第二十二章合成高分子化合物

1、第五章 化學(xué)與環(huán)境保護(hù)教學(xué)目的：掌握環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的內(nèi)容以及環(huán)境質(zhì)量的分級(jí)；掌握對(duì)廢氣、廢水和廢渣進(jìn)行處理的方法；熟悉催化作用及其催化理論；了解綠色工藝的設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)及認(rèn)識(shí)發(fā)展綠色工藝設(shè)計(jì)的前景。教學(xué)重點(diǎn)：廢氣、廢水和廢渣進(jìn)行處理的方法。教學(xué)難點(diǎn)：廢水的處理方法：化學(xué)還原法、化學(xué)氧化法。第一節(jié) 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的一般要求一、環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)1. 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的內(nèi)容環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的內(nèi)容包括污染源評(píng)價(jià)、污染狀況評(píng)價(jià)、環(huán)境自凈能力評(píng)價(jià)、環(huán)境對(duì)人體健康與生態(tài)系統(tǒng)的影響評(píng)價(jià)和環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)的評(píng)價(jià)等。2. 環(huán)境質(zhì)量的分級(jí)環(huán)境質(zhì)量的分級(jí)是以環(huán)境質(zhì)量指數(shù)來(lái)表示的。這是一種數(shù)學(xué)模型，不同國(guó)家、不同地區(qū)，不同部門采用的計(jì)算方法不

2、盡相同。評(píng)價(jià)對(duì)象和評(píng)價(jià)方法不同，數(shù)學(xué)模型也不同。常用的一種表示方法為環(huán)境質(zhì)量指數(shù)E(或EQI，即Environment Quality Index)的表述是式中Cis為i污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Ci為i污染物的實(shí)際測(cè)得濃度，n為受監(jiān)測(cè)的污染物種類數(shù)。Ci/Cis實(shí)際上是污染物的超標(biāo)率。這是一種比值法評(píng)價(jià)。顯然E值愈大，污染就愈嚴(yán)重。如對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可有三種：人體直接接觸的(如飲用水)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；人體間接接觸的(如農(nóng)田用水)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；人體不接觸的(如工業(yè)用水)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。若需要對(duì)某個(gè)區(qū)域進(jìn)行整體環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，可采用將各個(gè)單項(xiàng)E值疊加的方法，求得環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)：E綜合=E地面水+E地下水

3、+E大氣+E土壤二、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)是環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)(分級(jí))的基礎(chǔ)，首先要根據(jù)被測(cè)對(duì)象和評(píng)價(jià)目標(biāo)確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。如對(duì)水體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)一般需要測(cè)定的項(xiàng)目有三類：無(wú)機(jī)物，包括硝酸鹽、銨態(tài)氮、磷酸鹽、氯化物、水中總固體濃度、硬度、pH值等；有機(jī)物，包括生化需氧量、化學(xué)耗氧量、有機(jī)酸、氰化物、洗滌劑等的含量；重金屬，鉻、鎘、鉛、汞、砷等含量。此外還有色度、臭度、透明度、溫度、放射性物質(zhì)濃度、細(xì)菌總數(shù)、藻類含量及水文條件等許多項(xiàng)目供各種評(píng)價(jià)目標(biāo)選擇。常規(guī)的大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中受監(jiān)測(cè)的污染物種類一般有5種：顆粒飄塵(PM)，SOx，NOx，CO，氧化劑(以O(shè)3為代表)。測(cè)定目標(biāo)確定后，通過(guò)具體監(jiān)測(cè)，將

4、各污染物的實(shí)際測(cè)得值和標(biāo)準(zhǔn)值代入公式進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)E值大小，將大氣環(huán)境質(zhì)量分為6個(gè)級(jí)別，見下表。 級(jí)別環(huán)境質(zhì)量指數(shù)E污染程度清潔微污染0.11輕污染中度污染4.510較重污染10嚴(yán)重污染第二節(jié) 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的主要手段一、環(huán)境分析的主要特點(diǎn)環(huán)境分析化學(xué)是研究如何運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)理論和先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)鑒別和測(cè)定環(huán)境污染物及有關(guān)物種的種類、成分與含量以及化學(xué)形態(tài)的科學(xué)，是環(huán)境化學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科，也是環(huán)境科學(xué)和環(huán)境保護(hù)的重要基礎(chǔ)學(xué)科。環(huán)境分析的主要特點(diǎn)如下：(1)研究領(lǐng)域廣、對(duì)象復(fù)雜。要針對(duì)各種污染源(工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、生活等)和各類環(huán)境要素(大氣、水體、土壤、動(dòng)物、植物、食品及人體組織等生

