中农环境工程环境化学1第一章--环境科学、技术与化学

环境化学EnvironmentalChemistry,主讲教师：夏立江电话：62732933xialj,环境化学：授课内容,课程主要内容,第一章环境科学、技术与化学（4学时）第二章天然水的基本特征和水污染（4学时）第三章水环境化学（11学时）第四章大气环境和性质（4学时）第五章大气环境化学（9学时）第六章土壤环境化学（6学时）第七章重要污染物及生态效应（2学时）,主要参考书,1、戴树桂环境化学2、王晓蓉环境化学3、樊邦棠环境化学4、陈静生水环境化学5、唐孝炎大气环境化学6、李天杰土壤环境学,环境化学：主要参考书,第一章环境科学、技术与化学,Chapter1.EnvironmentalScience,Technology,andChemistry,所谓环境总是相对于某一中心事物而言，作为某一中心事物的对立面而存在。它因中心事物的不同而不同，随中心事物的变化而变化。与某一中心事物有关的周围事物，就是这个中心事物的环境。环境科学所研究的环境，其中心事物是人类，是以人类为主体的外部世界，即人类目前生存、繁衍所必需的、相适应的环境，或物质的综合体。包括自然环境和人工环境两种。,1.环境与环境科学,1.1环境(TheEnvironment),1.1.1自然环境(NaturalEnvironment),1.环境与环境科学,直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质、能量和自然现象的总体。有时简称为环境。,物质：空气、水、生物、岩石、土壤,自然现象：水土演变等多种自然因素、大气力量、水循环、地壳的稳定性、太阳的稳定性,能量：阳光地热、地磁、引力,大气圈,水圈,土壤圈,生物圈,化学圈,Chemosphere,Chemistry,BiologyandToxicologyasRelatedtoEnvironmentalProblems,Biosphere,Atmosphere,Hydrosphere,GeosphereLithosphere,1.环境与环境科学,1.1.2人工环境,人工环境,综合生产力（包括人的素质）技术进步人工构筑物人工产品和能量政治体制社会行为宗教信仰文化与地方因素等,人工环境是指人类活动而形成的环境要素，它包括由人工形成的物质、能量和精神产品，以及人类活动中所形成的人与人之间的关系或上层建筑。,1.环境与环境科学,环境科学是以实现人与自然和谐为目的，研究以及调整人与自然关系的科学。是一门综合性学科。是研究人类活动与其环境质量之间关系的科学。,1.2环境科学(EnvironmentalScience),1.环境与环境科学,环境科学是运用自然科学和社会科学的有关学科的理论、技术和方法来研究环境问题。宏观-研究人与环境之间的相互作用、促进、制约的对立统一关系，经济发展和环境保护协调发展的基本规律。微观-研究不同种类和形态的污染物在生态系统或有机体内迁移、转化和蓄积的过程、运动规律、对生命的影响及作用机理。综合运用多种工程技术措施，利用系统分析和系统工程的方法，寻找解决环境问题的最佳方案。,610环境科学技术610.10环境科学技术基础学科610.1010环境物理学(包括环境声学等)610.1015环境化学610.1020环境生物学610.1025环境气象学610.1030环境地学(包括环境地球化学、环境地质学等)610.1035环境生态学610.1040环境毒理学610.1045自然环境保护学610.1050环境管理学610.1099环境科学技术基础学科其他学科610.20环境学610.2010大气环境学610.2020水体环境学(包括海洋环境学),610.2030土壤环境学610.2040区域环境学610.2099环境学其他学科610.30环境工程学610.3010环境保护工程610.3015大气污染防治工程610.3020水污染防治工程610.3025固体污染防治工程610.3030三废处理与综合利用610.3035噪声与震动控制610.3040环境质量监测与评价610.3045环境规划610.3050环境系统工程610.3099环境工程学其他学科610.99环境科学技术其他学科,学科分类与代码(GB/T13745-92),1.环境与环境科学,1.2.1环境科学中所研究的环境,主要指自然环境，包括自然生物圈这一层和人工环境中的人工构筑物、人工产品和能量以及人与人的关系问题。中华人民共和国环境保护法指出，“本法所称环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人工遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等”。,1.环境与环境科学,1.2.2环境质量(EnvironmentalQuality),一般是指在一个具体的环境内，环境的总体或环境的某些要素，对人群的生存和繁衍以及社会经济发展的适宜程度，是反映人群的具体要求而形成的对环境评定的一种概念。影响环境质量的因素有人为因素也有天然因素，但主要是人为因素。例如污染物的排放、对资源利用的合理性、人群的文化状态。,1.环境与环境科学,环境问题,原生环境问题,次生环境问题,原生环境问题：由自然力引起的环境问题，也叫第一环境问题。地震、洪涝、干旱、台风、滑坡等。次生环境问题：由人类活动引起的环境问题，也叫第二环境问题。也叫第二环境问题。,环境污染,生态环境破坏,1.3.1环境问题的分类,1.3环境问题(EnvironmentalProblems),1.