第一章 环境科学、技术与化学

环境化学EnvironmentalChemistry主讲教师：夏立江电话：62733493xialj@环境化学：授课内容课程主要内容第一章环境科学、技术与化学（2学时）第二章天然水的基本特征和水污染（4学时）第三章水环境化学（10学时）第四章大气环境和性质（4学时）第五章大气环境化学（8学时）第六章土壤环境化学（4学时）第七章重要污染物及生态效应（2学时）主要参考书1、戴树桂环境化学2、王晓蓉环境化学3、樊邦棠环境化学4、陈静生水环境化学5、唐孝炎大气环境化学6、李天杰土壤环境学环境化学：主要参考书Chapter1.EnvironmentalScience,Technology,andChemistry所谓环境总是相对于某一中心事物而言，作为某一中心事物的对立面而存在。它因中心事物的不同而不同，随中心事物的变化而变化。与某一中心事物有关的周围事物，就是这个中心事物的环境。环境科学所研究的环境，其中心事物是人类，是以人类为主体的外部世界，即人类目前生存、繁衍所必需的、相适应的环境，或物质的综合体。包括自然环境和人工环境两种。1.环境与环境科学1.1环境(TheEnvironment)

1.1.1自然环境(NaturalEnvironment)1.环境与环境科学直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质、能量和自然现象的总体。有时简称为环境。物质：空气、水、生物、岩石、土壤……自然现象：水土演变等多种自然因素、大气力量、水循环、地壳的稳定性、太阳的稳定性……能量：阳光地热、地磁、引力……大气圈水圈土壤圈生物圈化学圈ChemosphereChemistry,BiologyandToxicologyasRelatedtoEnvironmentalProblemsBiosphereAtmosphereHydrosphereGeosphere

Lithosphere1.环境与环境科学1.1.2人工环境人工环境综合生产力（包括人的质）技术进步人工构筑物人工产品和能量政治体制社会行为宗教信仰文化与地方因素等人工环境是指人类活动而形成的环境要素，它包括由人工形成的物质、能量和精神产品，以及人类活动中所形成的人与人之间的关系或上层建筑。1.环境与环境科学环境科学是以实现人与自然和谐为目的，研究以及调整人与自然关系的科学。是一门综合性学科。是研究人类活动与其环境质量之间关系的科学。1.2环境科学(EnvironmentalScience)1.环境与环境科学环境科学是运用自然科学和社会科学的有关学科的理论、技术和方法来研究环境问题。宏观---研究人与环境之间的相互作用、促进、制约的对立统一关系，经济发展和环境保护协调发展的基本规律。微观----研究不同种类和形态的污染物在生态系统或有机体内迁移、转化和蓄积的过程、运动规律、对生命的影响及作用机理。综合运用多种工程技术措施，利用系统分析和系统工程的方法，寻找解决环境问题的最佳方案。610环境科学技术610.10环境科学技术基础学科610.1010环境物理学(包括环境声学等)610.1015环境化学610.1020环境生物学610.1025环境气象学610.1030环境地学(包括环境地球化学、环境地质学等)610.1035环境生态学610.1040环境毒理学610.1045自然环境保护学610.1050环境管理学610.1099环境科学技术基础学科其他学科610.20环境学610.2010大气环境学610.2020水体环境学(包括海洋环境学)

610.2030土壤环境学610.2040区域环境学610.2099环境学其他学科610.30环境工程学610.3010环境保护工程610.3015大气污染防治工程610.3020水污染防治工程610.3025固体污染防治工程610.3030三废处理与综合利用610.3035噪声与震动控制610.3040环境质量监测与评价610.3045环境规划610.3050环境系统工程610.3099环境工程学其他学科610.99环境科学技术其他学科

