环境化学课件

可持續發展環境環境科學環境保護環境問題第一章緒論1.1環境1.1.3環境系統的組成1.1.1定義1.1.2人類生存環境的形成和發展a.聚落環境b.地理環境c.地質環境d.星際環境指人類生存的環境。

環境人類1.2.環境問題1.2.2目前人類面臨的主要環境問題1.2.1環境問題的由來與發展2.3中國主要的環境問題a.人口問題b.糧食問題c.能源問題d.資源問題e.環境保護問題a.人口問題b.水問題c.大氣污染d.資源問題20世紀60年代，把環境問題只當成一個污染問題1972年，聯合國召開人類環境大會，第一次把環境問題與社會因素聯繫起來20世紀80年代，提出可持續發展戰略20世紀90年代，鞏固併發展了這種思想，形成當代主導的環境意識1.3環境科學以“人類-環境”為研究對象研究內容：探索全球範圍內自然環境演化規律探索全球內人與環境的相互依賴關係協調人類的生產、消費活動同生態要求之間的關係探索區域污染綜合防治的途徑

環境科學分科體系環境化學的任務、內容與特點環境化學是一門研究有害化學物質在環境介質中的存在、化學特性、行為和效應及其控制的化學原理和方法的科學。研究領域分支學科環境分析化學環境有機分析化學環境無機分析化學各圈層環境化學大氣環境化學、水環境化學、土壤環境化學、環境生態化學環境工程化學大氣污染控制化學、水污染控制化學、固體廢物污染環境化學1.4環境保護1.4.1環境保護概念的發展1.4.2內容和基本任務50年代70年代80年代1.5可持續發展兩個基本要點：人類應堅持與自然和諧相處當代人不能剝奪後人發展的權利2環境污染物2.1環境污染物的類型2.3污染物在環境中的遷移

影響化學物質遷移的因素氣態污染物液態污染物固態污染物土壤中的主要化學污染物大氣中的主要化學污染物水體中的主要化學污染物SOx，NOx

，

CO，粉塵，Pd等金屬微粒有害金屬有害陰離子營養物質有機物放射性物質化肥，農藥，重金屬化學污染物物理污染物生物污染物工業污染物農業污染物交通污染物生活污染物2.2環境效應及其影響因素九類主要的化學污染物環境效應環境物理效應熱島效應溫室效應地面沉降環境化學效應湖泊酸化土壤鹽鹼化光化學煙霧環境生物效應九類主要的化學污染物元素無機物有機化合物和烴類金屬有機和准金屬有機化合物含氧有機化合物有機氮化物有機鹵化物有機硫化物有機磷化物污染物在環境中的遷移擴散遷移顆粒物吸附和遷移揮發遷移電離水解化學氧化和光化學氧化生物富集微生物降解海洋表面100mg/L10mg/L1mg/L0.1mg/L海洋流徑流揚塵空氣流50%50%噴灑DDT土壤大氣河流浮游植物浮游動物小魚海鳥大魚人0.01mg/L10mg/L100mg/L猛禽DDT農藥在環境中的遷移和富集影響化學物質遷移的因素內因：元素和化合物的穩定性化學鍵特徵（影響熔沸點和溶解度）鍵能大小元素的放射性生成絡合物的能力外因：溫度壓力濃度氧化-還原電位酸鹼性概述1幹潔空氣

(N2,O2,Ar,CO2)2水汽3懸浮顆粒

1.原始大氣成分：He,Ne,H22.核聚變得到C,O,N3.與氫結合生成CH4,H2O,NH34.氧與CH4,NH3反應生成CO2,N2,H2O

大氣組成的演化當前大氣的組成主要大氣污染物及來源一次污染物：CO,CO2SO2,H2SNO,NH3顆粒污染物二次污染物：SO3,H2SO4,MSO4NO2,HNO3,MNO3,O3醛、酮空氣污染指數空氣污染指數二氧化氮（nitrogendioxode,NO2）二氧化硫（sulphurdioxide,SO2）臭氧（ozone,O3）一氧化碳（carbonmonoxide,CO）可吸入懸浮粒子（respirablesuspendedparticulates,RSP）

