大學化學化學與環(huán)境

1、第五章 化學與環(huán)境,環(huán)境的定義（1）,自然環(huán)境亦稱地理環(huán)境，是指環(huán)繞于人類周圍的自然界，包括大氣、水、土壤、生物和各種礦物資源等，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。 社會環(huán)境是指人類在自然環(huán)境的基礎上，為不斷提高物質(zhì)和精神生活水平，通過長期有計劃、有目的的發(fā)展，逐步創(chuàng)造和建立起來的人工環(huán)境，如城市、農(nóng)村、工礦區(qū)等。其發(fā)展和演替，受自然、經(jīng)濟以及社會規(guī)律的支配和制約，其質(zhì)量是人類物質(zhì)文明建設和精神文明建設的標志之一。,環(huán)境的定義（

2、2）,《中華人民共和國環(huán)境保護法》從法學的角度對環(huán)境概念進行的闡述：“本法所稱環(huán)境是指影響人類生存和發(fā)展的各種天然的和經(jīng)過人工改造的自然因素的總體，包括大氣、水、海洋、土地、礦藏、森林、草原、野生生物、目然遺跡，人文遺跡、風景名勝區(qū)、自然保護區(qū)、城市和鄉(xiāng)村等?！?人類的自然地理環(huán)境,環(huán)境問題（1）,環(huán)境問題是指由于人類活動作用于周圍環(huán)境所引起的環(huán)境質(zhì)量變化，以及這種變化對人類的生產(chǎn)、生活和健康造成的影響。人類在改造自然環(huán)境和創(chuàng)建社會環(huán)境

3、的過程中，自然環(huán)境仍以其固有的自然規(guī)律變化著。社會環(huán)境一方面受自然環(huán)境的制約，也以其固有的規(guī)律運動著。人類與環(huán)境不斷地相互影響和作用，產(chǎn)生環(huán)境問題。,環(huán)境問題（2）,第一環(huán)境問題：由自然演變和自然災害引起的原生環(huán)境問題，如地震、洪澇、干旱、臺風、崩塌、滑坡、泥石流等。第二環(huán)境問題：由人類活動引起的次生環(huán)境問題，一般又分為環(huán)境污染（工業(yè)生產(chǎn)造成大氣、水環(huán)境惡化等）、生態(tài)失衡（亂砍濫伐引起的森林植被的破壞、過度放牧、大面積開墾引起的草原退

4、化、沙漠化和土地沙化）和資源短缺三大類。,造成環(huán)境污染的人為因素,主要可分為三大類： 物理污染如噪聲、振動、熱、光、輻射及放射性等；生物污染如微生物、寄生蟲等； 化學污染如有毒的無機物和有機物。,環(huán)境污染,白色污染,20世紀環(huán)境八大公害事件,馬斯河谷事件（比利時1930.12.1）SO2廢氣.洛杉磯光化學煙霧事件（洛杉磯市1943年夏）汽車廢氣倫敦煙霧事件（倫敦1948.12）SO2廢氣.水俁病事件（日本1953）甲基汞骨

5、痛病事件（日本1972）鎘中毒.米糠油事件（日本1958）多氯聯(lián)苯博帕事件 （印度1984）甲基異氰酸酯萊茵河化學藥品事件 （瑞士1986）硫化物、磷化物、汞,洛杉磯光化學煙霧事件,水俁病肢端感覺麻木（左）中心性視野縮小（右）,水俁病事件 甲基汞中毒,汞污染引起的胎兒性水俁病患者,胎兒性水俁病發(fā)笑癥（3歲開始）,5-1 大氣的污染與防治,影響生態(tài)平衡和人類生存的重大環(huán)境問題中最為突出并帶有全球性潛在威脅的四大問題均來自大

