大學(xué)化學(xué)第05章-環(huán)境化學(xué)基礎(chǔ)-2013-9-4

第5章環(huán)境化學(xué)基礎(chǔ)Chapter5BasicEnviromentalChemistry現(xiàn)代大學(xué)化學(xué)本章概要5.1環(huán)境與污染

6.1.1幾個(gè)基本概念；6.1.2環(huán)境污染的研究?jī)?nèi)容5.2大氣污染與防治（防止）

6.2.1大氣的組成與結(jié)構(gòu)；6.2.2幾種主要的大氣污染；

6.2.3煙氣除塵與脫硫技術(shù)；6.2.4CO2回收與綜合利用技術(shù)5.3水污染與防治

6.3.1我國(guó)的水資源狀況簡(jiǎn)介；6.3.2幾個(gè)主要的水質(zhì)指標(biāo)與處理措施；6.3.3常用的水處理技術(shù)5.4固廢處置與土壤污染5.5可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略:清潔生產(chǎn)與綠色工業(yè)復(fù)習(xí)教材第11章；預(yù)習(xí)教材第12章；：另行布置作業(yè)5.1環(huán)境與污染5.1.1幾個(gè)基本概念環(huán)境是指人類賴以生存的自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的總和。自然環(huán)境是指與人類生存和發(fā)展有關(guān)的各種自然因素，包括陽(yáng)光、空氣、水、土壤、氣候、動(dòng)植物、微生物，等。人、動(dòng)物、植物和微生物組成了生物界。各種群之間在依賴與約束中共生。生物群落與周圍非生物環(huán)境間也存在著相互作用，如此構(gòu)成的綜合體稱為生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部存在物質(zhì)、能量等交換，當(dāng)這種交換在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，便稱為達(dá)到了動(dòng)態(tài)的生態(tài)平衡。

自然界的水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)具有一定的抗沖擊能力，但當(dāng)外來(lái)沖擊超過(guò)其承受能力時(shí)，系統(tǒng)便遭到了不可逆轉(zhuǎn)的破壞；當(dāng)一種生態(tài)平衡遭到破壞后，建立新的平衡需相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間和代價(jià)。常見(jiàn)的破壞生態(tài)的例子有：亂伐森林、破壞植被引起的水土流失與沙漠化；向大氣中過(guò)量排放有害氣體導(dǎo)致臭氧空洞與溫室效應(yīng)；向水體中過(guò)量排放廢棄物引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化；

5.1.2環(huán)境污染的研究?jī)?nèi)容

當(dāng)前人們關(guān)注的環(huán)境污染的內(nèi)容包括：空氣污染；水污染；固廢污染；噪音污染；光污染；熱污染；放射性污染；等。5.2大氣污染與防治（防止）5.2.1大氣的組成與結(jié)構(gòu)5.2.1.1大氣的組成5.2.1.2大氣的結(jié)構(gòu)

5.2.2幾種主要的大氣污染5.2.2.1粉塵（懸浮顆粒物）定義：粉塵=降塵(d≥10m,在大氣中可因重力而自然沉降)+飄塵(d<10m,在大氣中不能自然沉降)。危害：降低能見(jiàn)度；吸附攜帶有害物質(zhì)與病菌；可隨空氣通過(guò)呼吸進(jìn)入人體參加血液循環(huán)，部分殘留在合適的部位引起組織的病變。來(lái)源：工礦企業(yè)燃煤、燃油，通過(guò)煙囪排放的煙塵。防止方法：工礦企業(yè)采用除塵設(shè)備（靜電除塵；旋風(fēng)除塵；布袋除塵；水膜除塵；等)。5.2.2.2溫室氣體與溫室效應(yīng)地球上的能量關(guān)系地球上的能量平衡地球溫度升高所帶來(lái)的后果（Rf：改變世界的6度）南北極地冰山將大幅度融化，導(dǎo)致海平面上升。氣候反常，海洋風(fēng)暴增多。土地干旱，沙漠化面積增大。地球上的病蟲(chóng)害增加。

