环境与化学――环境污染与环境保护

1、环境与化学 环境污染与环境保护,8.1 环境与文明 8.2 大气环境化学 8.3 水体环境化学 8.4 土壤环境化学与 固体废弃物的治理,第一节 环境与文明 Environment and Civilization,一、环境的概念,人类环境自然环境+社会环境； 自然环境地质环境（矿藏、自然遗址等）、土壤、大气、水体（海洋、湖泊、河流等）；生物环境（森林、草原、野生动物、野生植物等）； 社会环境生产环境；交通环境；商业环境；聚落环境；文教环境；卫生环境；旅游环境等。,生态平衡,生态系统发展到一定阶段，它的生物种类的组成，各个种群的数量及能量和物质的输入、输出等，都处于相对稳定状态。这种状态即称为

2、生态平衡。,全球环境结构配置及其相互关系：,圈层性； 地带性； 节律性； 等级性； 稳定性和变异性。,圈层性： 地球表面,地带性： 从赤道到两极，气候带依次为： 相应的土壤和植被带为：,节律性：,：,等级性：,稳定性与变异性： 环境结构具有： 相对的稳定性；永久的变异性；有限的调节能力。 拥有文明存在的我们的地球只有一个（行星、生物圈、适当的体积和重量、适当的运转条件、磁场强度、丰富的元素）,保护我们的环境！ 保持其有限的调节力！ 保持环境的可持续发展!,二、文明与环境的关系,1. 文明产生的环境条件： 华夏文明黄河流域； 古埃及文明尼罗河流域； 古印度文明恒河流域。,两河文明幼发拉底河、底格

3、里斯河；,2. 文明消失的教训： 西亚文明的消失； 玛雅文明的背影； 中国西部文明的消失和经济中心的南移,3。文明对环境的冲击： 均以牺牲环境为代价！,农业发展=人口增加=生物圈结构的变化=水土流失和荒漠化； 服饰的需求=对环境产生的压力=棉、麻、毛皮、丝绸、金银饰、宝石玉器； 居住环境的改善、交通进步、化石燃料的使用；,4. 环境与文明的失调： 人类由对自然的崇拜古代的图腾崇拜 对自然的征服 从火的发明到现代科技的进步 对自然的过渡征服 人定胜天的理念及其行为 对环境的破坏 严重破坏生态环境遭到大自然的报复。,自然界的报复： 20世纪上叶半发生的著名的世界八大公害事件： 1932年12月比利

4、时发生的马斯河谷烟雾事件（SO2 ，氟化物，微粒）； 1943年5月到10月美国落杉矶的光化学烟雾事件（SO2 ：1.34ppm，CO，Nox ，O3，醛类）； 1948年10月发生在美国的多诺拉烟雾事件（SO2 ）；,1952年12月英国伦敦的烟雾事件（微粒：4500微克/米3）； 1955年日本四日市的哮喘事件（重金属微粒，SO2）； 1953年日本的水俣病事件； 1968年日本的农药污染米糠油事件； 1955年日本的土壤重金属污染痛痛病事件；,全球气候变暖； 臭氧层破坏； 酸雨蔓延； 大气污染严重； 淡水资源枯竭和恶化；,固体废物弃置； 生物多样性减少； 森林面积锐减； 土壤退化和沙漠化

5、； 资源匮乏。,当前面临的十大环境问题：,严重的污染主要表现在： 大气污染 水污染 土壤污染,Atmospheric Environmental Chemistry,第二节 大气环境化学,常量气体: N2 78.1%; O2 21.0%; Ar2 0.9%; CO2 0.03%; H2 O 1-3%; 微量气体 : 0.002% Ne2 ; He2 ; CH4; Kr2 ; H2 ; Xe2 ; NO; SO2; NO2 ; O3; CO; NH3 大量(SO2, NOx, Ox), 微量污染物 (CO2, CH4, CFCs) 和不稳定的自由基 。,大气的气体组成,颗粒物 Particles

6、 含氮化合物 含硫化合物 卤化物 有机化合物,大气污染物成分：,放射性物质 一氧化碳、二氧化碳 碳氢化合物 碳、氢、氧化合物 光化学氧化剂,对流层的结构及特征,大气圈的最低一层，占整个大气圈质量的80%95%； 温度随高度增加而下降，升温由地表蒸发而致； 对人类的影响最大，通常的大气污染就在该层； 直接与水圈、岩石圈靠近。,对流层中空气的对流有水平（纬度高低差异以及温度高低差异所致）和垂直（地表的热辐射所致）两种方式。,大气主要成分及温度分布,大气中的污染源：人为源,燃料的燃烧 ； 工业排放 ； 固体废弃物的燃烧 ； 农业排放 。,大气中的污染源：自然源,天然尘埃（风沙、土壤颗粒物）； 森林和