空氣污染指數是把五種空氣污染物的濃度與相關的某城市空氣污染指數比較而計算出來的。其中五種空氣污染物為空氣污染指數API空氣品質狀況表征顏色對健康的影響建議採取的措施0-50優可正常活動51-100良100-200輕度污染易感人群症狀有輕度加劇，健康人群出現刺激症狀心臟病和呼吸系統疾病患者應減少體力消耗和戶外活動200-300中度污染心臟病和肺病患者症狀顯著加劇，運動耐受力降低，健康人群中普遍出現症狀老年人和心臟病、肺病患者應停留在室內，並減少體力活動>300重污染健康人運動耐受力降低，有明顯強烈症狀，提前出現某些疾病老年人和病人應當留在室內，避免體力消耗，一般人群應避免戶外活動國內空氣污染指數表2.1大氣中污染物的遷移1.大氣溫度層結2.輻射逆溫層3.氣塊的絕熱過程和幹絕熱遞減律4.大氣穩定度5.大氣污染物遷移的影響因素2.1.1.大氣溫度層結靜大氣的溫度在垂直方向上的分佈。2.1.2.輻射逆溫層由於地面強烈輻射而冷卻造成的地面附近溫度小於高空氣溫的情況.2.1.3.氣塊的絕熱過程和幹絕熱遞減率幹氣塊的絕熱過程20’C21’C幹絕熱遞減率2.1.4.大氣穩定度2.1.5.大氣污染物遷移的影響因素風與湍流天氣形勢和地理形勢2.2大氣中污染物的轉化2.2.1光化學反應基礎2.2.2大氣中重要的自由基來源2.2.3光化學煙霧2.2.4酸性降水2.2.5大氣顆粒物2.2.6溫室效應2.2.7臭氧層的形成與耗損2.2.8大氣污染的綜合防治敵人？“亦正亦邪”的臭氧朋友？人類對臭氧層的破壞臭氧層的保護作用

臭氧可阻擋大部分高能紫外線，防止紫外線對地球上生物的殺傷。臭氧對人類的危害

臭氧會使人感到呼吸困難、肺功能減弱及肺組織受損；臭氧與汽車派出的碳氫化合物產生作用，生成光化學煙霧，刺激我們的呼吸系統。人類對臭氧層的破壞臭氧空洞顆粒物酸性降水溫室效應光化學煙霧大氣污染的綜合防治1、大氣污染的控制途徑合理規劃改變燃料結構集中供熱供暖綠化造林採用先進技術2、大氣污染的治理技術顆粒污染物的治理（除塵）主要氣態污染物的治理（吸收法；吸附法；催化法；燃燒法；冷凝法）

常見的幾種

除塵設備旋風除塵器袋式除塵器濕式除塵器靜電除塵器主要氣態污染物的治理吸收法吸附法燃燒法催化法冷凝法概述水體污染總量：14億立方公里淡水2.8%海水97.2%淡水分配：冰川、冰蓋：77.2%地下水：22.4%沼澤、湖泊：0.35%大氣：0.04%河流：0.01%水污染指標天然水資源天然水的基本特徵海洋

海水是一種稀電解質溶液，其中溶質的主要成分是Na+和Cl-離子，這兩種離子再加上Mg2+、Ca2+、K+、HCO3-

、SO42-

、Br-等六種離子，共占海水中溶解固體總量的99%以上。

河水中最常見的陰離子CO32-，最常見的陽離子是Ca2+河流湖泊

湖水中含有鈣、鎂、鈉、鉀、矽、氮、磷、錳、鐵等元素降水和地下水天然水的基本特徵1．和氧同族元素的相應氫化物相比，水的許多物理常數顯著地高。2.水的密度隨溫度的變化是“反常”的。3.水有很高的標準生成焓（-285.8kJ·mol-1），故熱穩定性很大。4.水有很強的溶解能力，是性能優良的溶劑。（水合作用）水是中性物質，其中的c(H+)=c(OH-),因此是一切化學反應十分理想的介質。6.天然水中的雜質及來源天然水的基本特徵溫度/℃010203040蒸氣壓/kPa0.161.232.344.247.38506070809010012.3519.9231.1547.3370.08101.31表3-1水的蒸氣壓與溫度的對應關係摩爾熱容cm=75.4J/mol·K熔化熱氣化熱1.水的物理常數2.水的密度隨溫度的變化

正因為冰的密度小於水，冬季冰浮出水面保護了數以萬計的水下生物。水合：正、負離子在水中，以靜電引力或通過配位鍵與水分子結合的作用。水合作用是一種放熱過程。

大多數固體物質在水中的溶解度通常隨溫度的升高而增加。天然水體通常含有三大類物質：懸浮物質：泥沙、粘土、藻類及附著的細菌等膠體物質：矽溶膠和腐殖酸膠體等溶解物質：鹽類（Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、F-等），氣體（O2、CO2、H2S和N2等）以及可溶性的某些有機物質水迴圈水體污染