5、物材料)中成千上萬(wàn)種的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行定性或定量的測(cè)定。(2)被測(cè)組分含量低，特別是環(huán)境背景值含量極微(10-6g10-12g)。對(duì)含量極微的組分進(jìn)行分析，通常采用微量分析或超微量分析的方法，并需要采用高靈敏度的分析技術(shù)。(3)樣品組成復(fù)雜，不僅測(cè)定元素的總量，還要做形態(tài)分析。 (4)樣品穩(wěn)定性差。有些污染物在環(huán)境介質(zhì)中可能發(fā)生溶解、沉淀、吸附、氧化、還原、光解、水解、生物降解等變化，因此樣品的采集時(shí)間、地點(diǎn)、氣象條件的影響、貯存條件(容器性質(zhì)、溫度、避光條件)等會(huì)影響樣品的組成和濃度。這需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)態(tài)分析，要求儀器和方法測(cè)定速度快，自動(dòng)化程度盡可能高。第三節(jié) 三廢處理一、廢氣的處理通過(guò)

6、下列措施防止或減少污染物的排放。改革能源結(jié)構(gòu)，積極開發(fā)無(wú)污染能源(太陽(yáng)能、地?zé)崮?、海洋能、風(fēng)能等)，或采用相對(duì)低污染能源(天然氣、沼氣等)；改進(jìn)燃煤技術(shù)和能源供應(yīng)辦法，逐步采取區(qū)域采暖、集中供熱的方法，這樣既能提高燃燒效率，又能降低有害氣體排放量；采用無(wú)污染或低污染的工業(yè)生產(chǎn)工藝；及時(shí)清理和合理處置工業(yè)、生活和建筑廢渣，減少地面揚(yáng)塵；加強(qiáng)企業(yè)管理，注意節(jié)約能源和開展資源綜合利用，并要減少事故性排放和逸散；植樹造林，這是治理大氣污染、綠化環(huán)境的重要途徑。即使采取上述措施，仍會(huì)有污染物排入大氣，因此，對(duì)各種污染源要進(jìn)行治理，控制其排放濃度和排放總量，使其不致超過(guò)該地區(qū)的環(huán)境容量。二、廢水的處理1.

7、 廢水的處理方法排污水及工業(yè)廢水可利用多種分離和轉(zhuǎn)化進(jìn)行無(wú)害化處理，其基本方法可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。各種方法的簡(jiǎn)要基本原理和單元技術(shù)列入表5-1。表5-1 污水處理方法分類基本方法基本原理單元技術(shù)  物理法物理或機(jī)械的分離過(guò)程過(guò)濾，沉淀，離心分離，上浮等  化學(xué)法加入化學(xué)物質(zhì)與污水中有害物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中和，氧化，還原，分解，混凝，化學(xué)沉淀等物理化學(xué)法物理化學(xué)的分離過(guò)程汽提，吹脫，吸附，萃取，離子交換，電解電滲析，反滲透等生物法微生物在污水中對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化，分解的新陳代謝過(guò)程活性污泥，生物濾池，生物轉(zhuǎn)盤，氧化塘，厭氣消化等 廢水按水