南極冰川融化速度加快與地球大氣有關(guān)的溫室氣體:CO,N2O,O3,CH4,CO2,H2O，等。

溫室氣體通常是指大氣能夠讓太陽(yáng)短波輻射自由通過(guò)，同時(shí)能夠強(qiáng)烈吸收地面和空氣放出的長(zhǎng)波輻射(紅外線)，這樣就使地表與低層大氣溫度增高。

溫室氣體的振動(dòng)方式與紅外吸收溫室氣體的紅外吸收譜圖溫室氣體排放量前五名的國(guó)家5.2.2.3

SOx、NOy

與酸雨

(SO2、

NO一次污染物)(SO3、NO2、

H2SO4二次污染物)定義：由于大氣中0.04%CO2的存在，未污染天然雨水的pH約為5.6。人們將pH<5.6的雨水叫做酸雨。(H2CO3?)酸雨的危害：腐蝕建材和文物；燒毀莊稼、植物與植被；污染土壤與水體（酸雨使土壤、湖泊、河流酸化，它抑制土壤中有機(jī)物的分解和氮的固定，淋洗與土壤粒結(jié)合的鈣、鎂、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，使土壤貧瘠）；刺激呼吸道、引發(fā)疾病。污染來(lái)源：工礦企業(yè)燃煤，汽車尾氣，等。防止方法：企業(yè)采用脫硫、脫氮裝置；減少汽車的用量。目前，全球已形成三大酸雨區(qū)。我國(guó)覆蓋四川、貴州、廣東、廣西、湖南、湖北、江西、浙江、江蘇和青島等省市部分地區(qū)，面積達(dá)200多萬(wàn)平方公里，是世界三大酸雨區(qū)之一。我國(guó)酸雨區(qū)面積擴(kuò)大之快、降水酸化率之高，在世界上是罕見(jiàn)的。世界上另兩個(gè)酸雨區(qū)是以德、法、英等國(guó)為中心，波及大半個(gè)歐洲的北歐酸雨區(qū)和包括美國(guó)和加拿大在內(nèi)的北美酸雨區(qū)。這兩個(gè)酸雨區(qū)的總面積大約1000多萬(wàn)平方公里，有時(shí)降水的pH值小于0.5，有的甚至小于0.4。

國(guó)家環(huán)?？偩?005年6月2日公布的《2004年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，2004年我國(guó)酸雨污染略呈加重趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)顯示，2004年我國(guó)出現(xiàn)酸雨的城市有298個(gè)，占全國(guó)527個(gè)統(tǒng)計(jì)市（縣）的56.5％。降水年均pH值小于5.6（酸雨）的城市達(dá)218個(gè)，占統(tǒng)計(jì)城市的41.4％。與上年相比，出現(xiàn)酸雨的城市比例增加了2.1％

，酸雨城市比例上升了4％

，其中pH值小于4.5的城市比例增加了2％

；酸雨頻率超過(guò)80％的城市比例上升了1.6％

。南京歷史上酸雨的極值出現(xiàn)在1997年3月份，其PH值為3.06，達(dá)到了重度酸雨的標(biāo)準(zhǔn)，這場(chǎng)酸雨的酸性比醋還強(qiáng)（醋酸Ph=4.76）。

5.2.2.4含氟烷烴與臭氧空洞典型的相關(guān)含氟烷：氟里昂(Freon,含氟含氯烷烴，性質(zhì)優(yōu)良的制冷劑)；哈龍（Halon，含氟含溴烷烴，性質(zhì)優(yōu)良的泡末滅火器材料）。

