环境化学课件

可持续发展环境环境科学环境保护环境问题第一章绪论1.1环境1.1.3环境系统的组成1.1.1定义1.1.2人类生存环境的形成和发展a.聚落环境b.地理环境c.地质环境d.星际环境指人类生存的环境。

环境人类1.2.环境问题1.2.2目前人类面临的主要环境问题1.2.1环境问题的由来与发展2.3中国主要的环境问题a.人口问题b.粮食问题c.能源问题d.资源问题e.环境保护问题a.人口问题b.水问题c.大气污染d.资源问题20世纪60年代，把环境问题只当成一个污染问题1972年，联合国召开人类环境大会，第一次把环境问题与社会因素联系起来20世纪80年代，提出可持续发展战略20世纪90年代，巩固并发展了这种思想，形成当代主导的环境意识1.3环境科学以“人类-环境”为研究对象研究内容：探索全球范围内自然环境演化规律探索全球内人与环境的相互依赖关系协调人类的生产、消费活动同生态要求之间的关系探索区域污染综合防治的途径

环境科学分科体系环境化学的任务、内容与特点环境化学是一门研究有害化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。研究领域分支学科环境分析化学环境有机分析化学环境无机分析化学各圈层环境化学大气环境化学、水环境化学、土壤环境化学、环境生态化学环境工程化学大气污染控制化学、水污染控制化学、固体废物污染环境化学1.4环境保护1.4.1环境保护概念的发展1.4.2内容和基本任务50年代70年代80年代1.5可持续发展两个基本要点：人类应坚持与自然和谐相处当代人不能剥夺后人发展的权利2环境污染物2.1环境污染物的类型2.3污染物在环境中的迁移

影响化学物质迁移的因素气态污染物液态污染物固态污染物土壤中的主要化学污染物大气中的主要化学污染物水体中的主要化学污染物SOx，NOx

，

CO，粉尘，Pd等金属微粒有害金属有害阴离子营养物质有机物放射性物质化肥，农药，重金属化学污染物物理污染物生物污染物工业污染物农业污染物交通污染物生活污染物2.2环境效应及其影响因素九类主要的化学污染物环境效应环境物理效应热岛效应温室效应地面沉降环境化学效应湖泊酸化土壤盐碱化光化学烟雾环境生物效应九类主要的化学污染物元素无机物有机化合物和烃类金属有机和准金属有机化合物含氧有机化合物有机氮化物有机卤化物有机硫化物有机磷化物污染物在环境中的迁移扩散迁移颗粒物吸附和迁移挥发迁移电离水解化学氧化和光化学氧化生物富集微生物降解海洋表面100mg/L10mg/L1mg/L0.1mg/L海洋流径流扬尘空气流50%50%喷洒DDT土壤大气河流浮游植物浮游动物小鱼海鸟大鱼人0.01mg/L10mg/L100mg/L猛禽DDT农药在环境中的迁移和富集影响化学物质迁移的因素内因：元素和化合物的稳定性化学键特征（影响熔沸点和溶解度）键能大小元素的放射性生成络合物的能力外因：温度压力浓度氧化-还原电位酸碱性概述1干洁空气

(N2,O2,Ar,CO2)2水汽3悬浮颗粒

1.原始大气成分：He,Ne,H22.核聚变得到C,O,N3.与氢结合生成CH4,H2O,NH34.氧与CH4,NH3反应生成CO2,N2,H2O

大气组成的演化当前大气的组成主要大气污染物及来源一次污染物：CO,CO2SO2,H2SNO,NH3颗粒污染物二次污染物：SO3,H2SO4,MSO4NO2,HNO3,MNO3,O3醛、酮空气污染指数空气污染指数二氧化氮（nitrogendioxode,NO2）二氧化硫（sulphurdioxide,SO2）臭氧（ozone,O3）一氧化碳（carbonmonoxide,CO）可吸入悬浮粒子（respirablesuspendedparticulates,RSP）

