理大气污染的措施 掌握水体污染及污染物种类 掌握水污染的控制措施 了解土壤污染及土壤主要污染物及土壤污染的防治 了解绿色化学的概念并明白大力发展绿色化学是从根本上治理环境污染的必由之路 10 1环境与污染 人类赖以生存的环境由自然环境和社会环境组成 自净作用 所谓自净作用 是指进入环境的污染物质或污染因素 依靠自然界本身所具有的功能发生一系列的物理变化 化学变化和生物变化 使污染物质或污染因素被清除掉的作用 环境功能主要表现在两个方面 一方面 它是人类生存与发展的终级物质来源 另一方面 它承受着人类活动产生的废弃物和各种作用结果 环境污染 我们把由于人类的生产 生活活动将大量的有害物质排放到环境中去 超过了环境的自净能力 使环境质量变坏的现象称为环境污染 人类的大气环境 即包围在地球表面的大气层 10 2大气污染及其防治 大气中的不定组分 由于自然或人为因素带来的大气污染物 如煤烟 粉尘 硫氧化物 氮氧化物 是大气中的不定组分 当它们达到一定的浓度时 将造成局部大气污染 对人类造成严重危害 大气是一种气体混合物 大气中除去水气和杂质的空气称为干洁空气 有恒定 可变和不定组分组成 大气中的恒定组分 氮为78 06 氧为0 95 氩为0 93 及其它气体 大气中的可变组分 大气中的CO2和水蒸气随季节 气象及我类活动而变化 10 2大气污染及其防治 大气污染源有人为源和自然源人为源有 工业企业排放的废气 交通运输工具排放的废气 室内空气污染 化学性污染 物理性 生物性 放射性 自然源 火山喷发 森林火灾 土壤风化等自然原因产生的沙尘 二氧化硫 一氧化碳等 大气污染 按照国际标准 是指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中 呈现出足够的浓度的达到足够的时间 并因此危害了人体的舒适 健康和福利或危害了环境的现象 几种主要的空气污染物 是分散在大气中的液体和固体颗粒 粒径大小0 1 200 m之间 复杂的非均匀体系 分降尘和飘尘 降尘 直径 10 m 如水泥粉尘 金属粉尘 飞尘等一般颗粒大 比重也大 在重力作用下 易沉降 危害范围较小 飘尘 直径 10 m 粒径小 比重也小 可长期漂浮在大气中 具有胶体性质 又称气溶胶 易随呼吸进入人体 危害健康 因此也称可吸入颗粒物 又名气溶胶 雾 烟 尘 1 颗粒物质 2 硫氧化物和酸雨 硫氧化物SO2和SO3主要来自化石燃料的燃烧和金属冶炼厂 硫酸厂等排放的尾气 SO2是主要大气污染物之一 它来源于煤和石油等燃料的燃烧 含硫矿石的冶炼 硫酸等化工产品生产排放的废气 SO2是一种无色 易溶于水 有剌激性气味的气体 能通过呼吸进入气管 对局部组织产生剌激和腐蚀作用 是诱发支气管炎等疾病的原因之一 特别是当它与烟尘等气溶胶共存时 可加重对呼吸道粘膜的损害 SO2的味阈值是0 3ppm 达30 40ppm时 人呼吸感到困难 氮的氧化物有一氧化氮 二氧化氮 三氧化二氮 四氧化二氮和五氧化二氮等多种形式 大气中的氮氧化物主要以一氧化氮 NO 和二氧化氮 NO2 形式存在 它们主要来源于石化燃料高温燃烧和硝酸 化肥等生产排放的废气 以及汽车排气 一氧化氮为无色 无臭 微溶于水的气体 在大气中易被氧化为NO2 NO2为棕红色气体 具有强刺激性臭味 是引起支气管炎等呼吸道疾病的有害物质 3 氮氧化物和光化学烟雾 马斯河谷烟雾事件 发生于1930年比利时的马斯河谷工业区 由于二氧化硫和粉尘污染对人体造成综合影响 一周内有近60人死亡 数千人患呼吸系统疾病 洛杉矶光化学烟雾事件 发生于1943年美国洛杉矶 当时该市的200多万辆汽车生病在排放大量的汽车尾气 在紫外线照射下产生光化学烟雾 大量居民出现眼睛红肿 流泪 喉痛等症状 死亡率大大增加 伦敦烟雾事件 发生于1952年英国伦敦 由于冬季燃煤排放的烟尘和二氧化硫在浓雾和中积聚不散 