氟里昂是一類化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不具有可燃性和毒性的化合物，被當(dāng)作性質(zhì)優(yōu)良的制冷劑，在空調(diào)、冰箱中應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn):排放到大氣中后，由于它平均壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到數(shù)百年，大部分是停留在對(duì)流層中，相當(dāng)穩(wěn)定。但是，也有一小部分會(huì)進(jìn)入平流層。而平流層中存在強(qiáng)烈的紫外線輻射，氟利昂在紫外輻射下會(huì)分解釋放出氯原子，那么氯原子又可與臭氧分子發(fā)生連鎖反應(yīng)，這樣臭氧分子不斷地被破壞。臭氧的產(chǎn)生與消亡機(jī)理：O22O

(光引發(fā))O2+O

O3O3O

+O2（光引發(fā)）CFCl3CFCl2

+Cl

(光引發(fā))Cl

+O3ClO

+O2ClO

Cl

+O2臭氧空洞對(duì)人類生存的影響防止方法

全面禁用氟氯碳化物

南極上空的臭氧空洞

臭氧存在于對(duì)流層、平流層與中間層中，在距地面0～60km的范圍內(nèi)，以距地表30km處濃度最高。損害人體的免疫系統(tǒng)，增加皮膚癌的患病概率；會(huì)有更多的太陽(yáng)紫外輻射到達(dá)地面，增加近地面大氣臭氧形成的速率，使大氣環(huán)境惡化，植物死亡等。5.2.2.5碳?xì)浠衔?、氮氧化物與光化學(xué)煙霧現(xiàn)象：由汽車排放物NOx和碳?xì)浠餅榛A(chǔ)，在一定的氣候條件和光照情況下，引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生醛酮醇酸(結(jié)構(gòu)式？)等有機(jī)物(二次污染物)

，凝聚為煙霧。危害：影響能見(jiàn)度，刺激黏膜與呼吸道，腐蝕老化建筑設(shè)施。形成機(jī)理：NO2

NO+O

(光引發(fā))

；O

+O2O3 O3+碳?xì)浠?HC)醛酮醇酸等及其碎片防止措施：減少、凈化汽車尾氣。5.2.3煙氣除塵與脫硫技術(shù)5.2.3.1常用的煙氣除塵方法機(jī)械除塵：依靠機(jī)械力將塵粒從氣流中除去，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)均較低，但除塵效率不高。包括重力除塵、慣性除塵、離心除塵等。洗滌除塵：用液體洗滌含塵氣體，使塵粒與液滴或液膜碰撞而被俘獲，除塵效率為80%～95%，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較高。包括水浴式除塵、泡沫式除塵，文丘里管除塵、水膜式除塵等。

過(guò)濾除塵：使含塵氣流通過(guò)濾料將塵粒分離捕集，分內(nèi)部過(guò)濾(濾料除塵)和表面過(guò)濾(布袋除塵)兩種方式，除塵效率一般為90%～99%，不適用于溫度高的含塵氣體。靜電除塵：利用靜電力實(shí)現(xiàn)塵粒與氣流分離，特點(diǎn)是氣流阻力小，除塵效率可達(dá)99％以上，但投資較高。占地面積大。5.2.3.2常用的煙氣脫硫技術(shù)石灰石-石膏法：以石灰漿為吸收劑泵入吸收塔與煙氣接觸，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及從下而上的空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)生成硫酸鈣，反應(yīng)式為(沒(méi)有二次污染)

CaCO3+SO2+?O2→CaSO4+CO2。脫硫效率可大于95%。海水脫硫法：是利用海水的堿度脫除二氧化硫的脫硫方法。吸收二氧化硫后的海水經(jīng)曝氣處理，使其中的SO32-被氧化成為穩(wěn)定的SO42-。此工藝的問(wèn)題是可能產(chǎn)生的重金屬沉積和對(duì)海洋環(huán)境的影響。(有二次污染)氨水脫硫法：以氨水為吸收劑，副產(chǎn)硫酸銨化肥。在洗滌器中氨水自塔頂噴淋洗滌煙氣，發(fā)生反應(yīng)(氨水具有揮發(fā)性，成本高)