空气污染指数是把五种空气污染物的浓度与相关的某城市空气污染指数比较而计算出来的。其中五种空气污染物为空气污染指数API空气质量状况表征颜色对健康的影响建议采取的措施0-50优可正常活动51-100良100-200轻度污染易感人群症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状心脏病和呼吸系统疾病患者应减少体力消耗和户外活动200-300中度污染心脏病和肺病患者症状显著加剧，运动耐受力降低，健康人群中普遍出现症状老年人和心脏病、肺病患者应停留在室内，并减少体力活动>300重污染健康人运动耐受力降低，有明显强烈症状，提前出现某些疾病老年人和病人应当留在室内，避免体力消耗，一般人群应避免户外活动国内空气污染指数表2.1大气中污染物的迁移1.大气温度层结2.辐射逆温层3.气块的绝热过程和干绝热递减律4.大气稳定度5.大气污染物迁移的影响因素2.1.1.大气温度层结静大气的温度在垂直方向上的分布。2.1.2.辐射逆温层由于地面强烈辐射而冷却造成的地面附近温度小于高空气温的情况.2.1.3.气块的绝热过程和干绝热递减率干气块的绝热过程20’C21’C干绝热递减率2.1.4.大气稳定度2.1.5.大气污染物迁移的影响因素风与湍流天气形势和地理形势2.2大气中污染物的转化2.2.1光化学反应基础2.2.2大气中重要的自由基来源2.2.3光化学烟雾2.2.4酸性降水2.2.5大气颗粒物2.2.6温室效应2.2.7臭氧层的形成与耗损2.2.8大气污染的综合防治敌人？“亦正亦邪”的臭氧朋友？人类对臭氧层的破坏臭氧层的保护作用

臭氧可阻挡大部分高能紫外线，防止紫外线对地球上生物的杀伤。臭氧对人类的危害

臭氧会使人感到呼吸困难、肺功能减弱及肺组织受损；臭氧与汽车派出的碳氢化合物产生作用，生成光化学烟雾，刺激我们的呼吸系统。人类对臭氧层的破坏臭氧空洞颗粒物酸性降水温室效应光化学烟雾大气污染的综合防治1、大气污染的控制途径合理规划改变燃料结构集中供热供暖绿化造林采用先进技术2、大气污染的治理技术颗粒污染物的治理（除尘）主要气态污染物的治理（吸收法；吸附法；催化法；燃烧法；冷凝法）

常见的几种

除尘设备旋风除尘器袋式除尘器湿式除尘器静电除尘器主要气态污染物的治理吸收法吸附法燃烧法催化法冷凝法概述水体污染总量：14亿立方公里淡水2.8%海水97.2%淡水分配：冰川、冰盖：77.2%地下水：22.4%沼泽、湖泊：0.35%大气：0.04%河流：0.01%水污染指标天然水资源天然水的基本特征海洋

海水是一种稀电解质溶液，其中溶质的主要成分是Na+和Cl-离子，这两种离子再加上Mg2+、Ca2+、K+、HCO3-

、SO42-

、Br-等六种离子，共占海水中溶解固体总量的99%以上。

河水中最常见的阴离子CO32-，最常见的阳离子是Ca2+河流湖泊

湖水中含有钙、镁、钠、钾、硅、氮、磷、锰、铁等元素降水和地下水天然水的基本特征1．和氧同族元素的相应氢化物相比，水的许多物理常数显著地高。2.水的密度随温度的变化是“反常”的。3.水有很高的标准生成焓（-285.8kJ·mol-1），故热稳定性很大。4.水有很强的溶解能力，是性能优良的溶剂。（水合作用）水是中性物质，其中的c(H+)=c(OH-),因此是一切化学反应十分理想的介质。6.天然水中的杂质及来源天然水的基本特征温度/℃010203040蒸气压/kPa0.161.232.344.247.38506070809010012.3519.9231.1547.3370.08101.31表3-1水的蒸气压与温度的对应关系摩尔热容cm=75.4J/mol·K熔化热气化热1.水的物理常数2.水的密度随温度的变化

正因为冰的密度小于水，冬季冰浮出水面保护了数以万计的水下生物。水合：正、负离子在水中，以静电引力或通过配位键与水分子结合的作用。水合作用是一种放热过程。

大多数固体物质在水中的溶解度通常随温度的升高而增加。天然水体通常含有三大类物质：悬浮物质：泥沙、粘土、藻类及附着的细菌等胶体物质：硅溶胶和腐殖酸胶体等溶解物质：盐类（Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、F-等），气体（O2、CO2、H2S和N2等）以及可溶性的某些有机物质水循环水体污染