7、草原大火 ( 形成CO, CO2, NOx, SOx, CHx)； 火山活动 (形成SOx, H2O, SO42- )； 森林释放 (CHx)； 海浪飞沫 ( SO42- 和 SO32- )。,主要的大气污染及其原因,大气污染的指标： 总悬浮颗粒物（TSP）； SOx； CO； NOx； 可吸入颗粒物（PM10）； 光化学氧化剂：O3 、H2O2,颗粒物的污染,降尘直径大于10m； 飘尘直径小于10m； 超细颗粒物直径为2.5m； 总悬浮固体o.1100m的颗粒物的总称。 颗粒物对人体健康有害，尤以超细颗粒物（又称飘尘，最容易被生物体吸入）的危害最大。颗粒物主要来自工业锅炉和家用煤炉燃烧所排放

8、的烟尘。,空气中颗粒物的危害作用,遮挡阳光，使气温降低，或形成冷凝核心，使云雾和雨水众多，影响气候，使可见度降低，影响交通，增加燃料消耗，进一步增加空气污染； 燃煤时生成的硫氧化物颗粒对呼吸系统的危害特别大，影响人体健康； 汽车防爆剂四乙基铅，排入空气中的铅有97%的直径小于0.5微米，有很大的危害。铅中毒的症状是脑神经麻木和慢性肾病。,硫氧化物的污染,致污染原因：人为因素，如各种矿物燃料中都含有一定成分的硫； 全世界每年向大气排放的SO2为1.5亿吨以上； 空气中SO2的浓度达到0.05ppm以上就对人的身体健康产生极大的危害。,硫氧化物致污原因及其二次污染,酸雨,SO2 + .OH + M

9、 HOSO2. + M HOSO2. + O2 HO2. + SO3 SO3 + H2O + M H2SO4 + M,碳及其化合物的污染,1. 一氧化碳(CO)： 年排放34亿吨； 产生原因：人为因素（不完全燃烧、汽车尾气等）、自然因素（森林火灾、动植物腐败等）； 致污原因：CO与血红素形成羰基血红素的能力较O2与血红素结合的能力大100倍。 危害结果：使生命体缺氧，危及生命。,2.碳氢化物： 年排放7亿吨以上； 来源：自然因素（生物的分解作用）、人为因素（不完全燃烧和有机化合物的蒸发）； 危害结果：产生以后很快形成光化学氧化剂，形成二次污染。,光化学氧化剂的污染,光化学氧化剂的成分O3、H2

10、O2和过氧乙酰硝酸脂（PAN）等； 产生原因：汽车等交通工具排出的烃类和氮氧化物； 产生条件：光照、链引发、链歧化、自由基传递、链终止等； 以O3的多少为指标； 属于二次污染。,空气中的臭氧浓度对人体健康的影响,臭氧浓度（ppm） 人体中毒后症状 0.20.3 胸机能降低，胸部有压缩感； 0.11.0 1小时内呼吸紧张； 0.20.5 36小时内视力下降； 12 2小时内头痛、胸痛、肺活量减少； 510 全身疼痛，开始出现麻痹症，得 （溶胶） 肺气肿。,关于温室效应,温室气体：大气中的二氧化碳和其它微量气体如甲烷、一氧化二氮、臭氧、氟氯烃、水蒸汽等； 温室效应： 大气中CO2吸收了地面辐射出来

11、的热量多于散失的，把能量截流在大气中，导致地球保持相对稳定的气温。,关于温室效应,温室效应是地球上生命赖以生存的 必要条件 温室效应加剧： 大气中CO2和各种固体微粒含量不断增加，吸收了地面辐射出来的红外光（12001630nm)，把能量截流在大气中，从而使大气温度升高的现象。,温室效应加剧导致的环境效果,全球气候变暖，百年来平均约上升了0.6近； 海平面上升，导致两极的冰层消融及海水膨胀，城市、海岛将面临淹没的危险。全球13人口将受到威胁；,温室效应加剧导致的环境效果,温度带和降水带北移 ，将导致： 低纬度热带多雨地区受到洪涝的威胁； 亚温带地区变得更加干旱； 台风更加频繁发生； 厄尔尼诺和

12、拉尼娜现象更加肆虐，频繁发生；,温室效应导致的环境效果,温度带和降水带北移 ，将导致： 苔原减少，草原增加，荒漠化、沙漠化过程加剧，森林减少； 农业生产不稳定性增加； 对生物多样性产生不良影响等。,关于臭氧空洞,位置：距地面10-50km范围的大气平流层中； 形成和消耗： 生成：3O2 + hv 2O3 消耗：O3 + hv O2 O， O3 + O 2O2 作用：吸收绝大部分来自太阳的紫外线，阻挡紫外线辐射达到地面；,关于臭氧空洞,臭氧空洞： 南极上空产生臭氧空洞。臭氧空洞面积达2千万平方公里,比加拿大和中国的面积加起来还大；,臭氧破坏,产生自由基 CFCl3 CFCl2+ Cl 破坏O3层

