浅谈化学在治理环境污染中的应用

1、化学在治理环境污染中的应用简介杨继宏（西夏区华西中学 宁夏银川 750021）摘要：建设环境友好型社会是全世界共识，治理环境污染也是国际性难题，化学和化学技术凭借其自身的优点和特性，已经在治理环境污染中发挥着愈来愈重要的作用。电化学技术、光电化学技术、绿色化学技术、地球化学工程在环境污染物存在的气、液、固三态和生物体内大展拳脚，改善着我们生存的环境，相信随着科技的突飞猛进，还会有其它的先进技术加盟到治理环境污染的大军中，人类的生存和生活环境会越来越好。关键字：化学 治理环境污染 应用简介今年以来，全国多地发生严重雾霾天气，PM2.5大大超标，在全国74个监测城市中，有33个城市的部分监测站点，

2、检测数据都超过了300，这意味着这些城市的空气质量已经达到了严重污染。造成这一结果的因素可分为物理的、化学的及生物学的三方面，而其中化学物质引起的污染约占80%90%。这是由于世界科技的飞速发展，排放到环境中的污染物种类（包括无机物、有机物和微生物等）逐渐变多的缘故。这些主要分布在大气、水体、土壤、固形废弃物及生物体内的污染物对环境和人类健康造成了极大危害。目前，利用各种科技监测手段对环境污染物的污染现状及发展趋势已能做到及时、准确、全面地预报和反映，并能为环境管理和规划、污染防治提供科学依据，但彻底根治环境污染全面提高环境质量还为时尚早，这当然与环境污染的复杂性和艰巨性有关。解铃还需系铃人，

3、化学和化学技术凭借其自身的优点和特性，已经在治理环境污染中发挥着愈来愈重要的作用。本文从化学的角度出发，谈谈化学在治理环境污染方面的重要应用。一、电化学技术的应用电化学技术通过方便地控制电极电势就可以实现物质的氧化或还原。该技术可以用于工业产品的生产，是一种基本上对环境无污染的生产技术，同时可应用于环境污染治理，通过氧化或还原反应除去对环境有害的物质1。此外，应用电化学技术进行环境污染物监测以及开发化学电源，在环境保护中都具有广泛的应用前景13。其在环境保护过程中所体现出的优越性主要为：(1)环境兼容性高；(2)多功能性；(3)能量利用率高；(4)经济实用。环境污染物的电化学处理方法主要有:电

4、沉积、电化学氧化、电化学还原、光电化学氧化、电吸附、电凝聚、电渗析、电化学膜分离等。目前，这些方法在废水废气处理、土壤再生、气态污染物处理、环境监测等方面有着广泛的应用。1、电化学技术在废水处理中的作用在电镀工业中生成含氰废水，采用具有良好抗腐蚀性能的镍电极，在碱性电解液中氧化处理氰化物10，当质量浓度较高时(1g/cm3)，不仅不会产生HCN气体，而且成本更低。处理的氰化物质量浓度可以从10002000g/cm3降到不超过1g/cm3，残余的再用氯酸盐进一步氧化。处理含酚废水，首先，水被氧化为OH自由基，这些自由基吸附在电极表面与酚反应生成CO211；或是通过间接电氧化的方式破坏有毒物，如A

5、g+在阳极氧化为Ag2+，在3060下，Ag2+可破坏有机物并可重复使用12。对于染料行业中的有机污染物如蒽醌、三苯甲烷以及其他含氮染料等，在有氯离子存在的条件下进行电化学氧化。有文献报道1416，应用电化学处理印染废水其脱色率可达99%，CODcr去除率大于80%，此外还可用于处理含酚、含油、含菌的废水。含铬的废水中以六价形式存在，毒性很高，使溶液中的被还原为，反应式为：3+ +4 3+ +8最近Merica18等用电化学还原技术处理甲醇-水混合液中的六氯代酚，电流效率可达60% 。2、电化学方法在土壤再生中的作用该方法是利用电化学方法清除土壤或泥浆中的放射性物质、重金属、某些有机化合物或无