污染物排入天然水體,一旦超過其自淨能力，就引起天然水體發生物理、化學性質的變化，水質變壞。

水的污染惡化環境，傳染疾病，毒害生物，對人類和自然界造成嚴重危害。水污染指標BOD（生化需氧量）COD（化學需氧量）OC（耗氧量）TOD（總需氧量）TOC（總有機碳）懸浮物有毒物質pH值大腸桿菌菌群數水體中主要污染物來源及危害1、無機無毒物質（顆粒；酸、堿、無機鹽；氮、磷等營養物質）2、無機有毒物質（氰化物、砷、汞、鎘、鉛等重金屬鹽）3、有機無毒物質（碳水化合物、蛋白質、脂肪）4、有機有毒物質（農藥、酚、醛、酮、多氯聯苯、多環芳烴、染料、塑膠）5、石油類污染物（石油及其製品）6、其他污染物（放射性物質、熱）顆粒來源:岩石風化（石英、剛玉、赤鐵礦…）粘土礦物碳酸鹽、矽石有機顆粒物（生物殘骸）天然人造有機物（核酸、蛋白質）危害：大大降低光合作用，妨礙水體自淨堵塞魚鰓，導致魚類死亡其他污染物的載體酸、堿和無機鹽來源：酸：酸雨、礦山廢水、化工廠排放、金屬加工堿：制堿、制革、造紙、煉油危害：抑制甚至消滅微生物的生長，妨礙水體自淨土壤酸化（鹼化），水質惡化，危害漁業生產改變水的硬度，水中無機鹽增加，增大水的滲透壓，影響生物生長氮、磷等營養物質來源：農業排水城市污水工業廢水危害：藻類使水道堵塞，水質變差破壞水體中原有生態平衡，嚴重的導致水質腐化汞鎘鉛多氯聯苯（PCBs）一組由多個氯原子取代聯苯分子中的氫原子而形成的氯代芳烴類化合物。理化性質穩定可通過光解、生物降解轉化可在生物體內富集多環芳烴（PAH）兩個以上苯環連在一起的化合物來源：陸地、水生生物、微生物合成天然火災、火山活動產生碳氫化合物不完全燃燒、還原氣氛下熱解產生最早發現的致癌物質可光解氧化、微生物降解酚類石油類污染物表面活性劑具有分散、乳化、發泡等作用主要靠生物降解消除水中物質的遷移和轉化水中顆粒物的吸附作用水中顆粒物的聚集溶解與沉澱氧化－還原配合作用生物降解作用水的淨化及污水處理水體自淨水的軟化水的淨化城市污水系統典型工業污水處理流程水體自淨

水體的自淨過程很複雜，按其機理可以分為：物理過程（稀釋、混合、擴散、揮發、沉澱）化學及物理化學過程（氧化、還原、吸附、凝聚、中和）生化過程（分解、轉化、代謝）

水的軟化a.硬水及其危害含Ca2+、Mg2+離子的水，稱“硬水”，具有某些不良特徵。2HCO3-(aq)+Ca2+(aq)=CaCO3(s)+CO2(g)+H2O軟化水的方法1）石灰-蘇打法

2）離子交換法

水的淨化3.城市污水系統4.典型工業污水處理流程水污染的綜合防治物理法重力分離、過濾、浮選、離心分離、反滲透化學法化學沉澱、混凝、中和、氧化還原物理化學法萃取、吸附、離子交換、電滲析生物法好氧生物處理、厭氧生物處理節約用水人人有責土壤的形成土壤是由固、液、氣三相共同組成的多相體系。土體構型土壤中的無機礦物質原生礦物矽酸鹽類：長石、雲母、輝石、角閃石、橄欖石氧化物類：石英、赤鐵礦、金紅石硫化物類：白鐵礦、黃鐵礦磷酸鹽類：磷灰石次生礦物簡單鹽類：方解石、白雲石、石膏、瀉鹽、芒硝三氧化物：褐鐵礦、三水鋁石、針鐵礦次生矽酸鹽：伊利石、蒙脫石、高嶺石土壤中的有機質土壤中的生物土壤中的粒級劃分顆粒名稱粒徑（mm）石塊>10石礫10－3－1砂粒1－0.25－0.05粉粒0.05－0.01－0.005粘粒0.005－0.001<

由不同的粒級混合在一起所表現出來的土壤的粗細狀況，稱為土壤質地。土壤的性質土壤的吸附性土壤膠體具有巨大的比表面積和表面能土壤膠體的電性土壤膠體的凝聚性和分散性土壤膠體的離子交換吸附土壤酸鹼性土壤酸度活性酸度（有效酸度）潛在酸度（H＋、Al3＋發生離子交換時產生的酸度）潛在酸度往往比活性酸度大得多土壤鹼度鹼金屬、鹼土金屬的碳酸鹽和碳酸氫鹽土壤膠體水解產生氫氧根土壤的緩衝性土壤溶液的緩衝性（碳酸、矽酸、磷酸、腐植酸和其他有機酸及其鹽類）土壤膠體的緩衝性（吸附的H＋、M＋發生離子交換時）鋁離子對堿的緩衝作用土壤的氧化還原性主要氧化劑：土壤中氧氣、硝酸根、高價金屬離子主要還原劑：有機質、低價金屬離子體系氧化態還原態鐵體系Fe(III)Fe(II)錳體系Mn(IV)Mn(II)硫體系SO42-H2S氮體系NO3-NO2-N2NH4+有機碳體系CO2CH4土壤的基本環境機能培育植物推動物質迴圈保存水資源防止災害自淨能力