污染物排入天然水体,一旦超过其自净能力，就引起天然水体发生物理、化学性质的变化，水质变坏。

水的污染恶化环境，传染疾病，毒害生物，对人类和自然界造成严重危害。水污染指标BOD（生化需氧量）COD（化学需氧量）OC（耗氧量）TOD（总需氧量）TOC（总有机碳）悬浮物有毒物质pH值大肠杆菌菌群数水体中主要污染物来源及危害1、无机无毒物质（颗粒；酸、碱、无机盐；氮、磷等营养物质）2、无机有毒物质（氰化物、砷、汞、镉、铅等重金属盐）3、有机无毒物质（碳水化合物、蛋白质、脂肪）4、有机有毒物质（农药、酚、醛、酮、多氯联苯、多环芳烃、染料、塑料）5、石油类污染物（石油及其制品）6、其他污染物（放射性物质、热）颗粒来源:岩石风化（石英、刚玉、赤铁矿…）粘土矿物碳酸盐、硅石有机颗粒物（生物残骸）天然人造有机物（核酸、蛋白质）危害：大大降低光合作用，妨碍水体自净堵塞鱼鳃，导致鱼类死亡其他污染物的载体酸、碱和无机盐来源：酸：酸雨、矿山废水、化工厂排放、金属加工碱：制碱、制革、造纸、炼油危害：抑制甚至消灭微生物的生长，妨碍水体自净土壤酸化（碱化），水质恶化，危害渔业生产改变水的硬度，水中无机盐增加，增大水的渗透压，影响生物生长氮、磷等营养物质来源：农业排水城市污水工业废水危害：藻类使水道堵塞，水质变差破坏水体中原有生态平衡，严重的导致水质腐化汞镉铅多氯联苯（PCBs）一组由多个氯原子取代联苯分子中的氢原子而形成的氯代芳烃类化合物。理化性质稳定可通过光解、生物降解转化可在生物体内富集多环芳烃（PAH）两个以上苯环连在一起的化合物来源：陆地、水生生物、微生物合成天然火灾、火山活动产生碳氢化合物不完全燃烧、还原气氛下热解产生最早发现的致癌物质可光解氧化、微生物降解酚类石油类污染物表面活性剂具有分散、乳化、发泡等作用主要靠生物降解消除水中物质的迁移和转化水中颗粒物的吸附作用水中颗粒物的聚集溶解与沉淀氧化－还原配合作用生物降解作用水的净化及污水处理水体自净水的软化水的净化城市污水系统典型工业污水处理流程水体自净

水体的自净过程很复杂，按其机理可以分为：物理过程（稀释、混合、扩散、挥发、沉淀）化学及物理化学过程（氧化、还原、吸附、凝聚、中和）生化过程（分解、转化、代谢）

水的软化a.硬水及其危害含Ca2+、Mg2+离子的水，称“硬水”，具有某些不良特征。2HCO3-(aq)+Ca2+(aq)=CaCO3(s)+CO2(g)+H2O软化水的方法1）石灰-苏打法

2）离子交换法

水的净化3.城市污水系统4.典型工业污水处理流程水污染的综合防治物理法重力分离、过滤、浮选、离心分离、反渗透化学法化学沉淀、混凝、中和、氧化还原物理化学法萃取、吸附、离子交换、电渗析生物法好氧生物处理、厌氧生物处理节约用水人人有责土壤的形成土壤是由固、液、气三相共同组成的多相体系。土体构型土壤中的无机矿物质原生矿物硅酸盐类：长石、云母、辉石、角闪石、橄榄石氧化物类：石英、赤铁矿、金红石硫化物类：白铁矿、黄铁矿磷酸盐类：磷灰石次生矿物简单盐类：方解石、白云石、石膏、泻盐、芒硝三氧化物：褐铁矿、三水铝石、针铁矿次生硅酸盐：伊利石、蒙脱石、高岭石土壤中的有机质土壤中的生物土壤中的粒级划分颗粒名称粒径（mm）石块>10石砾10－3－1砂粒1－0.25－0.05粉粒0.05－0.01－0.005粘粒0.005－0.001<