13、 Cl+ O3 ClO + O2 ClO+ O Cl+ O2 破坏O3层总反应 O3 + O O2,臭氧空洞的环境效果,危害人体健康，受过量紫外线辐射，免疫系统紊乱； 对植物成长产生不利影响，改变植物的再生能力与质量，易受虫害； 对水生生态系统危害，中断水生生态系统的生物链； 促进光化学烟雾形成。,大气污染的防治,控制大气污染源对城市与工业的合理规划与布局； 防止或减少污染排放如改革燃料结构、改革生产工艺等；,大气污染的防治,治理排放的主要污染物 物理方法： 机械除尘、洗涤除尘、冷凝除尘； 化学方法： 气体吸收装置、催化转化、吸附； 生物方法：植物净化、环境自净。 污染的法制管理 建立完善的环

14、境法制度。,SO2污染的防治,利用低硫燃料 （1）燃料脱硫 （2）烟气脱硫 NOx污染的防治 （1）燃料预先脱氧 （2）改变燃烧条件,第三节 水体环境化学,天然水的组成： H2O 所含杂质 溶解气体：O2 CO2 H2S N2 CH4 He 溶解物质：离子、生物生成物、微量元素 胶体物质： 无机胶体 SiO2 Fe(OH)3 Al(OH)3 有机胶体 腐殖质胶体 悬浮物质：细菌，藻类及原生物，泥沙，粘土,水质和水质指标,pH，天然水体pH一般在69之间。 天然水体中含有各种碳酸化合物，所以一般具有一定的缓冲能力； 悬浮固体（SS）：指水体中呈固体状的不溶解物质； 化学需氧量（COD）和生化需氧

15、（BOD）及总有机碳（TOC ） 细菌含量；,关于COD、BOD,COD：用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量： K2Cr2O7法、 KMnO4法： BOD：表示水中有机污染物经微生物分解所需的氧量； TOC：总有机碳或总耗氧量。,水体污染及其危害,水体的自净作用及限度； 水体污染物来源： （2）生产活动产生：工业废水、生产废液等； （3）生活活动产生：日常生活排放的废水,水污染物及其分类：,（1）耗氧污染物：主要来自生活污水和工农业排污，会导致水体溶氧减少，水质恶化； （2）致病污染物：来自医院、屠宰场等，会导致人类和动物的疾病的传染； （3）合成有机物：来自工业有机品及其降解产物，由

16、于很难再降解，对水生物有明显的毒性；,水污染物及其分类：,（4）植物营养物：如氮、磷等，能刺激藻类及水草生长，干扰水质净化；能使BOD 值升高；水体的“富营养化”。 （5）其他：还有无机物、沉积物以及放射性物质等产生的水体污染和物理因素如热污染等造成的水体污染。,腐殖酸配合物稳定常数,水体污染的危害：,（一）危害人体健康： 如水俣病（汞中毒）； 骨痛病（镉中毒）； 氟骨病（氟积累）。,全世界重大水污染事件,孟加拉国的砷危机：孟加拉大约有7千万人口正在饮用砷污染的井水，其中20万人被诊断患砷中毒症。 中国上海甲型肝炎大流行： 1988年1-3月，上海甲肝大流行，临床患者达31万人，死亡47人；,

17、全世界重大水污染事件,欧洲莱茵河污染事件： 1986年11月，瑞士巴塞尔的山都兹化学公司仓库失火，导致有毒化学物质泄漏入莱茵河，使河水严重污染； 印度德里市传染性肝炎大流行， 19551956年，印度德里市爆发传染性肝炎，100万人口中患黄疽型肝炎者达29300人，加上无黄疽肝炎者共约97000人；,（二）影响工农业生产：,（1）工业生产由于水质下降可引起产品质量下降、生产成本增加、设备损坏严重等； （2）农业生产可导致食物链中毒、渔产品锐减等。 海洋污染：最主要的是石油污染，通过海洋鱼贝类的污染转入人体。,水污染的预防、处理与恢复技术,预防措施： （1）恢复城市水生生态系统：保护林地、湿地、