头两个星期死亡4000人 以后的两个月内又有8000多人死亡 10 2 2全球性污染 温室效应 据估计 如果气温上升1 海平面要升高10厘米 而全球3 4的大城市和占40 的人口都集中在离海岸不过60千米以内的 1 全球气候变暖 温室效应加剧 2 大气污染物对平流层臭氧的破坏 臭氧是最强的氧化剂之一 它是大气中的氧在太阳紫外线的照射下或受雷击形成的 臭氧具有强烈的剌激性 在紫外线的作用下 参与烃类和NOx的光化学反应 臭氧又是高空大气的正常组分 能强烈吸收紫外光 保护人和生物免受太阳紫外光的辐射 1 氮氧化物对臭氧层的破坏 臭氧层的破坏主要由于以下原因 2 HO 自由基对臭氧层的破坏 3 氟氯烃类对臭氧层的破坏 10 2 3大气污染的防治 综合防治原则 1 控制大气污染源2 防止或减少污染物的排放改革能源结构 提高煤炭品质 对燃料进行处理 改进燃烧装置和燃烧技术 采用无害工艺 开源节流综合利用 加强管理 改进汽车排气装置3 治理排放的主要污染物4 污染的法制宣传与管理 1 二氧化硫的去除 方法1 干法优点 排烟温度高 易扩散 缺点 效率低 设备庞大 活性炭吸附法 催化氧化法 2020 4 19 16 2 湿法优点 方法简单 流程短 建设费用省缺点 温度低 湿度大 烟气上升高度低 难扩散 氨法 2NH3 H2O SO2 NH4 2SO3 H2O 工艺成熟 简单操作方便 重点掌握 NH4 2SO3 H2SO4 SO2 H2O NH4 2SO4回收 NH4 2SO4 NH4 2SO3 1 2 O2 NH4 2SO4回收石膏 NH4 2SO4 Ca OH 2 CaSO4 2H2O 2NH3 回收硫磺 NH4 2SO3 2NH3 SO2 H2OSO2 H2S 3S 2H2O 2020 4 19 17 钙法Ca OH 2 SO2 CaSO3 H2OCaSO3 SO2 H2O Ca HSO3 2回收石膏 CaSO3 1 2 O2 2H2O CaSO4 2H2OCa HSO3 2 NO H2O CaSO4 2H2O 1 2 N2 2Ca HSO3 2 NO2 2H2O 2CaSO4 2H2O 1 2 N2 2SO2 此法同时除去NOx 碱法 钠法 NaOH2NaOH SO2 Na2SO3 H2ONa2CO3 SO2 Na2SO3 CO2 Na2SO3 SO2 H2O 2NaHSO3 2 氮氧化物的去除 烟道气中的氮氧化物大多以NO形式存在 可用催化还原法除去 6NO 4NH3 5N2 6H2O 6NO2 8NH3 7N2 12H2O 3 汽车尾气中有害气体的去除 2NO 2CO N2 2CO2 pt pd 10 3水体污染及其防治 水体因接受过多的杂质而导致其物理 化学及生物学特性的改变和水质的恶化 从而影响水的有效利用 危害人体健康的现象 就是人们常说的水污染 根据污染物质及其形成污染的性质 可以将水污染分成化学性污染 物理性污染和生物性污染三类 化学性污染酸碱 重金属 需氧性有机物 营养物质 有机毒物物理性污染悬浮物 热 放射性生物性污染致病菌及病毒的污染 10 3 1水体的主要污染物 1 无机污染物 无机污染物又分为无机无毒物和无机有毒物 无机无毒物 主要是指排入水体中的酸 碱 一般无机盐及无机悬浮物质 酸主要来源于矿山排水及许多工业废水 如化肥 农药 粘胶纤维 酸法造纸等工业的废水 碱性废水主要来自碱法造纸 化学纤维制造 制碱 制革等工业的废水 酸 碱污染水体pH值发生变化 破坏其自然缓冲作用 消灭或抑制细菌及微生物的生长 妨碍水体自净 还可腐蚀船舶 若天然水体长期遭受酸 碱污染 将使水质逐渐碱化或酸化 从而对生态产生影响 酸 碱污染物不仅能改变水体的pH值 而且可大大增加水中的一般无机盐类和水的硬度 因酸碱中和可产生某些盐类 酸 碱与水体中的矿物相互作用也产生某些盐类 水中无机盐的存在能增加水的渗透压 对淡水生物和植物生长有不良影响 