8、質(zhì)狀況及處理后出水的去向確定其處理程度。廢水處理程度可分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)處理。一級(jí)處理由篩濾、重力沉淀和浮選等物理方法串聯(lián)組成，主要是用以除去廢水中大部分粒徑在以上的大顆粒物質(zhì)(固體懸浮物)，且減輕廢水的腐化程度。經(jīng)一級(jí)處理后的廢水一般還達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，故通常作為預(yù)處理階段，以減輕后續(xù)處理工序的負(fù)荷和提高處理效果。二級(jí)處理是采用生物處理方法(又稱微生物法)及某些化學(xué)法，用以去除水中的可降解有機(jī)物和部分膠體污染物。二級(jí)處理中采用的化學(xué)法主要是化學(xué)絮凝法(或稱混凝法)。廢水中的某些污染物常以細(xì)小懸浮顆?；蚰z體顆粒的形式存在，很難用自然沉降法除去。向廢水中投加凝聚劑(混凝劑)，使細(xì)小懸浮顆粒的膠體

9、顆粒聚集成較粗大的顆粒而沉淀，與水分離。常用的凝聚劑有硫酸鋁( Al2(SO4)3)，明礬(硫酸鋁鉀)，硫酸亞鐵(FeSO4)，硫酸鐵(Fe2(SO4)3)，三氯化鐵(FeCl3)等無(wú)機(jī)凝聚劑和多種有機(jī)聚合物(高分子)凝聚劑。三級(jí)處理可采用化學(xué)法(化學(xué)沉淀法、氧化還原法等)、物理化學(xué)法(吸附、離子交換、萃取、電滲析、反滲透法等)，這是以除去某些特定污染的一種“深度處理”方法。化學(xué)法就是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改變廢水中污染物的化學(xué)性質(zhì)或物理性質(zhì)，使之發(fā)生化學(xué)或物理狀態(tài)的變化，進(jìn)而將其從水中除去?；瘜W(xué)沉淀法處理廢水，一般有投藥、混合、反應(yīng)、沉淀等過(guò)程。其工藝流程如圖5-1所示。2. 化學(xué)氧化法化學(xué)氧化法常用

10、來(lái)處理工業(yè)廢水，特別適宜處理難以生物降解的有機(jī)物，如大部分農(nóng)藥、染料、酚、氰化物，以及引起色度、臭味的物質(zhì)。常用的氧化劑有氯類(液態(tài)氯、次氯酸鈉、漂白粉等)和氧類(空氣、臭氧、過(guò)氧化氫、高錳酸鉀等)。用氯、次氯酸鈉、漂白粉等可以氧化廢水中的有機(jī)物、某些還原性無(wú)機(jī)物以及用來(lái)殺菌、除臭、脫色等。氯氧化法處理含氰廢水是廢水處理的一個(gè)典型實(shí)例。在堿性條件下11)，液氯可將氰化物氧化成氰酸鹽：CN-+2OH-+Cl2CNO-+2Cl-+H2O氰酸鹽的毒性僅為氰化物的千分之一。若投加過(guò)量氧化劑，可將氰酸鹽進(jìn)一步氧化為二氧化碳和氮：2CNO-+4OH-+3Cl22CO2+N2+6Cl-+2H2O使水質(zhì)得以進(jìn)

11、一步凈化。2. 化學(xué)還原法化學(xué)還原法主要用于處理含有汞、鉻等重金屬離子的廢水。例如用廢鐵屑、廢銅屑、廢鋅粒等較汞活潑的金屬作還原劑處理含汞廢水，將上述金屬放在過(guò)濾裝置中，當(dāng)廢水流過(guò)金屬濾層時(shí)，廢水中的Hg2+即被還原為金屬汞：Fe(Zn，Cu)+Hg2+Fe2+(Zn2+，Cu2+)+Hg生成的鐵(鋅、銅)汞渣經(jīng)焙燒爐加熱，可以回收金屬汞。對(duì)于含鉻廢水，可先用硫酸酸化(pH=34)，然后加入510的硫酸亞鐵，使廢水中的六價(jià)鉻還原為三價(jià)鉻：然后再加入石灰，降低酸度，調(diào)至pH為89，三價(jià)鉻離子形成難溶于水的氫氧化鉻沉淀，即自然沉降而與水分離。2Cr3+3Ca(OH)22Cr(OH)3+3Ca2+物