由不同的粒级混合在一起所表现出来的土壤的粗细状况，称为土壤质地。土壤的性质土壤的吸附性土壤胶体具有巨大的比表面积和表面能土壤胶体的电性土壤胶体的凝聚性和分散性土壤胶体的离子交换吸附土壤酸碱性土壤酸度活性酸度（有效酸度）潜在酸度（H＋、Al3＋发生离子交换时产生的酸度）潜在酸度往往比活性酸度大得多土壤碱度碱金属、碱土金属的碳酸盐和碳酸氢盐土壤胶体水解产生氢氧根土壤的缓冲性土壤溶液的缓冲性（碳酸、硅酸、磷酸、腐植酸和其它有机酸及其盐类）土壤胶体的缓冲性（吸附的H＋、M＋发生离子交换时）铝离子对碱的缓冲作用土壤的氧化还原性主要氧化剂：土壤中氧气、硝酸根、高价金属离子主要还原剂：有机质、低价金属离子体系氧化态还原态铁体系Fe(III)Fe(II)锰体系Mn(IV)Mn(II)硫体系SO42-H2S氮体系NO3-NO2-N2NH4+有机碳体系CO2CH4土壤的基本环境机能培育植物推动物质循环保存水资源防止灾害自净能力

土壤的退化包括：水土流失；沙漠化；酸化、碱化；营养物流失；土壤污染土壤污染土壤污染的类型水体污染型大气污染型农业污染型固体废物污染型土壤中的主要污染物无机污染物（重金属、非金属、放射元素、酸碱盐）有机污染物（农药、塑料、酚、氰化物、石油、苯并芘、有机洗涤剂、脂肪蛋白质）有害微生物土壤的自净作用我国土壤污染状况土壤污染迁移及其机制土壤中农药土壤中农药的迁移和转化农药包括：杀虫剂、除草剂、杀菌剂、动植物生长调节剂等1、扩散2、质体流动典型农药在土壤中的迁移转化有机氯农药DDT六六六有机磷农药敌敌畏乐果敌百虫土壤污染的防治方法客土、排土法化学改良法合理调用措施生物改良措施概述固体废物人类生产生活过程中丢弃的固状和泥状物质。放在错误地点的原料。固体废弃物的分类工业固体废物矿业固体废物农业固体废物城市垃圾放射性固体废物城市废物量及主要成分固体废弃物对环境的危害侵占土地污染土壤污染水体污染大气影响环境卫生固体废弃物的处理1、倾海、填埋2、固体废弃物的一般处理技术预处理技术焚烧热回收技术热解技术微生物技术3、资源化系统固体废弃物的综合利用有害废物指固体废物中对人体及环境有较大危害的废物。（固状、泥状、液态）鉴别标准：可燃性、反应性、腐蚀性、浸出毒性、急性毒性、放射性等。

例有害废物中的有害成分有害废物的迁移途径及危害放射性固体废物1.放射性的基本概念核素放射性衰变放射性速率方程放射性活度辐射量及其单位环境中放射性的来源1.放射性的来源3.放射性固体废物放射性药物放射性固体废物（尾矿）放射性沾污的固体废物（仪表、包装材料）放射性固化体辐射对人体的损害辐射损害类型躯体效应和遗传效应随机效应与非随机效应影响辐射损害的因素辐射类型辐射剂量照射方式与部位辐射损害的生化机制辐射源剂量(mrem/year)1．天然辐射110宇宙射线（来自宇宙的高能粒子辐射）30地壳的辐射50

户外室内（地砖）4357食物中的天然放射性302．人工放射性照射约60核装置<1研究、工业、家庭中使用的放射性（电视、夜光表）<2职业照射<1医学应用50辐射事故<1核试验的沉降灰<1剂量水平（mrem）生物效应9000（人一生从天然本底受到的辐射剂量）（~125mrem/year）正常人类寿命和疾病50000以下未观察到临床效应100000以下微小的或没有寿命缩短250000以下有严重的辐射症状和显著的寿命缩短，但很少或没有死亡450000受照者有50%在30天内死亡，其余能恢复但会留下某些永久性损伤100000030天内死亡核素具有一定数目的质子和中子组成的原子分为:稳定核素不稳定核素具有相同原子序数但质量数不同的核素称为同位素。核裂变