学科分类与代码(GB/T13745-92)1.环境与环境科学1.2.1环境科学中所研究的环境主要指自然环境，包括自然生物圈这一层和人工环境中的人工构筑物、人工产品和能量以及人与人的关系问题。《中华人民共和国环境保护法》指出，“本法所称环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人工遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等”。1.环境与环境科学1.2.2环境质量(EnvironmentalQuality)一般是指在一个具体的环境内，环境的总体或环境的某些要素，对人群的生存和繁衍以及社会经济发展的适宜程度，是反映人群的具体要求而形成的对环境评定的一种概念。影响环境质量的因素有人为因素也有天然因素，但主要是人为因素。例如污染物的排放、对资源利用的合理性、人群的文化状态。1.环境与环境科学环境问题原生环境问题次生环境问题原生环境问题：由自然力引起的环境问题，也叫第一环境问题。地震、洪涝、干旱、台风、滑坡等。次生环境问题：由人类活动引起的环境问题，也叫第二环境问题。也叫第二环境问题。环境污染生态环境破坏1.3.1环境问题的分类1.3环境问题(EnvironmentalProblems)1.环境与环境科学环境污染：由于人为的因素，环境的化学组成或物理状态发生了变化，与原来的情况相比，环境质量恶化，扰乱和破坏了生态系统和人们正常的生产和生活条件，就叫环境污染。具体地说，主要指工业三废对大气、水体、土壤和生物的污染。生态环境破坏：人类活动直接作用于自然界引起的。例如乱砍滥伐森林、过度放牧、大面积开荒、滥采滥捕野生动物。1.环境与环境科学1.3.2环境问题的由来(1)环境问题的产生和生态环境的早期破坏人类出现以后——产业革命以前(2)城市环境问题突出和“公害”加剧工业革命、城市化能源和资源的大量消耗公害和事故频繁发生发达国家的环境问题部分地得到了解决发展中国家？怎么办？可持续发展？1.环境与环境科学名称发生地及时间中毒情况原因马斯河谷烟雾事件1932年12月比利时马斯河谷数千人发病60人死亡，咳嗽、呼吸短促、流泪等SO2转化为SO3进入肺部多诺拉烟雾事件1948年10月美国多诺拉4天内6000人患病，17人死亡，咳嗽、喉痛、胸闷SO2同烟尘作用生成硫酸盐，吸入肺部伦敦烟雾事件1952年12月英国伦敦5天内4000人死亡，已发生12次死近万人，胸闷、咳嗽、喉痛粉尘中Fe2O3使SO2转为硫酸，吸入肺部洛衫矶光化学烟雾事件1943年5月到10月美国洛衫矶400人死亡，多数人患病，刺激眼、鼻、喉，引起眼病，喉炎石油、汽车废气在紫外线照射下，光化学烟雾水俣病事件1953年日本九州南部熊本水俣镇50人死亡，180人患病，口齿不清、面部痴呆、神经失常死亡食用含有甲基汞的鱼痛痛病事件1931年~1973年日本富山县34人死亡，280人患病，关节痛骨骼软化萎缩，自然骨折使用含镉米和含镉水四日哮喘事件1955年日本四日市36人死亡，500多人患病，支气管炎、支气管哮喘、肺气肿有毒重金属颗粒及SO2吸入肺部米糠油事件1968年日本九州16人死亡，5000多人患病，眼皮肿、出汗、恶心、肺功能下降食用含有多氯联苯的米糠油世界八大公害事件污染物事件名称（时间、地点）原因及受害状况多氯代二苯并-对-二噁英（PCDDs）二噁英污染事件（1976，意大利米兰）由化工厂爆炸散发PCDDs,家畜大量死亡，自然流产和畸形儿增多。原油海难事件（1979，南美洲邻近特立尼达海域）斯波莱士号大型油轮沉没，32.5万吨原油入海，大片水域污染钚（Pu）核事件（1983，英国威尔士）温茨凯尔核燃料后处理工厂含Pu废液大量流出，当地小儿白血病患者激增甲基异氰酸酯（MIC）毒气泄露事件（1984，印度博帕尔市）泄露的46吨MIC转为气体，20万人吸入毒气，约3000人死亡核裂变产物（FPs）核事件（1986，前苏联乌克兰）切尔诺贝利核电站运行中发生火灾爆炸，放射性污染波及欧洲，约300万人受核照射，由此死亡4000余人农药排毒事件（1986，瑞士莱茵河）沿河药品仓库失火，30吨农药随灭火用水排入河中。50万尾鱼死亡，4000万人饮水受影响原油战争（1991，中东）伊拉克军队纵火焚烧625口油井，将贮油库中大量原油放入海湾，引起天降黑雨，饮水源受污染，呼吸道疾病患者激增甲氟膦酸异丙酯（Sarin）投毒事件（1996，日本东京）奥姆真理教教徒地铁投毒，5500人患病，12人死亡，上百所学校停课铀（U）战争（1999，南斯拉夫）北约军事集团连续78天轰炸南联盟，弹头中所含23吨贫铀产生严重的放射性污染20世纪70年代以来发生的重大事件