环境与环境科学,环境污染：由于人为的因素，环境的化学组成或物理状态发生了变化，与原来的情况相比，环境质量恶化，扰乱和破坏了生态系统和人们正常的生产和生活条件，就叫环境污染。具体地说，主要指工业三废对大气、水体、土壤和生物的污染。生态环境破坏：人类活动直接作用于自然界引起的。例如乱砍滥伐森林、过度放牧、大面积开荒、滥采滥捕野生动物。,1.环境与环境科学,1.3.2环境问题的由来,(1)环境问题的产生和生态环境的早期破坏人类出现以后产业革命以前(2)城市环境问题突出和“公害”加剧工业革命、城市化能源和资源的大量消耗公害和事故频繁发生发达国家的环境问题部分地得到了解决发展中国家？怎么办？可持续发展？,1.环境与环境科学,世界八大公害事件,20世纪70年代以来发生的重大事件,(3)全球性的环境问题,1.环境与环境科学,温室效应、臭氧层耗竭持久性环境污染物污染转移？世界经济一体化？环境？人口问题城市化问题淡水资源短缺生物多样性减少海洋污染危险废弃物越境转移,(4)发达国家的环境状况,比较好地解决了国内的环境污染问题：空气比以前新鲜了,不少水体变清了。仍存在的(新的)环境问题：温室效应、臭氧层、工业废物、生活垃圾急剧增加；噪声问题仍很突出；NOx的污染仍未得到有效控制；大气中有害物质污染如故；水环境问题还未解决；持久性污染物的问题相当严重。,1.环境与环境科学,2.中国的环境、生态、资源,2.中国的环境、生态、资源,2.中国的环境、生态、资源,2.中国的环境、生态、资源,环境保护工作,改革开放、经济快速发展,进入大范围生态退化和复合性环境污染的阶段,19701980199020002020,新一轮的经济发展压力、挑战,200019801940,微生物污染、耗氧有机物,SO2、颗粒物、光化学烟雾、酸雨、重金属、氮磷富营养化、垃圾,温室气体、黑碳、霾、臭氧层、持久性有毒物质(PTS、POPs)、二次污染、核废料、工业危险废弃物,发达国家上百年工业化过程中分阶段出现的环境问题已在我国集中出现；面临全球最严峻、最复杂的环境问题；结构性、复合性环境污染；,资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版,2.中国的环境、生态、资源,七大江河水系的741个监测断面的水质：I类:38.1%;、类:32.2%;劣类:41%;城市内湖和大多数湖泊(75%)富营养化；近3亿农村人口饮用不合格的水；30%的城市空气污染严重；1/3国土受到酸雨污染;垃圾围城普遍，有毒有害废弃物影响开始显现;环境污染造成的损失相当GDP的3-8%;,资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版,2.中国的环境、生态、资源,生态恶化形势严峻,水土流失面积超过国土面积的1/3(367万km2)，每年新增1.5万km2；土地沙漠化趋势未减，每年扩展3436km2,沙化土地174万km2;森林覆盖率只有16.55%，相当于世界森林覆盖率的61%;90%以上天然草场退化；地下水超采(8万km2);1015的高等植物物种处于濒危状态，物种资源流失严重，有害外来物种入侵每年造成1200亿元经济损失；,资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版,2.中国的环境、生态、资源,环境健康问题日渐突出,空气污染地区死于肺癌人数高出59倍;11个最大城市，空气污染每年使5万多人夭折，40万人染呼吸系统疾病;沈阳市约40%的儿童血铅含量超标(2000年);二恶英类化合物已在市售牛奶（深、港）、母乳(江浙)中检出;天津市严重污染的蔬菜地土壤中汞含量超标98倍;,2.中国的环境、生态、资源,环境污染和生态破坏造成巨大损失,有害外来物种入侵每年造成1200亿元的经济损失；世界银行：1995年空气和水污染损失，占当年GDP的8%；2003年，污染与生态破坏损失，占当年GDP的15%；环保总局2001年测算，西部9省区生态破坏的损失相当于甘肃和青海两省GDP之和；,资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版,2.中国的环境、生态、资源,生态环境总体恶化的趋势尚未根本扭转，环境治理的任务依然相当艰巨；消耗高、资源浪费、污染环境等粗放经营方式仍比较严重;人口、资源、环境对经济发展的压力越来越大，特别是资源的制约作用日益明显；,我国人口多、资源人均占有量少的国情不会改变，不可再生性资源储量和可用量不断减少的趋势难以改变;,资料来源：胡锦涛在中科院、工程院院士大会上的讲话，2004年6月2日,2.中国的环境、生态、资源,经济:高投入、高消耗、重污染、低产出,2003年,2.中国的环境、生态、资源,2003年，世界第二石油和电力消费大国;能源：创造每万元GDP所消耗的能源，是美国的3倍、德国的5倍、日本的近6倍。钢铁、有色金属、化工等8个高耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进水平高47。我国的工业部门每年多烧掉了约2.3亿吨标准煤。2003年全国煤产量16亿吨，按照国民经济年均增长78的发展速度和目前的能源消耗水平，2020年我国的能源需求将比2000年增加2.5倍，达到约60亿吨标准煤。这相当于每年要建成五六个大同煤矿。,资料来源：中国环境报(2004-4-1),数字中国：我们必须选择新型工业化。,能源压力巨大,2.中国的环境、生态、资源,矿产资源：建国50多年来，GDP增长了10多倍，矿产资源消耗却增长了40多倍。