6、机化合物。首先，在电流的作用下，在阳极区产生酸，酸液穿越土层，从土壤颗粒表面解附污染物；其次，通过的电流促使土壤间隙中的相关物质和电极区人为引入的处理液发生电迁移；最后，利用电流产生电势差，进而通过电渗作用，清除土壤中的污染物。因此，电化学方法清除污染物的过程包括电迁移、电渗和电泳三种机制。使用此法时只需将电极插入环境中，外加电源即可19。利用电化学技术可以除去土壤中的无机、有机污染物。该法只需将电极插入土壤中并通以直流电，使离子以电迁移、对流和扩散的方式在土壤中运动。重金属离子会在阴极电沉积后被除去，有机污染物会随着含带电离子的液体做电渗流动,然后通过辅助方法如离子交换膜法或化学沉淀法去除。

7、目前，已有人采用电化学方法去除土壤中的多种重金属、甲苯、二甲苯、酚类化合物和含氯有机化合物等10。3、电化学技术在废气处理中的作用化工厂、热电厂在生产中会排放出许多含有毒、有害物质(如, , , NOx , 等)的气体。这些污染物大多是电活性的，因此可以采用电化学技术处理。电化学技术处理废气包括两个步骤10：(1)使气体中的有害物质溶解在液体中；(2)用电解法将其转化为无害的物质。如将还原成，氧化为，氧化为或还原S。反应如下：+ +2+2HBr2HBr+的氧化或还原反应可能直接发生在电极上，或是通过间接电氧化(还原)来完成11。是燃气产生的主要污染物之一，已尝试用多种电化学手段将其从燃气中除去

8、。其中最成功的方法是ISPRAMARK过程12，其原理是利用阳极氧化将HBr氧化成，然后与和水反应制得硫酸。硫酸具有市场意义，作为中间体是完全循环的。最近研究较多的是对同时含有和氮氧化物的废气进行处理。如Ce4+辅助工艺是以Ce4+为均相氧化还原媒介，将和氮氧化物同时分别转化为硫酸和硝酸； 、连二亚硫酸盐工艺也可有效处理和氮氧化物废气11。4、电化学技术在环境监测领域的应用电化学技术在环境监测领域的发展十分迅速 ,迄今已在许多工业部门的环境监测中获得广泛应用。电化学技术可作为传感器、监控器、控制器，用于、乙醇、麻醉剂、 神经性气体、金属离子等的分析和控制24。通过选择不同的电极和电解池,电化学

9、技术还可用于环境监测控制，如应用于传感器、监测器和控制器的设计和制造，用于、及金属离子的分析11等。这种技术可以满足环境监测和控制的不同要求，并且与其它的物理手段结合起来,易于实现环境监测和控制的高灵敏性、快速和自动化。二、光电化学技术的应用光电化学是将光化学与电化学方法合并使用，以研究分子离子基态或激发态的氧化还原反应现象、规律及应用的化学分支。光电化学是光伏电池（光能转换成电能）光解和光电合成（光能转换成化学能）、光电催化（光能改变电极反应速度和选择性）等实际应用的基础。光电化学技术与环境科学相结合，形成了光电化学在环境污染治理中的研究领域。在环境监测、环境污染物治理、清洁生产、清洁能源等

10、方面的应用研究快速发展。半导体光电催化技术在常温常压下进行快速反应，对难降解有机物污染物治理彻底、无二次污染而成为国际环境净化处理研究的前沿领域之一。利用光电化学原理可以富集稀有金属和贵金属，又可以记录和保存信息，还可用简单的方法随时消去信息，都是发展科学技术所必需的手段。三、绿色化学技术的应用随着工业化进程的加快，排放到自然生态环境中的污染物越来越多。虽然环境治理方法很多，有的效果也较好，但都属于末端治理，容易造成二次污染。绿色化学正是在这种环境条件下应运而生的，它是从源头上阻止污染物生成的新策略，即所谓污染预防。绿色化学是注重研究与环境友好的化学反应与技术，更多地考虑社会的可持续发展，促进

11、人和自然关系的协调。随着绿色化学技术在环境保护中的应用，人们不仅在寻求环境污染的治理方法，更注重于从绿色化学的角度考虑污染的防治措施。1、绿色化学技术在大气污染控制中的应用大气污染的实质是的污染。主要来自煤中的含硫物在燃烧过程中的产物，它释放到空气中后形成酸雨，使空气受到污染。目前煤炭脱硫的方式有3种：燃前脱硫、燃中固硫、燃后烟气脱硫。从绿色化学角度来讲，第一种脱硫方式是污染预防，后两者属于污染治理。绿色化的煤炭生物脱硫技术则是今后脱硫技术的发展方向。生物脱硫的反应条件温和，投资少，成本较低，污染环境少24，25。其中常用的煤炭生物脱硫方法有生物浸出法、表面处理浮选法和微生物絮凝法等等。同时有