衰变：放射性核素自发的改变核结构，形成另一种核素的过程。1．

衰变2．

衰变3．

+衰变4．电子俘获衰变5．

衰变衰变性质符号粒子的质量数所带电荷

粒子

42

粒子

、e0-1

能量

//中子粒子n10质子粒子p11正电子粒子

+01放射性衰变速率方程衰变过程是一级反应过程

半衰期是指单一的放射性核素其放射性降低到其初始水平一半时所需的时间。每一种放射性元素都有固定的半衰期。例2-7

从某处遗物古书卷取出的小块纸片，测得其中的比值为现在活植物体内比值的0.795倍，试估测这些古书卷的年龄（已知的，假定空气中的比例历年不变）。解

根据方程（2-13）先算出其一级反应速率常数k

即上述古书卷至今已有1900年的历史了。可得又则放射性活度指单位时间内的衰变数。常用单位居里（Ci）；1Ci=3.7×1010衰变/秒

1mCi=3.7×107衰变/秒新的单位贝可（Becquerel）Bq；1Bq=1衰变/秒1）照射量光子在空气中产生电离能力的度量。定义为：X=ΔQ/Δm（X：照射量；Δm：质量差；ΔQ：生成离子的总电荷）单位：伦琴（R）2）吸收剂量受电离辐射照射的物质吸收能量的度量。定义为：D=ΔED/Δm（ΔED：能量差）单位：戈瑞Gy拉德Rad1Gy=100Rad3）计量当量相对生物效应的剂量。定义为：H=DQN（Q：线性系数；N：校正因子）单位：希沃特Sv雷姆rem1Sv=100rem测量人类受到的辐射计量最有意义的单位是雷姆（rem），毫雷姆（mrem）

衰变

衰变

+衰变

衰变有害废物有害废物中重要的有害成分无机物汞及其化合物砷及其化合物镉及其化合物铬及其化合物铅及其化合物锌及其化合物可溶性铜及其化合物氰化物氟化物石棉过氧化物、高氯酸、氯酸盐、叠氮化物有机物烃类（石油烃、苯、甲苯、多环芳烃）含氧化物（醛类、酚类、醚类、钛酸酯）含氮化物（丙烯氰、联苯胺、吡啶）含硫化物（甲硫醇、二甲硫醚）卤代物（氯仿、多氯联苯）有机金属化合物（四乙基铅）有机农药（六六六、对硫磷）3.1生态系统简介生态系统生物环境无生命成分生命成分太阳能、温度、压力等有机物质无机物质生产者（绿色植物）消费者（动物）分解者（细菌和真菌）3.2生态系统的能量流动太阳能是地球上大多数形式能量的源泉。生态效率生态系统的生产能力食物链太阳能在地球上的流动热力学第二定律在生态系统中的表现

G=H-TS初级生产力净初级生产力次级生产力光合作用效率=植物固定的能量/有效光量消费者同化效率=吸收同化量/摄食量生态效率（下一级）=（n+1）营养级能量/n营养级能量21383336820810消费者营养级金字塔（个体数/单位面积）Pn=Pg-R3.3生态系统的物质循环

水循环

营养循环

磷循环

硫循环

氧循环

氮循环

碳循环地球及各圈层元素质量百分比组成生命之网，无所不在保护生物多样性地球及各圈层元素质量百分比组成

（按元素丰度次序排列）地球地壳海洋大气生物圈Fe35O46.6O85.5N75.5O53O29Si27.7H11O23.2C39Si14Al8.1Cl1.94Ar1.3H6.6Mg14Fe5.0Na1.05C---N0.5S2.9Ca3.6Mg0.13Ne---Ca0.4Ni2.4Na2.8S0.09Kr---K0.2Ca2.1K2.6Ca0.004He---Si0.1Al1.8Mg2.1K0.039Xe---P0.1Na0.3Ti0.57Br0.007H---Mg0.1F0.2H0.22C0.003S---S0.07水循环水在自然界的作用调节气温良好的溶解性带动其它物质的循环水对生命的作用生命重要的组成部分生命的活动介质生命体中物质和能量传递的溶剂参与光合作用和呼吸作用维持体温循环的主要过程：蒸发、蒸腾、降雨、径流。水的特性碳循环地球上的碳主要集中在岩石中石灰石白云石大气中的碳形式COCO2CH4CO2对环境的作用大气和海洋的起源和演化地表岩层的形成和变异生命诞生地表热量的收支水体中的碳酸平衡绿色植物自养者的光合作用和生产力有机物氧化（呼吸作用、燃料燃烧、有机体腐烂分解）碳的特性水体中形成碳酸平衡体系C