无机有毒物 主要是重金属如Hg Cd Pb Cr及它们的化合物 还有非金属的无机毒性物质如氰化物 砷 硒等 这类物质具有强烈的生物毒性 它们排入天然水体 常会影响水中生物 并可通过食物链危害人体健康 这类污染物都具有明显的累积性 可使污染影响持久和扩大 22 汞离子与细胞膜中含巯基的蛋白质有特殊的亲合力 从而能直接损害这类蛋白质和酶 1 汞 汞离子与某些蛋白质蓄积于人体内 特别是肾和肝中 因此 肾功能障碍是汞中毒的首要标志 甲基汞是自然界中因环境污染而产生有机汞 能使脑蛋白质合成活性减低 并沉积于脑组织中 从而导致神经系统中毒 微生物 23 日本九州熊本县南端有个水俣湾 居住着10000多渔民 1949年 湾内的许多海藻变白 浮在水面 许多死鱼也肚朝上地漂了起来 平时那些爱吃鱼的猫 互相疯狂地乱咬 有的跳海自杀 终于 1956年4月 一个5岁的小孩吐字不清 手脚麻木 时而傻笑 几乎是同时 还发现30多名患者 有的手脚发麻 有的双目开始失明 有的吞咽困难 早在1953年就有类似症状的人死亡 至1956年 共发现患者96名 其中18人死亡 人们对这种病取名为 水俣病 原来 水俣湾内有一家生产氮肥 乙醛 氯乙烯的化工厂 排出的废水中含有大量的 甲基汞 会出现神经性疾病的症状 病情严重时 狂猫 就会跳海 人也会死亡 水俣病 日本的水俣病受害者 这是20世纪60年代初期很著名的一幅新闻图片 24 2 铅 铅中毒症状有食欲不振 口中有金属味 失眠 头痛 头昏 腹痛和贫血 还可以引起肾病 高血压 脑水肿等 人体中的铅90 以上 儿童为64 积蓄在骨骼内 2 以下的铅存在于血液中 其他存在于主动脉 肝 肾为主的软组织中 头发和指甲中铅的含量也较高 所以 头发常作为活体检查材料 国内外均把发铅作为评价铅接触的指标 儿童由于代谢和排泄功能不完善 血脑屏障成熟较晚 所以对铅有特殊的易感性 低浓度的铅即可导致儿童生长迟缓 智力降低 由于汽车等交通工具的大量使用 铅的环境污染日益严重 据报导每年有40万儿童铅中毒 另有100万儿童其血铅水平足以影响他们的发育 25 镉中毒可引起肾障碍 骨软化症或疼痛病 骨软化症患者由于骨胶原的正常代谢受到干扰 形成了不致密和不成熟的骨胶原 特别是妇女 由于妊娠 分娩 授乳而引起钙不足等 使肠道对镉的吸收率增高 易引起镉中毒 3 镉 进入人体的镉可逐渐积蓄 到50岁时可达20 30mg 高钙食物会抑制消化道对镉的吸收 维生素D也会影响镉的吸收 26 1955年 1972年日本富山平原神通川流域 镉污染受害者 27 日本富山县有条神通川河 从1955年起 处于河下游的一些母亲们患了一种全身各部位都觉得疼痛的病 腰痛 背痛 关节也痛 痛也好像针扎 走路时弯腰拱背 严重时只能在地上爬 活动时常有细微的骨折 刺痛着神经 令人叫声不绝 所以叫 痛痛病 久病者躺在床上 肌肉萎缩 骨胳变形弯曲 有的身高缩短25 30厘米 最后大多数因肾功能衰竭而死亡 1977年 共死亡207人 原来是含镉废水造成的 神通川河开发铅锌矿 镉是共生物 镉随选矿废水排入河中 使下游居民发生慢性镉中毒 潜伏期长达10 30年 含镉废水不定期可在冶炼和电镀过程中产生 或以烟尘形式排放 这都会引起镉中毒 2 有机污染物 有机无毒物主要指需氧有机物 天然水中的有机物一般是水生生物生命活动产物 生活污水和某些工业废水中所含的碳水化合物 蛋白质 脂肪和木质素等有机化合物可在微生物作用下最终分解为简单的无机物质 二氧化碳和水等 这些有机物在分解过程中需要消耗大量的氧 故又称为需氧污染物 污染水体中的需氧污染物主要来自生活污水 牲畜污水及食品 造纸 制革 印染 焦化 石油化工等工业废水 从排水的量上看 生活污水是需氧污染物的最主要来源 有机有毒物多属于人工合成的有机物质 这些有机物往往含量低 毒性大 异构体多 毒性大小差别悬殊 有 农药 水中常见的农药概括起来 