2NH4++SO2+O2→(NH4)2SO4。產(chǎn)生的濃度約30%的硫酸銨溶液可直接作為液體氮肥出售，也可濃縮蒸發(fā)干燥成顆粒出售。石灰漿法煙氣脫硫工藝流程示意圖5.2.4.1CO2的性質(zhì)與作用物理領(lǐng)域：用作惰性氣體(保護(hù)焊)、冷卻劑(滅火劑)、超臨界萃取劑(提取天然植物精華，提高石油開(kāi)采率)等；用作泡沫材料的發(fā)泡劑。化學(xué)領(lǐng)域:純堿，化肥，輕質(zhì)碳酸鹽等。5.2.4

CO2回收與綜合利用技術(shù)生物領(lǐng)域：啤酒、碳酸飲料的添加劑；植物生長(zhǎng)(尤其棚栽植物)

的氣體肥料；用作果蔬保鮮劑,以抑制果蔬中微生物呼吸和病菌發(fā)生；是呼吸促進(jìn)劑。5.2.4.2CO2的回收技術(shù)物理吸收法：利用CO2氣體在高(低)壓力下在特定的有機(jī)溶劑中溶解度的大(小)來(lái)分離CO2氣體與其它雜質(zhì)氣體的方法。吸收劑須對(duì)CO2的溶解度大、選擇性好、沸點(diǎn)高、無(wú)腐蝕、無(wú)毒性、性能穩(wěn)定。常用的有環(huán)丁砜、甲醇、聚乙二醇二甲醚等。

化學(xué)吸收法：使原料氣和化學(xué)溶劑(如K2CO3水溶液或乙醇胺類溶液)在吸收塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),CO2被吸收至溶劑中成為富液,富液進(jìn)入脫析塔加熱分解出CO2從而達(dá)到分離回收CO2的目的。碳酸鉀法吸收與解析反應(yīng)方程為：吸附法：本法是利用固態(tài)吸附劑對(duì)原料混合氣中的CO2的選擇性可逆吸附作用來(lái)分離回收CO2的，分為變溫吸附法和變壓吸附法兩種。吸附劑在低溫高壓時(shí)吸附CO2,升溫降壓后將CO2解析出來(lái)。常用的吸附劑有天然沸石、分子篩、活性氧化鋁、硅膠和活性炭等。膜分離法：膜分離法是利用某些聚合材料如醋酸纖維、聚酰亞胺等制成的薄膜對(duì)不同氣體的滲透率的不同來(lái)分離氣體的。膜分離的驅(qū)動(dòng)力是壓差,當(dāng)膜兩邊存在壓差時(shí),滲透率高的氣體組分以很高的速率透過(guò)薄膜,形成滲透氣流,滲透率低的氣體則絕大部分在薄膜進(jìn)氣側(cè)形成殘留氣流,兩股氣流分別引出從而達(dá)到分離的目的。膜分離法的關(guān)鍵是膜的選擇性。5.3水污染與防治5.3.1我國(guó)的水資源狀況簡(jiǎn)介我國(guó)是一個(gè)水資源相對(duì)貧乏的國(guó)家(水量居世界第六位,人均水量卻很少，在110位)；我國(guó)的水資源分配極不平衡(北方占地面積大，水資源所占比例?。荒戏秸嫉孛娣e小，水資源所占比例大)；我國(guó)水體的受污染情況嚴(yán)重；無(wú)計(jì)劃的開(kāi)采和使用使得我國(guó)的許多河流干枯、湖面減小、地下水位減低。5.3.2幾個(gè)主要的水體污染與處理措施5.3.2.1固體懸浮物污染定義：難溶性物質(zhì)（固體或液體）在水中以膠體狀態(tài)出現(xiàn)，影響水的清澈程度，屬于表觀水質(zhì)指標(biāo)。處理：透加絮凝劑進(jìn)行混凝沉淀處理。5.3.2.2有機(jī)污染物與CODCr、BOD5定義：水體中所含有機(jī)物含量可用COD(ChemicalOxygenDemand,化學(xué)耗氧量)和BOD(BiologicalOxygenDemand,生化需氧量)表示。