12、人开始将煤炭生物技术与非生物乳化技术相结合，提出了煤炭脱硫的生物非生物综合新技术，这样可大大缩短脱硫时间，而且，在微生物菌种方面也加强了研究。在基础研究方面，国内在采用驯化等传统的菌种选育方法的同时，正在积极探索利用遗传学的最新技术和成果，对脱硫微生物进行改良研究。尽管煤炭生物脱硫技术还处于试验阶段，但它在经济上很有竞争力，是一种很有前途的煤炭燃前脱硫方法。2、绿色化学技术在水污染控制中的应用按照可持续发展的要求，水处理技术的绿色化进程将会加快，开发高效、低毒、低能耗、不造成二次污染的水处理技术，特别是光、声、磁、电、无毒药剂氧化、生物氧化等多种手段联用的新型绿色技术将成为水处理技术研究的热点

13、和方向。（1）绿色化学技术在工业及城市生活废水中的应用目前，工业及城市生活废水是我国水环境污染的污染源之一。随着生产规模的不断扩大及工业技术的飞速发展，含有高浓度有机废水的污染源日益增多。零排污水处理技术是以“绿色化学”为基础的新概念，从始端、终端和中间过程杜绝污染产生的新思路，能够最大限度地节水和彻底解决水污染的新技术，代表了21世纪水处理技术的发展方向26。循环冷却水零排污技术的研究开始于20世纪70年代，发展到今天，发达国家循环冷却水系统的浓缩倍数一般都在5 以上，甚至达到10，个别系统已达到零排污。美国开发的废水零排污技术可使废水处理后的水质达到饮用水标准并全部利用。国内研究开发的热水

14、锅炉零排污技术可避免再生废盐水、煮炉水，启用冲洗水，停用冲洗水、连续排污水、定期排污水等废水排放，实现了零排放。蒸汽锅炉零排污技术的研究也在进行。（2）绿色化学技术在农药污染中的应用28我国目前生产的农药多为高毒品种，生产过程也有公害。随着“绿色食品”的兴起，人们对无公害的“绿色农药”的要求也越来越迫切。新型的绿色农药主要有生物农药、现代化学农药、光活化农药等，这些农药将取代传统的化学农药而大大减少环境污染。（3）绿色化学技术在化学实验废液中的应用29化学是一门实验科学，化学实验在化学教学中占有特殊地位。目前大多数大专院校的实验内容比较陈旧，而且基础实验、验证型实验偏多，实验手段、化学实验设备

15、比较落后，这些因素导致对环境的污染较为严重。化学实验室废弃物以液体居多，需分门别类地处理，并注重对废弃物回收利用。（4）绿色化学技术在固体废弃物处理中的应用城市垃圾、白色污染和矿山废弃物是生产生活中几种主要的固体废弃物。目前城市垃圾的处理技术主要有：“无害化垃圾卫生填埋场”，虽然技术较简单，但一次性投资大，占用大量土地，仅能实现部分无害化，而且垃圾黑液的处理已成为世界性难题；“垃圾焚烧”，这是发达国家曾经采用的主要处理技术，虽能实现减量化、部分资源化，但一次性投资巨大，而且废气中含有大量、NOx、HCI、重金属，尤其是会产生毒性很大的二恶英等二次污染物。符合绿色化学技术的有：热分选煤气化技术、

16、固体废弃物电离气化技术，尤其是固体废弃物电离气化技术（SKYGAS），它不但是最终彻底解决固体废弃物无害化、资源化的最新技术，不会产生二次污染，而且运行成本低，l 2 年就可以收回投资30。“白色污染”泛指一次性使用后未经合理收集和处理而造成环境污染的所有塑料废弃物，主要包括农用地膜、塑料包装袋、一次性餐具等。对白色污染物的处理方法有很多，其中燃烧法、熔融法和降解法，都已实现了工业化的生产。这些方法对环境始终会产生污染，因此开发绿色化学产品可生物降解塑料则是人们追求的目标3l。在矿物开采过程中，产生了许多尾矿和废堆矿石，即通常所说的二次资源，目前在这方面的研究和利用较少，造成了资源的严重浪费和