(3)全球性的环境问题1.环境与环境科学温室效应、臭氧层耗竭持久性环境污染物污染转移？世界经济一体化？环境？人口问题城市化问题淡水资源短缺生物多样性减少海洋污染危险废弃物越境转移(4)发达国家的环境状况①比较好地解决了国内的环境污染问题：空气比以前新鲜了,不少水体变清了。②仍存在的(新的)环境问题：温室效应、臭氧层、工业废物、生活垃圾急剧增加；噪声问题仍很突出；NOx的污染仍未得到有效控制；大气中有害物质污染如故；水环境问题还未解决；持久性污染物的问题相当严重。1.环境与环境科学未来20年环境趋势处在危害期1、环境安全的压力

人口增加城市扩大科技发展城市扩大增加了污水（

全国COD环境容量800万吨/年，现在1445万吨/年。44%的水体是超5类，27%是超4类水体）工业发展增加了污水

2、水环境面源污染制约水环境的改善持久性有机物影响水环境不合理的开发水资源饮用水资源的不断减少(南水北调17~18元/吨)2.中国的环境、生态、资源土地沙漠化（90%的草原在退化，356万平方公里为水土流失状态，660万公顷土地盐渍化）

森林植被减少（地球的肺）

3、生态问题江河断流，地下水减少外来物种入侵赤潮频率加大农村环境问题和集镇的污染矿产资源破坏，生态破坏西部开发（中华的水塔）2.中国的环境、生态、资源煤污染（SO2环境容量1000万吨/年，现超出1倍）

4、大气环境城市机动车激增（光化学烟雾频发）大气污染成多元化趋势（3亿城市人口，1.2亿人生活在不符合质量的空气中）酸雨问题（安徽某市降水酸度达到pH3

）核安全问题（20个核反应堆）2.中国的环境、生态、资源2.中国的环境、生态、资源环境保护工作改革开放、经济快速发展进入大范围生态退化和复合性环境污染的阶段19701980199020002020新一轮的经济发展压力、挑战200019801940微生物污染、耗氧有机物SO2、颗粒物、光化学烟雾、酸雨、重金属、氮磷富营养化、垃圾温室气体、黑碳、霾、臭氧层、持久性有毒物质(PTS、POPs)、二次污染、核废料、工业危险废弃物发达国家上百年工业化过程中分阶段出现的环境问题已在我国集中出现；面临全球最严峻、最复杂的环境问题；结构性、复合性环境污染；资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版2.中国的环境、生态、资源七大江河水系的741个监测断面的水质：I－Ⅲ类:38.1%;Ⅳ、Ⅴ类:32.2%;劣Ⅴ类:41%;城市内湖和大多数湖泊(75%)富营养化；近3亿农村人口饮用不合格的水；>30%的城市空气污染严重；1/3

国土受到酸雨污染;垃圾围城普遍，有毒有害废弃物影响开始显现;环境污染造成的损失相当GDP的3-8%;资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版2.中国的环境、生态、资源海河流域涵盖北京、山西、内蒙古、山东等7省份，经济总量接近全国的13%，重工业比重超重，污染排放量占全国的1/10。海河流域的治理刻不容缓，全流域60%的断面都已经严重污染；流域内水库对北京和天津的供水已逼近极限，山西、河北境内的大量河流断流；另外，由于流域内大量陆源污染源入海，又加剧了渤海的污染。海河流域已成为我国污染最严重的流域。环保部部长周生贤在海河流域污染防治专题会上表示：“十二五”期间，环保部将用最严格的管理手段整治海河污染，不堪重负的海河急需休养生息。