COD：指在一定條件下，水中有機(jī)污染物和還原性物質(zhì)與強(qiáng)氧化劑(K2Cr2O7或KMnO4)氧化時(shí)所需要消耗的氧化劑量。BOD：指在有氧的條件下，水中可分解的有機(jī)物被好氧微生物分解一定時(shí)間后，所消耗氧的量。同一廢水，COD>BOD富營(yíng)養(yǎng)化與赤潮（綠潮、藍(lán)潮）、水體發(fā)黑變臭。

“富營(yíng)養(yǎng)化”:在人類活動(dòng)集中的一些水流緩慢的水域，由于水體中N、P含量較高，使得藻類等浮游生物大量繁殖.

赤潮：藻類死亡腐敗后，又分解出大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)藻類的進(jìn)一步發(fā)展，最終造成氧含量降低，水體發(fā)黑變臭。

治理方法：生化處理。

5.3.2.3重金屬污染重金屬對(duì)生命體的危害重金屬污染物的來(lái)源：電鍍廢水；廢舊電池；含重金屬?gòu)U水的治理5.3.2.4熱污染廢熱的來(lái)源（鋼鐵廠，熱電廠，煉油廠，化肥廠，

）廢熱對(duì)水體的影響熱污染的防止浙江海域出現(xiàn)的大面積赤潮云南滇池藍(lán)藻暴發(fā)

5.3.3常用的水處理技術(shù)

5.3.3.1濁度去除技術(shù)（混凝沉淀與混凝氣?。┗炷?通過(guò)向污水中投加高分子聚電解質(zhì)，使得污水中難以沉淀的膠體物質(zhì)迅速脫穩(wěn)而相互凝集、增大，沉淀.)

水處理劑：聚合氯化鋁，聚合硫酸鐵，聚丙烯酰胺等。5.3.3.2純凈化技術(shù)（過(guò)濾與反滲透）過(guò)濾與反滲透原理

反滲透膜與反滲透裝置

5.3.3.3有機(jī)廢水的生化處理技術(shù)幾種典型的高濃度有機(jī)廢水：釀造廢水，造紙廢水，屠宰廢水，洗毛廢水，印染廢水，等天然的水體食物鏈：大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃小蟲(chóng)，小蟲(chóng)吃微生物，微生物吃污水。微生物作用：將廢水中的有機(jī)物氧化或還原，轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物質(zhì)。生化處理：利用微生物的生命活動(dòng)過(guò)程將廢水中的可溶性的有機(jī)物及部分不溶性的有機(jī)物有效地去除，使水得到凈化。生化處理工程：微生物全部集中在一個(gè)池子內(nèi)，創(chuàng)造一個(gè)適合微生物繁殖、生長(zhǎng)的環(huán)境（如溫度、pH值、氧氣、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)），使微生物大量增殖，以提高其分解有機(jī)物的速度和效率。然后再往池內(nèi)泵入廢水，使廢水中的有機(jī)物在微生物的生命活動(dòng)過(guò)程中得到氧化、降解，使廢水得到凈化和處理。幾種生化處理單元：厭氧處理，缺氧處理，好氧處理厭氧處理:在無(wú)氧條件下，廢水中的有機(jī)物通過(guò)酸性發(fā)酵等階段，利用厭氧微生物分解生成CH4、CO2、H2S、H2O等。缺氧處理:兼性菌參與的生化反應(yīng)，兼性菌是可以在好氧也可以在厭氧的情況下反應(yīng)，要求系統(tǒng)的溶解氧在0.5mg/L以下。好氧處理:在充分供氧和適當(dāng)溫度、營(yíng)養(yǎng)條件下，使好氧性微生物大量繁殖，并利用其將污水中的有機(jī)物氧化分解為CO2、H2O、硫酸鹽和硝酸鹽等無(wú)害物質(zhì)。