18、恢复城市河流生态系统； （2）减少和延缓径流：增加城市绿地，去除悬浮固体物； （3）公众教育； （4）就地处理，少排放及无排放； （5）源控制和废物减量。,恢复和处理技术水处理技术：,物理法； 化学法： 中和法：中和酸性或碱性废水； 萃取法：利用可溶性废物在两相中溶解度的不同来回收酚类、重金属等； 氧化还原法：除去废水中的还原性和氧化性废物及杀灭病原菌； 混凝法：加化学混凝剂使污染物去除。,化学法,用石灰处理废水中的铅离子和汞离子 Pb2+Ca(OH)2=Pb(OH)2+Ca2+ Hg2+Ca(OH)2=Hg(OH)2+Ca2+ 也可以用硫化氢、硫化钠来处理 Pb2+S2-=PbS Hg2+S

19、2-=HgS,化学法,硬水中含有钙、镁、铁、锰等离子，用清石灰（主要成分是Ca(HCO3)）和纯碱（主要成分是）Na2CO3)处理， Ca(HCO3)2=H2O+CO2+CaCO3 CaHCO3+OH-=CO32-+H2O Ca2+CO32-=CaCO3 Mg2+2OH-=Mg(OH)2,萃取法：,原理：相似相溶原理； 分配比：D=Co/Ca； 萃取效率E(%):,氧化还原法,氯： Cl2+H2O=HOCl+HCl 漂白粉：漂白粉的杀菌原理同氯气； HOCl=HCl+O O是一种很强的氧化剂和杀菌剂； 臭氧： O3+H2O=O+O2,氧化还原法,二氧化氯（ClO2 ）： Cl2+2NaClO2

20、=2NaCl+2ClO2 HCl+NaClO+2NaClO2=3NaCl+2ClO2+H2O 杀菌性质与水的无关； 可在水中存在杂质时产生杀菌作用； 二氧化氯的杀菌能力比氯强，可以杀死孢子和病毒；,氧化还原法,含氰废水的处理： CN-+2OH-+Cl2=CNO-+2Cl-+2H2O 氰酸盐的毒性仅是氰化物的毒性的千分之一，进一步氧化得： 2CNO-+4OH-+3Cl2=2CO2+N2+6Cl-+2H2O,混凝,效果：去除水中的胶体杂质； 原理：在水中投入具有凝聚能力的药剂，使水中的胶体凝聚而沉降；,混凝,常用的几种混凝剂： 铝盐 ： Al2(SO4)3+6NaAlO2+12H2O=8Al(OH

21、)3+3Na2SO4; 聚合铝 ： Al2(OH)nCl6-nm 又称无机高分子 镁盐 ：MgCO3+CaO+H2O=Mg(OH)2+CaCO3 有机絮凝剂：高分子物质，具有吸附大量活性基及水中杂质粒子，使颗粒互相黏附形成絮凝的特性。,水体的富营养化,水体富营养化的特征： a.富含氮、磷等营养元素的物质在水体中富集； b.富营养化水体中绿色植物特别是藻类的产生速率远远大于消耗其的鱼类等动物的需求； c.营养物质不断地向水底富集，形成富含营养物质的沉积层。,水体的富营养化,原因:水体中氮、磷等营养元素的大量积累，导致水质恶化，水生植物和藻类大量繁殖，水生动物因缺氧而死亡。,水体富营养化的危害,产

22、生剧毒的藻毒素，严重影响水质和人类健康； 造成水体中溶解氧大量减少，使水生动、物死亡，造成经济损失； 导致生态的严重失衡，导致湖泊与河流走向死亡（沼泽化）；,第四节 土壤环境化学 与 固体废弃物的治理,土壤及其基本结构与特性,土壤的组成：矿物质、有机质（主要是有机腐殖质）、水分和空气； 土壤的结构：由腐殖质表层、淀积层和母质层构成，从垂直方向看是非均匀的物质体系； 土壤的自净能力：具有同化和代谢外界输入物质的能力，但土壤的净化速率较缓慢，对不同物质的净化能力也不同。,土壤在地球表层环境系统中的地位和作用,重要的组成要素； 无机界和有机界联系的纽带； 地球表层环境系统中物质与能量迁移和转化的重要

23、环节。,土壤的污染及其危害,何谓土壤污染？ 指人类活动产生的污染物通过不同途径输入土壤环境中，数量和速度超过了土壤的自净化能力，使土壤的生态平衡遭破坏，正常的功能失调。 土壤污染的特点： 隐蔽性和潜伏性； 不可逆性和长期性。,土壤污染的类型,水质污染型：工业废水、城市生活污水和受污染的地表水经灌溉而造成（80%）； 大气污染型：大气污染通过干、湿沉降过程形成，如重金属气溶胶、放射性元素、酸雨等； 固体废物污染型：由工矿业废气物、城市生活垃圾、污泥等造成，并可通过大气的迁移、扩散、沉降或水淋溶、地表径流污染周边的其他地区；,土壤污染的类型,农业污染型：由于农业生产过程中使用的化肥、农药、垃圾堆肥、污