“十二五”期间，海河流域污染排放总量将增长30%，水资源极度匮乏的局面将更趋恶化，积重难返的环境问题将吞噬经济发展的成果。环保部建议地方政府在制定发展规划时，应“以水定发展”，

必要时，环保部将上收审批权.在海河流域尝试跨界污染责任追究和生态补偿制度。

生态恶化形势严峻

水土流失面积超过国土面积的1/3

(367万km2)，每年新增1.5万km2；土地沙漠化趋势未减，每年扩展3436km2,沙化土地174万km2;森林覆盖率只有16.55%，相当于世界森林覆盖率的61%;90%以上天然草场退化；

地下水超采(>8万km2);

10％—15％的高等植物物种处于濒危状态，物种资源流失严重，有害外来物种入侵每年造成1200亿元经济损失；资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版2.中国的环境、生态、资源环境健康问题日渐突出

空气污染地区死于肺癌人数高出5~9倍;

11个最大城市，空气污染每年使5万多人夭折，40万人染呼吸系统疾病;沈阳市约40%的儿童血铅含量超标(2000年);

二恶英类化合物已在市售牛奶（深、港）、母乳(江浙)中检出;

天津市严重污染的蔬菜地土壤中汞含量超标98倍;2.中国的环境、生态、资源环境污染和生态破坏

造成巨大损失

有害外来物种入侵每年造成1200亿元的经济损失；世界银行：1995年空气和水污染损失，占当年GDP的8%；

2003年，污染与生态破坏损失，占当年GDP的15%；环保总局2001年测算，西部9省区生态破坏的损失相当于甘肃和青海两省GDP之和；资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版2.中国的环境、生态、资源

生态环境总体恶化的趋势尚未根本扭转，环境治理的任务依然相当艰巨；消耗高、资源浪费、污染环境等粗放经营方式仍比较严重;人口、资源、环境对经济发展的压力越来越大，特别是资源的制约作用日益明显；我国人口多、资源人均占有量少的国情不会改变，不可再生性资源储量和可用量不断减少的趋势难以改变;资料来源：胡锦涛在中科院、工程院院士大会上的讲话，2004年6月2日2.中国的环境、生态、资源经济:高投入、高消耗、重污染、低产出2003年2.中国的环境、生态、资源

2003年，世界第二石油和电力消费大国;

能源：创造每万元GDP所消耗的能源，是美国的3倍、德国的5倍、日本的近6倍。

钢铁、有色金属、化工等8个高耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进水平高47％。我国的工业部门每年多烧掉了约2.3亿吨标准煤。

2003年全国煤产量16亿吨，按照国民经济年均增长7~8％的发展速度和目前的能源消耗水平，2020年我国的能源需求将比2000年增加2.5倍，达到约60亿吨标准煤。这相当于每年要建成五六个大同煤矿。资料来源：中国环境报(2004-4-1),数字中国：我们必须选择新型工业化。

能源压力巨大2.中国的环境、生态、资源矿产资源：建国50多年来，GDP增长了10多倍，矿产资源消耗却增长了40多倍。

2003年，我国已成为煤炭、钢铁、铜的世界第一消费大国，全球最大的铁矿石进口国。电解铝生产所需原料50％以上依赖进口。到2020年，我国45种主要矿产资源只有9种能依靠国内保障供应。2002年：中国人均矿产资源占有量仅为世界平均水平的58％。资料来源：中国环境报(2004-4-1),数字中国：我们必须选择新型工业化。

矿产资源压力巨大2.中国的环境、生态、资源国土面积虽然大，但现有耕地却不多，仅占国土面积的14％，相较于美国的51％和印度的59％则显得很少。可利用的土地资源东西部分布不均，占全国土地面积47.6％的东部地区却拥有全国93％的人口。