2003年，我国已成为煤炭、钢铁、铜的世界第一消费大国，全球最大的铁矿石进口国。电解铝生产所需原料50以上依赖进口。到2020年，我国45种主要矿产资源只有9种能依靠国内保障供应。2002年：中国人均矿产资源占有量仅为世界平均水平的58。,资料来源：中国环境报(2004-4-1),数字中国：我们必须选择新型工业化。,矿产资源压力巨大,2.中国的环境、生态、资源,国土面积虽然大，但现有耕地却不多，仅占国土面积的14，相较于美国的51和印度的59则显得很少。可利用的土地资源东西部分布不均，占全国土地面积47.6的东部地区却拥有全国93的人口。土地利用程度过高，影响了整个国家的生态效益(沙尘暴、水体流失、气候失调)；,资料来源：中国环境报(2004-4-1),数字中国：我们必须选择新型工业化。,土地资源压力巨大,2.中国的环境、生态、资源,2.中国的环境、生态、资源,生活污染排放增大汽车尾气排放加剧大气污染电子废物等新型固体废弃物增加工艺落后的企业向中小城镇转移,化肥、农药加剧面源污染养殖业发展加重污染乡镇企业发展导致新一轮环境污染,城镇化将增加城市生态、环境压力,农村环境问题不容忽视,新一轮经济增长的巨大压力,Environmentalchemistrymaybedefinedasthestudyofthesources,reactions,transport,effects,andfatesofchemicalspeciesinwater,soil,airandlivingenvironments,andtheeffectsoftechnologythereon.,环境化学：是研究有害化学物质在环境介质中的存在、特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。,3.环境化学,3.1环境化学的研究对象,环境化学的定义、内容和特点环境化学定义为：环境化学是一门研究潜在有害化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应（生态效应、人体健康效应及其它环境效应）及其控制的化学原理和方法的科学。环境化学的主要任务：是运用化学的理论、方法和技术，来研究解决各种环境问题。,3.环境化学,具体内容为：研究有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态；潜在有害物质的来源，它们在个别环境介质中和不同介质间的环境化学行为；有害物质对环境和生态系统以及人体健康产生效应的机制和风险性；有害物质已造成影响的缓解和消除以及防止产生危害的方法和途径。,3.环境化学,环境化学的特点：（1）环境化学研究的对象是一多组分、多介质、多相变的开放性复杂体系。（2）化学污染物在环境中的含量低，一般只有mg/kg或g/kg级水平，甚至更低。（3）化学污染物在环境中分布广泛，迁移转化速度快，在不同的时空条件下有明显的动态变化。（4）影响环境中化学变化的因素多，包括物理、化学、生物和机械等。（5）环境中发生的一切过程都是自发的，不可逆的，污染物与所处介质间往往处于不平衡状态，单用化学热力学来处理这类体系的变化有可能远离实际情况。,3.环境化学,环境分析化学环境污染化学污染控制化学污染生态化学环境计算化学环境生物化学,3.环境化学,3.2环境化学的分支学科,环境分析化学是研究化学品的形态、价态、结构、样品前处理(超临界流体萃取、固相萃取)和痕量分析的学科。环境分析化学的主要任务就是分析环境中具体化学品的性质和量。Oneofenvironmentalchemistrysmajorchallengeisthedeterminationofthenatureandquantityofspecificpollutantsintheenvironment.,3.2.1环境分析化学,3.环境化学,气相色谱GC-GasChromatography液相色谱LC-LiquidChromatography高效液相色谱HPLC-HighPressure(Performance)LiquidChromatography电子捕获检测器ECD-ElectronCaptureDetector质谱MS-MassSpectrum气质联用，液质联用GC-MS,HPLC-MS原子吸收光谱AAS:AtomicAbsorptionSpectrum原子发射光谱AES:AtomicEmissionSpectrum紫外可见分光光度计UV-Vis:Ultraviolet-visible总有机碳分析议TOC-TotalOrganicCarbonAnalyzer,3.环境化学,常用分析仪器,包括大气、水体和土壤环境化学和元素循环的化学过程：大气：颗粒物、酸沉降、温室效应、臭氧层、持久性有机污染物、大气化学反应水体：河流、湖泊（水库）、海洋；地下水污染、持久性有机污染物土壤：温室气体排放、农用化学品的行为（有机氯农药在土壤表面的光化学行为、多氯有机污染物在土壤/沉积物中的缺氧脱氯）,3.2.2环境污染化学,3.环境化学,3.2.3污染生态化学污染生态化学是研究化学污染物在生态系统中产生生态效应的化学过程的科学。研究对象包括生物多样性、种群、群落和内分泌干扰效应。,3.环境化学,包括环境化学计量学、环境化学过程模拟、人工智能在环境化学中的应用等。环境多因素分析定量结构-性质关系(QuantitativeStructure-PropertyRelationship,QSPR)定量结构-活性关系(QuantitativeStructure-ActivityRelationship,QSAR)多介质环境模型大气、气溶胶、水、水生生物、土壤、植物,3.2.4环境计算化学,3.