6、氣污染酸雨在加重和蔓延光化學煙霧平流層的臭氧遭受破壞全球氣候變暖,5-1-1 酸雨,酸雨是值pH值低于5.6的降水。正常的雨水pH約為6，這是由于大氣中CO2 溶于雨水后造成的。酸雨的形成是一個復雜的大氣化學和物理過程，主要是由于人們?nèi)紵虻拿禾?、冶煉金屬硫化礦、燃料油料等產(chǎn)生的廢氣中含有的SO2、NOx排入天空造成的。它們在大氣中被氧化并吸收水分形成硫酸和硝酸，隨雨水一起降落到地面。,,,,SO2的氧化,催化氧化光

7、催化,NO的氧化,NO在空氣中氧化成NO2：2NO + O2 = 2NO2NO2溶于水生成硝酸和亞硝酸：2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2,酸雨的危害,,農(nóng)林牧漁減產(chǎn),建筑物、文物腐蝕,,5-1-2 光化學煙霧（1）,排到大氣中的碳氫化合物（HC）和氮的氧化物（NOX ）等稱為一次污染物。在太陽光紫外線照射下，一次污染物可能再發(fā)生化學反應，衍生出種種二次污染物。這種由一次污染物和二次污染物的混合物（氣體和顆粒物）

8、所形成的煙霧污染現(xiàn)象，稱為光化學煙霧。因其1946年首次出現(xiàn)在美國洛杉磯，因此又叫洛杉磯型煙霧。主要是由汽車排出的尾氣和工業(yè)廢氣中的氮氧化物和碳氫化合物，在一定的氣象條件下形成的。,,5-1-2 光化學煙霧（2）,反應3生成臭氧O3 是一種強氧化劑，能氧化烴類成醛、酮等類物質(zhì)，這些醛、酮對人和動物的眼睛由極強的刺激作用。,必須在光的作用下完成,,,5-1-3 臭氧層的空洞（1）,大氣層的結(jié)構(gòu)逸散層：800 Km（exosphere）

9、熱層：500 Km（thermosphere）中間層：85 Km（mesosphere）平流層：55 Km（stratosphere）（臭氧層）：30?35 Km（ozone layer）對流層：14 Km（troposphere）,5-1-3 臭氧層的空洞（2）,大氣臭氧層主要有三個作用：保護作用：能夠吸收太陽光中的波長300 nm以下的紫外線，保護地球上的人類和動植物免遭短波紫外線的傷害。加熱作用：吸收太陽光中的紫外線并

10、將其轉(zhuǎn)換為熱能加熱大氣，這對大氣的循環(huán)具有重要的影響。溫室氣體的作用：臭氧層減少，會產(chǎn)生使地面氣溫下降的動力。因此，臭氧的高度分布及變化是極其重要的。,臭氧層對于地球上的生命極其重要,臭氧層被破壞，對地球有什么危害？,農(nóng)作物枯死動物免疫系統(tǒng)和DNA會受到破壞大海中的生物會大幅度減少人類皮膚病患者大幅增加,5-1-3 臭氧層的空洞（2）,堪稱地球上蕓蕓眾生“保護傘”的臭氧層，確正被它所保護的人類嚴重破壞。1985年南極地區(qū)發(fā)現(xiàn)臭氧

11、層空洞以后，1988年發(fā)現(xiàn)北極上空也出現(xiàn)了一個臭氧層空洞。兩個空洞都一直以極其驚人的速度擴大。,臭氧層破壞的原因（1）,人類活動產(chǎn)生的大量NOx 排入大氣，如超音速飛機在臭氧層高度上飛機、宇航飛機器不斷發(fā)射，都可排出大量NOx 進入臭氧層和O3 反應，如下列反應式：NO作為催化劑，使O3 分解,,臭氧層破壞的原因（2）,人們大量生產(chǎn)和使用氟氯烴化合物（最重要的使人們常用的氟利昂CCl2F2 ）也是罪魁。由于它性質(zhì)較穩(wěn)定，能長時間滯留在大