土地利用程度过高，影响了整个国家的生态效益(沙尘暴、水体流失、气候失调)；资料来源：中国环境报(2004-4-1),数字中国：我们必须选择新型工业化。

土地资源压力巨大2.中国的环境、生态、资源2.中国的环境、生态、资源

生活污染排放增大汽车尾气排放加剧大气污染电子废物等新型固体废弃物增加工艺落后的企业向中小城镇转移化肥、农药加剧面源污染养殖业发展加重污染乡镇企业发展导致新一轮环境污染城镇化将增加城市生态、环境压力农村环境问题不容忽视新一轮经济增长的巨大压力1）新型结构性污染问题。传统产业结构和重化工业带来的结构性污染问题处，还应加倍关注由于城镇人口的增加、第三产业的发展、城市机动车保有量。2）氮氧化物的减排问题。氮氧化物转化成为二次污染物，将加重光化学烟雾和酸雨污染程度。必将给大气污染控制造成相当大的压力。与COD和二氧化硫减排相比，由于氮氧化物产生量大，单位污染物减排所需投资较大。3）污染压力的梯度转移问题。石油加工业与冶炼、煤炭、石油、建材、造纸、化工等行业增长速度高于国内生产总值增速，使得未来5-15年，重化工业在工业发展中的比重还将大大上升，造成污染排放的行业梯度趋势十分明显。4）二氧化碳的控制问题。2005年，中国人均二氧化碳排放量为3.0吨/人，日本为9.3吨/人，美国却高达19.8吨/人，但CO2排放总量却很大，将在2025年左右超过美国，成为第一排放大国，人均CO2排放也将在2020年之后达到世界平均水平，2030年之后超过西欧的人均水平。我国未来需关注的环境问题Environmentalchemistrymaybedefinedasthestudyofthesources,reactions,transport,effects,andfatesofchemicalspeciesinwater,soil,airandlivingenvironments,andtheeffectsoftechnologythereon.环境化学：是研究有害化学物质在环境介质中的存在、特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。3.环境化学3.1环境化学的研究对象环境化学的定义、内容和特点环境化学定义为：环境化学是一门研究潜在有害化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应（生态效应、人体健康效应及其它环境效应）及其控制的化学原理和方法的科学。环境化学的主要任务：是运用化学的理论、方法和技术，来研究解决各种环境问题。3.环境化学具体内容为：研究有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态；潜在有害物质的来源，它们在个别环境介质中和不同介质间的环境化学行为；有害物质对环境和生态系统以及人体健康产生效应的机制和风险性；有害物质已造成影响的缓解和消除以及防止产生危害的方法和途径。

3.环境化学环境化学的特点：◆（1）环境化学研究的对象是一多组分、多介质、多相变的开放性复杂体系。◆（2）化学污染物在环境中的含量低，一般只有mg/kg或g/kg级水平，甚至更低。◆（3）化学污染物在环境中分布广泛，迁移转化速度快，在不同的时空条件下有明显的动态变化。◆（4）影响环境中化学变化的因素多，包括物理、化学、生物和机械等。◆（5）环境中发生的一切过程都是自发的，不可逆的，污染物与所处介质间往往处于不平衡状态，单用化学热力学来处理这类体系的变化有可能远离实际情况。3.环境化学环境分析化学环境污染化学污染控制化学污染生态化学

环境计算化学环境生物化学3.环境化学3.2环境化学的分支学科

环境分析化学是研究化学品的形态、价态、结构、样品前处理(超临界流体萃取、固相萃取)和痕量分析的学科。

环境分析化学的主要任务就是分析环境中具体化学品的性质和量。

Oneofenvironmentalchemistry’smajorchallengeisthedeterminationofthenatureandquantityofspecificpollutantsintheenvironment.3.2.1环境分析化学3.环境化学气相色谱GC-GasChromatography液相色谱LC-LiquidChromatography

高效液相色谱HPLC-HighPressure(Performance)LiquidChromatography

电子捕获检测器ECD-ElectronCaptureDetector

质谱MS-MassSpectrum

气质联用，液质联用GC-MS,HPLC-MS

原子吸收光谱AAS:AtomicAbsorptionSpectrum

原子发射光谱AES:AtomicEmissionSpectrum

紫外可见分光光度计UV-Vis:Ultraviolet-visible

总有机碳分析议TOC-TotalOrganicCarbonAnalyzer3.环境化学常用分析仪器包括大气、水体和土壤环境化学和元素循环的化学过程：大气：颗粒物、酸沉降、温室效应、臭氧层、持久性有机污染物、大气化学反应水体：河流、湖泊（水库）、海洋；地下水污染、持久性有机污染物土壤：温室气体排放、农用化学品的行为（有机氯农药在土壤表面的光化学行为、多氯有机污染物在土壤/沉积物中的缺氧脱氯）3.2.2环境污染化学3.环境化学3.2.3污染生态化学

