第8章+环境与化学

EnvironmentandChemistry,第八章环境与化学,8.2大气污染与防治,大气层：对流层12km以内其中12km以下的地层大气与人类密切相关。平流层1250km又称同温层或臭氧层中间层热层逸散层,对流层,平流层,中间层,地球大气环境图,8.2.1大气的组成,清洁干燥的空气，其组成为,N2O2ArCO278.08%20.95%0.93%0.03%99.99%(其他：NeHeXeKrH2O3NO2等)0.001%,环境科学对大气组成的分类：,1）恒定组分：N2、O2、Ar、Ne、Kr等气体，2）可变组分：CO2(0.030.033%)、H2O(g)(04%)3）不定组分：煤烟、粉尘、含SNC的化和物（NO2、H2S、SOx）是大气中的主要污染成分,8.2.2大气污染概况,大气污染大气中有害物质含量超过一定指标，使大气质量恶化，对人、动植物、设备财产造成危害的现象。,*以城市空气中SO2、NO2和可吸入颗粒物(PM10)的浓度为依据换算成空气污染指数即API和空气质量级别,空气质量日报*,8.2.3大气的主要污染物,一次污染物从不同污染源直接向大气排放的有害气体和粉尘等。二次污染物大气污染物之间相互作用或污染物与大气中的正常成分作用或因太阳光引起光化学反应等使污染物转换、产生的新的污染物。,大气污染物:,主要大气污染物,（1）颗粒物（煤烟、粉尘）,污染源：煤、石油燃烧（占60%）矿山、金属冶炼等火山、岩石风化。1）降尘直径10m，可因重力很快降落到地面。2）飘尘直径10m，以气溶胶的形式长期飘浮在空中。其中0.55m的飘尘对人体危害最大。,飘尘的危害：可直接到达人体肺部，造成矽肺、呼吸道疾病。表面积巨大，可吸附污染物，造成粉尘与污染物协同作用（如伦敦型烟雾）颗粒物中的烟黑含有C、H、O、S的复杂有机化合物及多种稠环芳烃。如：3，4苯并芘，一种强致癌物。对气候产生影响，使大气可见度降低，减少阳光的辐射，具有冷却效应。,（2）SO2,污染源：煤、石油的燃烧（占90%），如火力发电厂、钢铁厂、石油化工厂等。,SO2的危害：1）具有刺激性的无色气体，空气中浓度为612ppm时，可引起鼻腔、咽喉刺激性反应，高浓度时引起支气管炎，窒息。2）可破坏叶绿素，使植物叶片枯黄、脱落、树干枯死，水稻减产。3）形成酸雨。,建于：1702年左图：1908年右图：1969年,(3)CO,主要污染源：汽车尾气的排放。危害：CO是一种无色、无味、无嗅的气体,可破坏血红蛋白的输氧功能。当空气中CO浓度达1%时，可使人2分钟内死亡。,（4）NOxNO、NO2、N2O3、N2O5等,主要污染源：1）煤、石油的燃烧，2）汽车尾气的排放。危害：1）刺激呼吸系统。2）使血红素硝基化，从而使人中毒。3）形成酸雨，光化学烟雾。,（5）碳氢化合物HC（烃类）,污染源：1）炼油厂2）汽车尾气危害：1）有害有机物如：3，4苯并芘一种强致癌物2）形成光化学烟雾,汽车尾气中每1g烟尘约含3，4苯并芘70g汽车行驶1小时可排放300g3，4苯并芘3，4苯并芘的最小致癌量为：0.42g,8.2.4综合性大气污染现象,主要反应：hNO2NO+O(原子氧)=392nmO+O2O3OO3+HCRCOH+RC=OO（醛）(酰氧基)RC=O+O2+NORC=OOONO2(PAN),（1）光化学烟雾,光化学烟雾的形成机理,光化学烟雾中的主要产物为：O3、醛、酮、PAN、PAB等，PAN过氧乙酰硝酸酯，PAB过氧苯酰基硝酸酯,（2）酸雨,正常的雨水pH=67pH=-lgc(H+)CO2(g)+H2O（g）=H2CO3按平衡计算pH=5.6酸雨pH5.6的降水,SO2型1）液相催化学反应SO2+H2O(l)H2SO32H2SO3+O22H2SO42)气相反应SO2+O2SO3+OSO3+H2OH2SO4NOx型2NO+O22NO22NO2+H2OHNO3+HNO2,酸雨形成中的主要化学过程可表示为：,酸雨的危害,1）使水体、土壤严重酸化，鱼类、农作物受到影响。当pH4.8，鱼类就会死亡。2）破坏森林、植物的生长。3）使建筑物、材料、金属制品被腐蚀。