12、氣中而不發(fā)生變化，但當它逐漸到達臭氧層時，受紫外線光照便進行分解、生成氯原子，從而破壞臭氧層（Cl原子本身也作為催化劑，催化分解O3 ）,,5-1-4 全球氣候變化（溫室效應）,溫室效應 ：大氣具有讓太陽光短波輻射透過并到達地表，同時又能吸收太陽光的長波和阻擋地表向外發(fā)射的長波輻射，僅讓很少的一部分熱輻射散失到宇宙空間。由于大氣吸收的輻射多于散失的，最終導致地球保持相對穩(wěn)定的氣溫，這種現(xiàn)象稱為溫室效應。,溫室效應下的地球,溫室氣體,研究

13、表明：大氣中吸收長波輻射的分子，多為CO2、H2O、CH4、N2O和氟氯烴等多原子分子，故稱這些氣體為溫室氣體。 潔凈的大氣都是一個恒定的化學組成，所以能保持相對穩(wěn)定的氣溫。但是由于人口數(shù)量激增、人類活動頻繁、化石燃料的燃燒量劇增，加之綠色面積急劇減少，致使主要的溫室氣體CO2 在大氣中的含量不斷增加。據(jù)估計：CO2 濃度年增長率為0.5％; CH4 和N2O的年增長率分別為0.9％和0.25％；原本大氣中沒有的氟氯烴濃度，年增長率高

14、達4.0％，而且它吸收長波輻射的能力是CO2 分子的幾千萬倍。這些溫室氣體濃度的增加，導致地表氣溫上升，造成溫室效應加劇，氣候變暖。因此，要防止全球變暖，應從控制溫室氣體的排放入手。例如，開發(fā)新能源以減少化石燃料的使用量，擴大綠色面積以及控制人口的增長。,溫室效應的加劇導致全球氣候變暖，會對氣候、生態(tài)平衡及人類健康等方面帶來嚴重影響。據(jù)中科院蘭州冰川土研究所對珠穆朗瑪峰地區(qū)數(shù)次考察研究發(fā)現(xiàn)，30多年來，這一全球海拔最高地區(qū)的冰川區(qū)域在逐

15、漸縮小后退，其中遠東絨布冰川末端后退了約230 m，東絨布、中絨布冰川冰塔林分別后退了170 m和270 m。,5-1-5 大氣污染的防治,大氣主要污染物：SO2、NOx、CO、HC、O3為了防止大氣污染，既要改變能源的結(jié)構(gòu)與成分，又要改善燃燒條件，盡可能減少污染氣體的排出。植樹造林對大氣環(huán)境的保護極為有效,SO2的控制,堿性溶液吸收石灰乳法、氨法、硫化堿（Na2S）法固硫劑與堿性物質(zhì)混合燃燒,NOx的控制,煙氣中的NOx

16、的脫除氨還原法還原劑（NH3）；催化劑（CuO-CrO）汽車尾氣中的NOx的脫除,空氣污染指數(shù)（API）和空氣質(zhì)量等級,大氣中各種污染物的含量高低、毒性強弱以及它們對環(huán)境的影響程度差別很大。為了簡單直觀地描述各種污染物對空氣的污染程度，把污染物的濃度、污染等級等空氣質(zhì)量參數(shù)之間的關系，用一個統(tǒng)一的數(shù)學公式表達出來，并由此計算出一個簡單的相對數(shù)值，來表示大氣污染的強度。人們把這樣一個能夠表示空氣中首要污染物對空氣污染程度的數(shù)

17、值，稱為空氣污染指數(shù)，或者叫做環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)。,空氣質(zhì)量等級及其對人體健康的影響,一級（API：0?50）：空氣質(zhì)量評估為優(yōu)，對人體健康無影響二級（API：50?100）：空氣質(zhì)量評估為良，對人體健康無顯著影響 三級（API：100?200）：輕度污染，健康人群出現(xiàn)刺激癥狀四級（API：200?300）：中度污染，健康人群普遍出現(xiàn)刺激癥狀五級（API>300）：嚴重污染，健康人群出現(xiàn)嚴重刺激癥狀,5-1-6 室內(nèi)空