12、理化學(xué)處理法 是指運(yùn)用物理和化學(xué)的綜合作用使廢水得到凈化的方法。常用的有吹脫、吸附、萃取、離子交換、電解等方法，有時(shí)也歸類于化學(xué)方法。常用化學(xué)方法處理廢水的原理和處理對(duì)象見表5-2。表5-2 常用處理廢水的化學(xué)方法方法原理設(shè)備及原材料處理對(duì)象  混凝向膠狀渾濁液中投加電解質(zhì)，凝聚水中膠狀物質(zhì)，使之和水分開混凝劑有硫酸鋁，明礬，聚合氯化鋁，硫酸亞鐵，三氯化鐵等含油廢水，染色廢水，煤氣站廢水，洗毛廢水等中和酸堿中和，pH達(dá)中性石灰，石灰石，白云石等中和酸性廢水，CO2中和堿性廢水硫酸廠廢水用石灰中和，印染廢水等氧化還原投加氧化(或還原)劑，將廢水中物質(zhì)氧化(或還原)為無(wú)害物質(zhì)氧化劑有空氣

13、(O2)，漂白粉，氯氣，臭氧等含酚，氰化物，硫，鉻，汞廢水，印染，醫(yī)院廢水等電解在廢水中插入電極板，通電后，廢水中帶電離子變?yōu)橹行栽与娫矗姌O板等含鉻含氰(電鍍)廢水，毛紡廢水萃取將不溶于水的溶劑投入廢水中，使廢水中的溶質(zhì)溶于此溶劑中，然后利用溶劑與水的相對(duì)密度差，將溶劑分離出來(lái)萃取劑：醋酸丁酯，苯，N-503等設(shè)備有脈沖篩板塔，離心萃取機(jī)等含酚廢水等吸附(包含離子交換)將廢水通過(guò)固體吸附劑，使廢水中溶解的有機(jī)或無(wú)機(jī)物吸附在吸附劑上，通過(guò)的廢水得到處理吸附劑有活性炭，煤渣，土壤等吸附塔，再生裝置染色、顏料廢水，還可吸附酚，汞，鉻，氰以及除色，臭，味等用于深度處理 三、廢渣的處理發(fā)達(dá)

14、國(guó)家垃圾資源開發(fā)處理量遠(yuǎn)高于發(fā)展中國(guó)家；垃圾處理技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家以衛(wèi)生填埋為主，而在發(fā)展中國(guó)家以堆肥為主； 垃圾資源開發(fā)處理系列化和垃圾資源綜合利用多元化已成為全球垃圾處理和綜合回收利用的新趨勢(shì)。2. 垃圾的回收對(duì)垃圾的回收包括材料和能源的回收。其中材料回收主要是根據(jù)垃圾的物理性能，研究和發(fā)展機(jī)械化、自動(dòng)化分選垃圾技術(shù)。分選發(fā)酵法，其處理工藝路線如圖5-2所示。 （自學(xué)）煤的氣化、煤的焦化和煤的液化。第四節(jié) 綠色工藝的設(shè)計(jì)無(wú)污染或低排放的“綠色”新工藝綜合考慮對(duì)原料的選取、能量的耗損、以及廢料的環(huán)境商值EQ等，探索新的合成工藝。E-因子定義為每生產(chǎn)1kg期望產(chǎn)品的同時(shí)產(chǎn)生的廢物的量，即E-因子=廢料質(zhì)量/產(chǎn)品質(zhì)量。表5-3列出了不同生產(chǎn)部門生產(chǎn)中環(huán)境所能接受的E-因子的大小。表5-3 不同化工生產(chǎn)部門的E-因子工業(yè)部門產(chǎn)品/噸E-因子煉油166108基本化工10410615精細(xì)化工102104550制藥10110325100  從表中可看到，精細(xì)化工(如染料)和制藥工業(yè)的E-因子較大，主要廢料是在純化產(chǎn)品的反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)機(jī)鹽。一般合成步驟多，廢料就多。因此，減少合成步驟、無(wú)機(jī)鹽的形成，可減少?gòu)U料向環(huán)境的排放。環(huán)境商值EQ是綜合考慮廢物的排放量