污染生态化学是研究化学污染物在生态系统中产生生态效应的化学过程的科学。

研究对象包括生物多样性、种群、群落和内分泌干扰效应。

3.环境化学包括环境化学计量学、环境化学过程模拟、人工智能在环境化学中的应用等。环境多因素分析定量结构-性质关系

(QuantitativeStructure-PropertyRelationship,QSPR)

定量结构-活性关系

(QuantitativeStructure-ActivityRelationship,QSAR)

多介质环境模型大气、气溶胶、水、水生生物、土壤、植物3.2.4环境计算化学3.环境化学3.2.5环境生物化学3.环境化学

环境科学最终关注的目标是生命本身。环境生物化学就是研究环境化学品对生命的影响的一门学科。

Theultimateenvironmentalconcernisthatoflifeitself.Thedisciplinethatdealsspeciallywiththeeffectsofenvironmentalchemicalspeciesonlifeisenvironmentalbiochemistry.

毒物化学是研究有毒物质尤其是各种有毒物质之间的相互作用对生物组织和生物体的影响的学科。Arelatedarea,toxicologicalchemistry,isthechemistryoftoxicsubstanceswithemphasisupontheirinteractionswithbiologictissueandlivingorganisms.水圈、土壤圈、人类活动圈和技术水和水圈海洋

Ocean(Saltwater)

地表水

Surfacewater(Lakes,Rivers,Reservoirs)

地下水

Groundwater(Underground)

水蒸汽

Watervapor(Atmosphere)

极地冰

Polaricecaps(Ice)

人类活动水

Segmentsofanthrosphere(Boilers,Municipalwaterdistributionsystems)

全球水的总量估计为13.9亿立方千米，但其中淡水总量仅为0.36亿立方千米，除冰川和冰帽之外，可利用的淡水总量不足世界总贮水量的1%。3.环境化学地球可以分为地核、地幔和地壳三层。其中地壳是与人类直接作用的一层。地壳只有5－40公里厚。

Theearthisdividedintolayers,includingthesolid,iron-richinnercore,moltenoutercore,mantle,andcrust.Thelatteristheearth’souterskinthatisaccessibletohumans.Itisextremelythincomparedtothediameteroftheearth,rangingfrom5to40kmthick.

环境科学研究的是由外层地幔和地核组成的土壤圈。Environmentalscienceismostconcernedwiththelithosphere,whichconsistsoftheoutermantleandthecrust.3.环境化学地球Earth地质学Geology

地质学是关于岩石圈的科学。同样，它绝大部分属于地壳中的固体矿物质部分。

Geologyisthescienceofthegeosphere.Assuch,itpertainsmostlytothesolidmineralportionsofEarth’scrust.

Water;

Theatmosphereandclimate;

Livingsystems;

ModerntechnologyThemostimportantpartofthegeosphereforlifeonearthisSoilformedbythedisintegrativeweatheringactionofphysical,geochemicalandbiologicalprocessesonrock.3.环境化学生命Life

生物学是关于生命的科学。生物科学是环境科学和环境化学的重要组成部分。

Biologyisthescienceoflife.Biologicalscienceisakeycomponentofenvironmentalscienceandenvironmentalchemistry.人类活动圈和技术TheAnthrosphereandTechnology

技术是指人类利用和制造物质和能量的手段。

Technologyreferstothewaysinwhichhumansdoandmakethingswithmaterialsandenergy.3.环境化学

科学所涉及的是与能量、物质、时间和空间等自然现象有关理论的发现、解释和发展。

dealswiththediscovery,explanation,anddevelopmentoftheoriespertainingtointerrelatednaturalphenomenaofenergy,matter,time,andspace.

基于科学的基础知识，工程提供达到具体实际目标的方案和方法。技术利用这些方案来实施。

Basedonth