18、氣污染及防治（1）,室內(nèi)污染的種類可吸入顆粒物：攜帶細菌、病毒等生物活性污染、致癌化學污染物和放射性物質(zhì)；生物活性粒子有細菌、病毒、花粉等，是大多數(shù)呼吸道傳染病和過敏性疾病的元兇；空氣中的氣態(tài)化學污染物包括多種揮發(fā)性有機物和無機物 空調(diào)系統(tǒng)中的藏污納垢及適宜的溫濕度是細菌、病毒滋生和繁衍的理想場所。過濾功能較差的空調(diào)系統(tǒng)還會加劇污染物的傳播和擴散。,室內(nèi)有機物污染對人體健康的影響,氣味等感覺效應粘膜刺激，如乙醛、丙烯醛、萘致

19、癌性，如甲醛、苯等。,5-1-6 室內(nèi)空氣污染及防治（2）,室內(nèi)空氣污染物的主要來源建筑及室內(nèi)裝飾材料室外污染物燃燒產(chǎn)物和人本身活動,5-1-6 室內(nèi)空氣污染及防治（3）,室內(nèi)污染的防治治吸附劑+光催化防通風+高質(zhì)量裝修材料+植物,5-2 水的污染及其防治（1）,每年27億立方噸的工業(yè)污水只有不到30%經(jīng)過處理，而又只有不到50%的“處理過”的工業(yè)污水能達到國家標準現(xiàn)存的淡水資源只有2400噸/單位/年，不到世界

20、平均水平的1/4,5-2 水的污染及其防治（2）,天然水污染主要有三種途徑：大量廢水以及部分廢渣、垃圾直接排入水體中；廢渣、垃圾堆積地上，經(jīng)降雨淋洗流到水體中；通過塵埃沉降和氣－水界面污物，從大氣進入水體中。,我國水污染催生數(shù)個“癌癥村”,廣東韶關翁源“癌癥村”——上壩村山東肥城“癌癥村”——肖家店村江蘇阜寧“癌癥村”——洋橋村 無錫崇安“癌癥村”——廣豐村河南浚縣“癌癥村”——北老觀嘴村天津“癌癥村”——西堤頭

21、村沙潁河畔“癌癥村”——東孫樓村、黃孟營村,5-3-1 水的污染物,根據(jù)影響效果，可分為兩大類:無毒污染物主要是指糖類、木質(zhì)素、維生素、纖維素、脂肪、類脂、蛋白質(zhì)等天然有機物。有毒污染物是指那些進入生物體后積累到一定的數(shù)量，從而使體液和組織發(fā)生生化和生理功能的變化，引起暫時或持久的病理狀態(tài)，甚至危及生命的物質(zhì)。,赤潮,太湖藍藻,有毒污染物的主要種類,重金屬元素：在環(huán)境科學中由于As、Se的毒性和某些性質(zhì)類似于重金屬元素；金屬（Be

22、）的密度雖只有1.84g·cm-3，但它與人體健康關系密切，所以把As、Se、Be也列入重金屬元素范疇。它們中毒性顯著的有Hg、Cd、Cr、Pd、As。無機陰離子：主要是NO2－，F(xiàn)－和CN－離子。放射性物質(zhì)有機農(nóng)藥致癌物質(zhì),如稠環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物、芳香胺等。霉變花生、玉米中含有的黃曲霉素不僅是劇毒物質(zhì)而且還是致癌物質(zhì)，能引起肝癌。石油。一般有機物，如酚類等。,5-2-2 水質(zhì)監(jiān)控標準（1）,為防止環(huán)境污染，保障人