17、环境污染。金属矿物资源的高效利用，是以最低的能耗和最少的环境污染，来达到最高的矿物资源综合利用32。在工艺上采用环境友好的选治方法，主要研究有生物浸出和非氰化法提取技术来回收金属。前者在铜矿（主要是硫化铜矿）的生物浸出的研究和应用较多，其次是关于铀矿浸出和金矿的微生物预氧化处理。后者是硫浸出和硫代硫酸盐浸出的研究和应用。它们对金、银的溶解速率快，毒性小，对环境不产生污染，符合绿色化工的要求。四、地球化学工程在改善环境中的应用荷兰地球化学家Schuiling 在1990年首次将地球化学工程明确地定义为“应用地球化学过程来改善环境”。随着科学技术的飞速发展和工业化进程的迅猛加速，环境恶化日益威胁着

18、人们的生产和生活。而放射性废物作为20世纪大量涌现的新型垃圾，因其具有的放射性和放射毒性，对人类的生存构成了极大的威胁。20世纪初期，人类对放射性核素的认识还很肤浅，没有意识到它对人类身体和环境的危害，所以最初的放射性废物大多采取就地填埋方式，处置过程不存在选址过程，因此也就没有什么处置程序。目前，随着人类环境意识的逐渐提高以及对放射性废物的进一步了解和认识，人类对放射性废物处置程序逐渐走向规范和完善，环境保护和人类健康保护被放到了很重要的位置，过去被随意堆放的极低放废物的处置，也越来越受到人们的重视。在处置极低放废物时，除了要经过严格的选址过程，还要采取一些地球化学工程学的技术方法来对场址的

19、天然缺陷进行改良，以最大限度地降低它们对人体健康和环境的危害。1、 应用地球化学工程学治理环境的基本依据3有了常规的环保技术，为什么还要应用地球化学工程学的技术呢?从地球化学的角度看，现代人生活在两个环境里。一是天然固有的地球化学环境，通常称之为“第一环境”，在此环境中，对生理有害元素的富集和生理必需元素的亏损，都会给生物体的健康发育带来不利影响，甚至构成威胁；二是人为活动叠加在自然环境上的地球化学环境，通常称之为“第二环境”，各种废弃物、排放物的污染，资源利用过程的附害，工程建设的负效应等，皆可属第二环境的影响。就化学元素在地球各圈层中的循环而论，不论在第一环境中，还是在第二环境中，元素的分

20、离、迁移、富集、固定都服从地球化学规律。这就是地球化学工程学广泛适用于各类(与物质成分和数量有关的)环境问题的基本依据。地球化学工程学依自然固有的规律保护和治理环境，是对常规的环保产业的补充和完善，对于阻滞和延缓放射性废物迁移到生态环境可起到一定的积极作用。2、 常用的放射性废物处置工程模式中低放废物的处置模式中低放废物是短寿命中低放废物的简称。对中低放废物来说，一般要求其处置系统的有效期为300500 a，即相当于主要的短寿命核素10个以上半衰期的期限。1981年IAEA安全丛书216号推荐了放射性废物类别与其处置技术之间的经验关系。它指明中低放废物适宜浅埋处置和岩洞处置，也可考虑水力压裂、

21、深井注入和深地质处置。近年来普遍的做法是短寿命中低放废物采取近地表处置。近地表处置是在具有几米厚的防护覆盖层的地表上或地表下，或者在地表下几十米的岩洞中，带工程屏障或不带工程屏障的废物处置。低中放废物近地表处置时，一般把低中放废物埋藏在包气带中，所建立的工程屏障一般较简单，通常就近选取一些黏土作为回填材料，来阻滞放射性核素迁移到地下水进而进人生态环境。高放废物一般采用深地质处置的方法。深地质处置就是把高放废物埋藏在距地表深约5001000m的地下深处，使之永久与人类生存环境隔离。埋藏高放废物的地下工程即为高放废物处置库。高放废物深地质处置库一般采用的是“多重屏障系统”设计，即把废物储存在废物容器中，外面包裹回填材料，再向外为围岩。一般把地下设施及废物容器和回填材料称为工程屏障，把周围的地质体称为天然屏障。“多重屏障系统”对于阻滞高放废物对人类和生态环境造成危害可起到积极作用。总之，道高一尺，魔高一丈，随着科技的进步和工业化的高度发展，污染物在不断的翻新，治理污染的方法手段也在不断创新，只要环保的理念深入人心，建设环境友好型社会的目