,(3)温室效应加剧,太阳辐射能量的99%在波长1504000nm400nm紫外光，400800nm可见光，800nm红外光CO2在4300nm附近有一个强吸收带,1）CO2与温室效应,CO2的排放量：20世纪初1亿吨50年代16亿吨80年代55亿吨90年代,2）其他温室气体,H2OCH4N2OO3CFC等多原子分子（30多种）,3）温室效应对人类的影响,联合国气候变化框架公约1992年（155个国家签署）主要原则：气候变化是“人类共同关心的问题”缔约国遵守“共同但又有区别的责任”预防原则可持续发展原则,(4)臭氧层耗减,生成反应：O2+h(240nm)2O(激发态氧原子)O+O2O3分解反应：O3+h(290nm)O2+O消除反应：O3+O2O2在25km高度，O3的浓度可达51012分子/cm3,太阳紫外线分为三个波段：UVC(100295nm)有害O3吸收90%以上UVB(295320nm)有害UVA(320400nm)全部通过,1）平流层中O3的形成,2）臭氧层破坏的现状,北极上空臭氧逐年减少臭氧层破坏已从两极向中纬度地区扩散,南极臭氧洞的形成,3）臭氧层耗减对环境、生态的影响,植物生长缓慢,叶绿素含量降低。白内障患者增加，人体免疫系统失调。易发生光化学烟雾。塑料易老化，油漆变质。,4）臭氧层破坏的机理,CF2Cl2+hCl+CF2ClCl+O3ClO+O2ClO+OCl+O2总反应：O3+O2O2一个Cl原子可破坏10万个O3分子,其他卤代烷烃：CF3Br(哈龙)、CCl4(氯仿)、CH3Br（甲基溴）等同样会破坏O3，且Br破坏O3的能力比Cl更强。,氯氟烃破坏O3,NO+O3NO2+O2NO2+ONO+O2总反应O3+O2O2,NOx破坏O3,CFC的替代品：,1）氢氟烃（HFC）不含Cl，但制冷效果较差2）氟碘烃（CF3I）CI键易吸收紫外线而断裂，不会滞留在大气层中。3）氢氯氟烃（HCFC）对O3破坏较小，可作为CFC的过渡替代品,我国冰箱CFC的替代品主要有：HCFC-1416、HFC-134a、异丁烷混合制冷剂（CF3I+HFC-152a）,8.2.5大气污染的防治与治理技术,（2）控制污染源。（3）改革能源结构。（4）加强汽车尾气的治理。（5）植树造林。,（1）加强大气质量的管理，随时进行监测,SO2的治理,1）氨法：用氨水为吸收剂吸收废气中的SO2，吸收率90%主要反应：SO2+2NH3H2O=(NH4)2SO3(NH4)2SO3+SO2+H2O=2NH4HSO3SO2+2NH3H2O=NH4HSO3,2）钠法：用NaOH或Na2CO3水溶液为吸收剂，吸收率90%主要反应：2NaOH+SO2=Na2SO3+H2ONa2CO3+SO2=Na2SO3+CO2,3）钙法：用CaOCa(OH)2或CaCO3制成浆液为吸收剂，产物为CaSO4，脱硫率96%主要反应：CaCO3+SO2+1/2H2O=CaSO31/2H2O+CO22CaSO31/2H2O+O2+3H2O=2CaSO42H2O,8.3水污染及其治理Waterpollutionandprevention,水是人类赖以生存的宝贵资源,水资源,地球上总的水体积大约为14亿km3，其中只有2.5%是淡水。大部分的淡水以永久性冰或雪的形式封存于南极洲和格陵兰岛，或成为埋藏很深的地下水。能被人类所利用的水资源主要是湖泊、河流、土壤湿气和埋藏相对较浅的地下水盆地。这些水资源中可用的部分仅有20万km3不足淡水总量的1%，仅为地球上水资源总量的0.01。,水缺乏,目前世界上已有29个国家或轻或重地遭到缺水的折磨，到2025年，缺水国家将达34个；在今后50年内，世界将有10亿至24亿人面临缺少淡水的威胁。据估计，世界上每8秒钟就有一名儿童死于饮用不卫生的水所引起的疾病。在全国七大流域中，有近50的河段受到不同程度的污染，其中10的河段污染极为严重，已丧失了水体的使用功能，75的城市河段已不适宜作为饮用水的水源。,中国水资源的供需现状,水污染使水荒更加严重,防治污染，保护水资源,评价水质的指标,水的净化,水的污染,内容提要,工业废水的处理,天然水中所含物质,溶解物质：钙、镁、钠、铁等的盐类及其他化合物，溶解的氧及其他有机物。胶体物质：硅胶、腐殖酸胶体。悬浮物质：粘土、泥沙、细菌等。,评价水质的指标waterqualityassessment,浑浊度电导率pH硬度耗氧量微生物学指标,浑浊度,浑浊度：简称浊度，衡量水中所含悬浮物质的多少。,电导率,电导率(electricconductivity)是电解质溶液在电场作用下的导电能力。其大小间接反应了水中溶解性盐类的总量，也反映了水中矿物质的总量。电导率的单位为Sm-1,pH,pH值是指水的酸碱度，表示水中H+和OH-的含量比例（范围为0-14）。人体对pH值的反应非常敏感，身体内大部分物质的pH值为6.8，血液和细胞水的pH值为7.2-7.3。