主要为有机氯 有机磷农药 有机汞 此外还有氨基甲酸酯类农药 酚类化合物 水体中酚的来源主要是冶金 煤气 炼焦 石油化工 塑料等工业排放的含酚废水 多环芳烃 是由石油 煤 天然气及木材 在不完全燃烧或在高温处理条件下所产生的 多氯联苯 PCB 表面活性剂等 有毒有机污染物的共同特点 大多数为难降解有机物 在水中残留时间长 有蓄积性 可促进慢性中毒 致癌 致畸 致突变等生理毒害 水体富营养化 在湖泊 还有水库 海岸的河口 港湾等 水流较缓的区域 最容易发生富营养化问题 这是一种由磷和氮的化合物过多排入水体后的二次污染现象 主要表现为水体中藻类大量繁殖 严重影响了水质 现代湖沼学也把这一现象当作湖泊演化过程中逐渐衰亡的一种标志 3 水体的富营养化 4 放射性污染和热污染 随着原子能工业的发展 放射性核素在医学 工业 科研领域中的应用 放射性污染水显著地增加 热污染指天然水体接爱 热流出物 而使水温升高的现象 10 3 2水的净化 水的净化方法很多 1 按照水处理的作用原理分类 物理法 化学法 物理化学法 生物法 生化法 生物法 利用微生物的作用去除废水中胶体和溶解性有机物的方法 A 好氧生物处理法 如活性污泥法 生物膜法 氧化塘等 B 厌氧生物处理法 废水按其处理程度分 可处理分为一 二 三级处理 一级处理是指除去水中的悬浮物 胶体 浮油 经常采用中和 沉降 浮选 除油等方法 废水经一级处理后通常达不到排放标准 1 一级处理 预处理或初级处理 二级处理主要除去可以分解和氧化的有机物及部分悬浮胶体污染物 目前主要采用生物处理方法 又称微生物法 及某些化学法 微生物法利用在自然界中存在的大量依靠有机物生存的微生物 它们具有氧化分解有机物的巨大能力 化学法主要是化学絮凝法 或称混凝法 常用的凝聚剂有硫酸铝 明矾 硫酸亚铁 硫酸铁 三氯化铁等无机凝聚剂和多种有机聚合物 高分子 凝聚剂 2 二级处理 生物处理方法是最用的较经济的二级处理法 属于生物法的有以下几种 1 活性污泥法 将空气连续鼓入曝气池的废水中 经过一段时间后水中形成繁殖有大量好气性微生物的活性污泥 它能吸附和分解废水中的有机物 将离天曝气池的废水和活性污泥的混合液中的活性污泥分离后 出水即得到净化 2 生物膜法 废水连续通过固体填料时 在填料上会繁殖大量微生物 形成生物膜 此生物膜能吸附 分解废水中的有机物 3 氧化塘法 4 污水灌溉法 三级处理是除去难以分解的有机物和无机物 处理方法化学法 化学沉淀法 氧化还原法 物理化学法 吸附 离子交换 萃取 电渗析 反向渗透法等 等 这是以除去某些特定污染的一种 深度处理 方法 3 三级处理 土壤污染的定义土壤污染是指人类活动产生的污染物质 通过各种途径输入土壤 其数量和速度 超过了土壤净化作用的速度 破坏了自然动态平衡 使污染物质的积累过程逐渐占居优势 从而导致土壤自然正常功能失调 土壤质量下降 并影响到作物的生长发育 以及产量和质量下降 也包括由于土壤污染物质的迁移转化 引起大气或水体污染 并通过食物链 最终影响到人类的健康 10 4土壤及其污染 10 4 1土壤的主要污染物 1 农药 所谓化学农药 一般说来 凡是用来保护农作物及其产品 使之不受或少受害虫 病菌及杂草的危害 促进植物发芽 开花 结果等的化学药剂 都称为化学农药 土壤化学农药污染主要来自四个方面 将农药直接施入土壤或以拌种 浸种和毒谷等形式施入土壤 向作物喷洒农药时 农药直接落到地面上或附着在作物上 经风吹雨淋落入土壤 大气中悬浮的农药颗粒或以气态形式存在的农药经雨水溶解和淋溶 最后落到地面上 随死亡动植物残体或用污水灌溉而将农药带入土壤 农药在土壤中长期残留积累的结果 将导致土壤生态环境发生变化和农作物产品出现微量的残留农药 甚至危害到人畜健康 2 重金属污染 土壤重金属污染是指由于人类活动将金属加入到土壤中 致使土壤中重金属含量明显高于原有含量 并造成生态环