环境化学,3.2.5环境生物化学,3.环境化学,环境科学最终关注的目标是生命本身。环境生物化学就是研究环境化学品对生命的影响的一门学科。Theultimateenvironmentalconcernisthatoflifeitself.Thedisciplinethatdealsspeciallywiththeeffectsofenvironmentalchemicalspeciesonlifeisenvironmentalbiochemistry.毒物化学是研究有毒物质尤其是各种有毒物质之间的相互作用对生物组织和生物体的影响的学科。Arelatedarea,toxicologicalchemistry,isthechemistryoftoxicsubstanceswithemphasisupontheirinteractionswithbiologictissueandlivingorganisms.,水圈、土壤圈、人类活动圈和技术水和水圈海洋Ocean(Saltwater)地表水Surfacewater(Lakes,Rivers,Reservoirs)地下水Groundwater(Underground)水蒸汽Watervapor(Atmosphere)极地冰Polaricecaps(Ice)人类活动水Segmentsofanthrosphere(Boilers,Municipalwaterdistributionsystems)全球水的总量估计为13.9亿立方千米，但其中淡水总量仅为0.36亿立方千米，除冰川和冰帽之外，可利用的淡水总量不足世界总贮水量的1%。,3.环境化学,地球可以分为地核、地幔和地壳三层。其中地壳是与人类直接作用的一层。地壳只有540公里厚。Theearthisdividedintolayers,includingthesolid,iron-richinnercore,moltenoutercore,mantle,andcrust.Thelatteristheearthsouterskinthatisaccessibletohumans.Itisextremelythincomparedtothediameteroftheearth,rangingfrom5to40kmthick.环境科学研究的是由外层地幔和地核组成的土壤圈。Environmentalscienceismostconcernedwiththelithosphere,whichconsistsoftheoutermantleandthecrust.,3.环境化学,地球Earth,地质学Geology地质学是关于岩石圈的科学。同样，它绝大部分属于地壳中的固体矿物质部分。Geologyisthescienceofthegeosphere.Assuch,itpertainsmostlytothesolidmineralportionsofEarthscrust.Water;Theatmosphereandclimate;Livingsystems;ModerntechnologyThemostimportantpartofthegeosphereforlifeonearthisSoilformedbythedisintegrativeweatheringactionofphysical,geochemicalandbiologicalprocessesonrock.,3.环境化学,生命Life生物学是关于生命的科学。生物科学是环境科学和环境化学的重要组成部分。Biologyisthescienceoflife.Biologicalscienceisakeycomponentofenvironmentalscienceandenvironmentalchemistry.人类活动圈和技术TheAnthrosphereandTechnology技术是指人类利用和制造物质和能量的手段。Technologyreferstothewaysinwhichhumansdoandmakethingswithmaterialsandenergy.,3.环境化学,科学所涉及的是与能量、物质、时间和空间等自然现象有关理论的发现、解释和发展。dealswiththediscovery,explanation,anddevelopmentoftheoriespertainingtointerrelatednaturalphenomenaofenergy,matter,time,andspace.基于科学的基础知识，工程提供达到具体实际目标的方案和方法。技术利用这些方案来实施。Basedonthefundamentalknowledgeofscience,engineeringprovidestheplansandmeanstoachievespecificpracticalobjectives.Technologyusestheseplanstocarryoutthedesiredobjectives.,3.环境化学,一、环境本底环境本底是指自然环境在未受污染的情况下，各种环境要素中的化学元素或化学物质的基线含量，又叫环境背景值(environmentalbackgroundvalue)。,二、环境容量环境容量(environmentalcapacity)是指一个特定的环境或一个环境单元所能容纳某污染物的最大负荷量。若用WC表示环境容