,水的硬度是指水中所含的钙、镁离子的总量（一般以碳酸钙来计算）。表示水中结垢物质的含量的指标。硬度单位：mg/L（毫克每升），mmol/L(毫摩尔每升)。,硬度Hardnessofwater,永久硬度与暂时硬度,在天然水中Ca2+、Mg2+以碳酸盐、重碳酸盐形式存在，所构成的硬度叫“碳酸盐硬度”，可通过煮沸而转变成碳酸盐沉淀除去，又称“暂时硬度TemporaryHardness”。以硫酸盐、氯化物形式构成的硬度叫“非碳酸盐硬度”，又叫“永久硬度permanenthardness”。这两种硬度就组成“总硬度”。,耗氧量,水中发生化学或生物化学氧化还原反应所消耗氧化剂或溶解氧的量。间接反映水中有机物的含量。水中有机物愈多，耗氧量就愈高。测定方法不同，分为化学耗氧量（COD）和生物耗氧量（BOD）。,生物化学耗氧量,生物化学耗氧量(biochemicaloxygendemand)简称“生化耗氧量。常以符号BOD表示。水中有机物质在微生物的作用下，进行氧化分解所消耗的氧气量，单位为mgL。,化学耗氧量chemicaloxygendemand,化学耗氧量(chemicaloxygendemand)亦称“化学需氧量”，简称“耗氧量”。用化学氧化剂(如高锰酸钾、重铬酸钾)氧化水中污染物质时所消耗的氧气量，常以符号COD表示。计量单位为mgL。是评定水质污染程度的重要综合指标之一。COD的数值越大，则水体污染越严重。一般洁净饮用水的COD值为几至十几mgL。COD测定较易且快。,微生物学指标,水受人蓄粪便、生活污水的污染时，水中细菌含量大增。检测水中细菌总数和大胞肠杆菌群数可判断水质受粪便污物污染的情况。,澄清与消毒软化除盐,水的净化,澄清与消毒,澄清是除去水中悬浮物体和胶体物质的过程。加入混凝剂，以中和水中胶体微粒表面的电荷，破坏胶体稳定性，使水中细小悬浮物及胶体微粒互相吸附结合成较大的颗粒，凝聚沉淀。混凝剂主要有铝盐和铁盐，铝盐有明矾、硫酸铝、碱式氯化铝等；铁盐有硫酸亚铁、硫酸铁和三氯化铁。,新型混凝剂,有机高分子混凝剂聚丙烯酰胺，无机高分子混凝剂聚合氯化铝，广泛用于工业、生活污水处理和污泥脱水。,消毒,生活饮用水常用液氯或臭氧消毒。目前采取液氯消毒较多，氯气注入水中产生次氯酸，次氯酸能够杀死水体中的致病菌，使自来水清洁卫生，适于饮用。,臭氧消毒,臭氧是很强的氧化剂，瞬时灭菌性质优于氯。臭氧水的作用比氯快6001000倍，而剂量只是氯的万分之一。臭氧水致死细菌的浓度为0.40.5ppm，时间只需0.55min；致死病毒的浓度为4ppm，远低于氯的杀菌浓度。,软化softenedwater,降低硬水中钙离子和镁离子含量使硬水变成软水的处理叫做作水的软化。软化水能防止锅炉、冷冻机组、空调系统等用水设备的结垢。水的软化方法主要有两种。1.石灰软化法2.离子交换法,石灰软化法,加入石灰乳Ca(OH)2，可使水中的二氧化碳、碳酸氢钙和碳酸氢镁生成碳酸钙和氢氧化镁的沉淀，然后用纯碱、磷酸钠等除去过量的钙离子，使水软化。,离子交换法IonExchange,离子交换法是利用离子交换剂，把水中的离子与离子交换剂中可扩散的离子进行交换作用，使水得到软化的方法。天然水通过软化器时，器内的钠型阳离子交换树脂即与水中的钙镁离子置换产出软化水,其残余硬度0.03mmol。,2R-Na+Ca2+(Mg2+)2R2-Ca(Mg)+2Na+,除盐,除去水中各种阳离子和阴离子杂质所得之纯水称去离子或除盐。离子交换法IonExchange电渗析法Electrodialysis反渗透ReverseOsmosis,电渗析法,电渗析法是在外加直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对水中离子的选择透过性，使水中阴、阳离子分别通过阴、阳离子交换膜向阳极和阴极移动，从而达到净化作用。,反渗透法,反渗透法（超滤技术）是以压力为驱动力，提高水的压力来克服渗透压，使水穿过功能性的半透膜而除盐净化。,渗透过程示意图,半透膜,纯溶剂,盐溶液,渗透压,渗透与反渗透,半透膜,酸碱盐等无机物污染重金属污染有机物污染水体富营养化Eutrophication热污染ThermalPollution,水的污染WaterPollution,工业废水的处理WastewaterTreatment,工业废水的治理技术物理法化学法物理化学法生物法,几种主要废水处理方法,几种主要废水处理方法,几种主要废水处理方法,几种主要废水处理方法,含铬废