生化處理特點(diǎn)：具有能耗低、不加藥、處理效果好、處理費(fèi)用低等。

5.4固廢廢物5.4.1固體廢物的分類

固體廢物是指生產(chǎn)建設(shè)、日常生活和其他活動(dòng)中產(chǎn)生的污染環(huán)境的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質(zhì)。固體廢物按來(lái)源分類：工業(yè)固體廢物、危險(xiǎn)廢物和城市生活垃圾。（一）工業(yè)固體廢物

工業(yè)固體廢物是指在工業(yè)、交通等生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢物。包括高爐渣、鋼渣、有色金屬渣、粉煤灰、煤渣、廢石膏等。（二）危險(xiǎn)廢物

我國(guó)的工業(yè)固體廢物中，約占總產(chǎn)生量5％一10％的廢物積聚后具有易燃性、易爆性、化學(xué)反應(yīng)性、腐蝕性、急性毒性、慢性毒性、生態(tài)毒性或傳染性等為了便于對(duì)這些有害的固體廢物進(jìn)行管理，我國(guó)將其作了單獨(dú)分類，稱其為危險(xiǎn)廢物。常見(jiàn)的危險(xiǎn)廢物有冶煉渣、化學(xué)及化工廢物、鈾的生產(chǎn)、加工、回收過(guò)程中所排出的放射性固體廢物，以及核武器試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的各種放射性碎片、彈殼及其污染物等。

（三）城市生活垃圾

城市生活垃圾是指在城市日常生活中所產(chǎn)生的固體廢物，以及法律、行政法規(guī)規(guī)定視為城市生活垃圾的固體廢物。發(fā)達(dá)國(guó)家的城市居民糞便全部通過(guò)下水道輸送到污水處理廠處理，因此，發(fā)達(dá)國(guó)家的城市固體廢物不包括城市居民糞便。在我國(guó)，由于城市下水道系統(tǒng)不完善和城市污水處理設(shè)施少，居民的糞便需要收集、清運(yùn)，它是城市生活垃圾的重要組成部分。城市垃圾按來(lái)源分：家庭垃圾、食品垃圾、市場(chǎng)垃圾、街道掃集物、醫(yī)院垃圾和建筑垃圾等類型。5.4.2固體廢物的危害

（一）大量占用土地

據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)有15000個(gè)垃圾處理場(chǎng)，面積相當(dāng)于19個(gè)新加坡，固體廢物占用土地達(dá)200萬(wàn)公頃。在我國(guó)，每年產(chǎn)生城市垃圾近1億噸。隨著城市人口的增長(zhǎng)，城市建筑規(guī)模的擴(kuò)大，居民生活水平的提高，城市垃圾正以每年10％的速度增長(zhǎng)，所需垃圾場(chǎng)的數(shù)量大得驚人，可填埋的土地逐年減少。而在我國(guó)各大中城市的郊區(qū)，均已形成了環(huán)繞城區(qū)的環(huán)狀垃圾鏈。（二）污染水體

露天堆放和填埋不當(dāng)?shù)墓腆w廢物對(duì)水體的污染通常有4種途徑：固體廢物隨雨水徑流進(jìn)入地表水體；固體廢物中的滲瀝水通過(guò)土壤進(jìn)入地下水；細(xì)顆粒的垃圾隨風(fēng)飄揚(yáng)，落入地表水體；固體廢物被直接傾倒入河流、湖泊、海洋。（三）污染大氣

惡臭：在垃圾堆放地，由于垃圾、廢渣中的某些有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行生物分解而產(chǎn)生惡臭；懸浮物:當(dāng)人體吸人了這