23、們健康，各國都制定了符合各自國情的水質(zhì)標準。我國地面水水質(zhì)衛(wèi)生要求：,5-2-2 水質(zhì)監(jiān)控標準（2）,生化需氧量（五天，20 ºC）用符號BOD5 20表示。它是指有機污染物于溫度20 ºC，在好氧細菌的作用下，5天內(nèi)分解所需（或消耗）O2的數(shù)量，單位mg/L。溶解氧是指溶于水中的O2的數(shù)量，單位為mg/L，常用符號DO表示。如果水中DO不足或有機污染物含量過高，都可以引起水體中DO耗盡。此時有機物降解所需的O

24、2便由NO3-和SO42- 供給，從而伴隨產(chǎn)生H2S等還原產(chǎn)物產(chǎn)生水體“腐臭”現(xiàn)象。,5-3-3 水體污染的防治,水體污染主要來自工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢水和生活廢水。因此水體污染的防治主要是“堵源”。也就是說，必須對不符合衛(wèi)生要求的廢水進行處理。廢水處理和利用的方法很多。處理方法的選擇取決于廢水中污染物的狀態(tài)、性質(zhì)、組成及對水質(zhì)的要求。廢水的一般處理方法大致可歸納為：物理法、化學法和生化法,物理法,用過濾法除去水中的懸浮固體顆粒；用

25、浮選（或氣?。┏ニ械娜闋钣偷位蛳鄬γ芏冉?的懸浮物；用蒸發(fā)法濃縮廢水中不揮發(fā)的可溶性物質(zhì)。,化學法,中和法：調(diào)節(jié)廢水的pH值，使其達到排放標準。對酸性廢水可用石灰、石灰石、電石渣或堿性廢水（液）來中和；對堿性廢水則可用酸性廢氣（如含CO2、SO2等煙道氣）或酸性廢水（液）來中和。氧化還原法：利用氧化還原反應使溶解在水中的有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒或毒性較小的物質(zhì)。沉淀法：利用沉淀反應使有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沉淀而與水溶液分離?；炷ǎ豪?/p>

26、加入混凝劑，使膠體粒子發(fā)生凝聚，產(chǎn)生絮凝物，并能吸附水中污染物，然后經(jīng)沉降（或上?。┒c水溶液分離。離子交換法：使用離子交換樹脂處理和回收廢水中的有價值金屬。處理后的水質(zhì)純凈，可以重復使用。萃取法：此法是利用廢水中的污染物在廢水中和有機溶劑中的分配不同而分離?；瘜W法除上述外，還有吸附法、膜分離法等。,生化法,生化法是利用微生物的生物化學作用處理廢水中的有機物染物。用活性污泥處理生活廢水或有機化工廠的生產(chǎn)廢水，使有機物轉(zhuǎn)化降解為無

27、毒的無機物而得到凈化。,廢水的綜合處理,綜合處理廢水可劃分為一級、二級和三級處理：一級處理常用物理法；二級處理常用生化法和絮凝法。生化法的目的主要是除去一級處理后的有機物。絮凝法主要是出去一級處理后廢水中無機的懸浮物和膠體微粒或低濃度的有機物；三級處理可根據(jù)需要選擇合適的化學方法進行“深度處理”。,清潔生產(chǎn),在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和預期消費中，既合理利用自然資源，又把對人類和環(huán)境的危害減至最小，使社會經(jīng)濟效益最大化的一種生產(chǎn)模式。推行清

28、潔生產(chǎn)是企業(yè)現(xiàn)代化的標志，也是人類發(fā)展的方向。,5-3 土壤污染及其防治,何謂土壤污染？ 指人類活動產(chǎn)生的污染物通過不同途徑輸入土壤環(huán)境中，數(shù)量和速度超過了土壤的自凈化能力，使土壤的生態(tài)平衡遭破壞，正常的功能失調(diào)。土壤污染的特點： 隱蔽性和潛伏性； 不可逆性和長期性。,土壤的污染的判斷,即使是凈土，組成也不是固定的，因此某些物質(zhì)含量的變化不一定意味著土壤功能發(fā)生了障礙，判斷土壤是否受到污染是個很復雜的問題。目前，一

29、般是從地下水是否受到污染，農(nóng)作物生長是否受到影響來判定土壤是否拾到污染。土壤污染的來源主要是被污染的水流入土壤中,污染的大氣落下的有害粉塵、酸雨,土壤吸收大氣中的有害氣體，人們不恰當施肥和使用農(nóng)藥，及堆放有害的廢渣造成的,土壤污染的危害,對植物生長產(chǎn)生不利影響，重金屬對土壤微生物產(chǎn)生破壞作用； 對人體健康產(chǎn)生影響及途徑： 土壤污物可通過揮發(fā)進入大氣 受水的淋溶作用進入地下水和地表水 污物被作物吸收進入人體，對環(huán)境造成二次污染,

30、5-3-1 土壤污染物（1）,土壤污染物主要是重金屬、農(nóng)藥、多環(huán)芳烴等 重金屬污染物隨廢氣和廢水進入土壤的重金屬呈可溶態(tài)與不溶性顆粒態(tài)存在。在堿性介質(zhì)土壤中，由于重金屬氫氧化物溶度積較小，它們將形成沉淀而留存在土壤中。通常重金屬的硫化物、碳酸鹽、磷酸鹽的溶度積也很小，重金屬在土壤中常以這些化合物的形成沉淀析出。,5-3-1 土壤污染物（2）,農(nóng)藥污染物土壤中農(nóng)藥污染物來自因防治病蟲及除去雜草而施用的殺蟲劑、殺菌劑及除草劑。多

31、環(huán)芳烴污染物多環(huán)芳烴大都是致癌物質(zhì)。土壤中多環(huán)芳烴污染物來自石油、化工、焦化、冶煉、煤氣、塑料、油漆、染料等行業(yè)的廢水排入，煙塵的降落以及汽車廢氣的排放。這些致癌的多環(huán)芳烴在自然界中一般比較穩(wěn)定，難于發(fā)生化學、生化作用，很難降解。因此，它們污染環(huán)境之后可造成長期的潛在危險。,我國土壤污染的現(xiàn)狀,1980年全國工業(yè)“三廢”污染農(nóng)田266.7萬公頃；1988年增加到666.7萬公頃；1992年全國遭受不同程度污染的農(nóng)田面積達1000

32、萬公頃，每年損失糧食120億公斤。其中污水灌溉污染330萬公頃，大氣污染農(nóng)田530萬公頃，固體廢棄物堆放侵占及垃圾、污泥農(nóng)用不當90萬公頃；目前我國化肥年施用量2930.2萬噸，農(nóng)藥22萬噸，農(nóng)用地膜80萬噸。,5-3-2 土壤污染的防治（1）,重金屬污染的防治嚴格控制土壤污染源改良土壤更換作物,東南景天,5-3-2 土壤污染的防治（2）,有機污染物的修復氣提微生物修復滲透性活性柵就地熱處理植物修復就地化學氧化就地

33、沖洗技術,5-4 環(huán)境質(zhì)量的評價及監(jiān)測（1）,環(huán)境質(zhì)量的評價環(huán)境質(zhì)量的好壞是以環(huán)境質(zhì)量指數(shù)來表示的。這是一種數(shù)學模型，不同國家、不同地區(qū)、不同部門用的計算方法可能不盡相同，評價對象和方法不同，所用的數(shù)學模型也不同。常用的一種表示環(huán)境質(zhì)量指數(shù)E的數(shù)學式是： 式中，Ci為評價對象污染物i的實測濃度；Cis為污染物i的評價標準；n為受監(jiān)測的污染物種類數(shù)目。 E實際上就是污染物的超標率總和，E值愈大，污染就愈嚴重，這屬于比值