土壤的退化包括：水土流失；沙漠化；酸化、鹼化；營養物流失；土壤污染土壤污染土壤污染的類型水體污染型大氣污染型農業污染型固體廢物污染型土壤中的主要污染物無機污染物（重金屬、非金屬、放射元素、酸堿鹽）有機污染物（農藥、塑膠、酚、氰化物、石油、苯並芘、有機洗滌劑、脂肪蛋白質）有害微生物土壤的自淨作用我國土壤污染狀況土壤污染遷移及其機制土壤中農藥土壤中農藥的遷移和轉化農藥包括：殺蟲劑、除草劑、殺菌劑、動植物生長調節劑等1、擴散2、質體流動典型農藥在土壤中的遷移轉化有機氯農藥DDT六六六有機磷農藥敵敵畏樂果敵百蟲土壤污染的防治方法客土、排土法化學改良法合理調用措施生物改良措施概述固體廢物人類生產生活過程中丟棄的固狀和泥狀物質。放在錯誤地點的原料。固體廢棄物的分類工業固體廢物礦業固體廢物農業固體廢物城市垃圾放射性固體廢物城市廢物量及主要成分固體廢棄物對環境的危害侵佔土地污染土壤污染水體污染大氣影響環境衛生固體廢棄物的處理1、傾海、填埋2、固體廢棄物的一般處理技術預處理技術焚燒熱回收技術熱解技術微生物技術3、資源化系統固體廢棄物的綜合利用有害廢物指固體廢物中對人體及環境有較大危害的廢物。（固狀、泥狀、液態）鑒別標準：可燃性、反應性、腐蝕性、浸出毒性、急性毒性、放射性等。

例有害廢物中的有害成分有害廢物的遷移途徑及危害放射性固體廢物1.放射性的基本概念核素放射性衰變放射性速率方程放射性活度輻射量及其單位環境中放射性的來源1.放射性的來源3.放射性固體廢物放射性藥物放射性固體廢物（尾礦）放射性沾汙的固體廢物（儀錶、包裝材料）放射性固化體輻射對人體的損害輻射損害類型軀體效應和遺傳效應隨機效應與非隨機效應影響輻射損害的因素輻射類型輻射劑量照射方式與部位輻射損害的生化機制輻射源劑量(mrem/year)1．天然輻射110宇宙射線（來自宇宙的高能粒子輻射）30地殼的輻射50

戶外室內（地磚）4357食物中的天然放射性302．人工放射性照射約60核裝置<1研究、工業、家庭中使用的放射性（電視、夜光錶）<2職業照射<1醫學應用50輻射事故<1核子試驗的沉降灰<1劑量水準（mrem）生物效應9000（人一生從天然本底受到的輻射劑量）（~125mrem/year）正常人類壽命和疾病50000以下未觀察到臨床效應100000以下微小的或沒有壽命縮短250000以下有嚴重的輻射症狀和顯著的壽命縮短，但很少或沒有死亡450000受照者有50%在30天內死亡，其餘能恢復但會留下某些永久性損傷100000030天內死亡核素具有一定數目的質子和中子組成的原子分為:穩定核素不穩定核素具有相同原子序數但質量數不同的核素稱為同位素。核裂變

衰變：放射性核素自發的改變核結構，形成另一種核素的過程。1．

衰變2．

衰變3．

+衰變4．電子俘獲衰變5．

衰變衰變性質符號粒子的質量數所帶電荷

粒子

42

粒子

、e0-1

能量

//中子粒子n10質子粒子p11正電子粒子

+01放射性衰變速率方程衰變過程是一級反應過程

半衰期是指單一的放射性核素其放射性降低到其初始水準一半時所需的時間。每一種放射性元素都有固定的半衰期。例2-7

從某處遺物古書卷取出的小塊紙片，測得其中的比值為現在活植物體內比值的0.795倍，試估測這些古書卷的年齡（已知的，假定空氣中的比例歷年不變）。解

根據方程（2-13）先算出其一級反應速率常數k

即上述古書卷至今已有1900年的歷史了。可得又則放射性活度指單位時間內的衰變數。常用單位居裏（Ci）；1Ci=3.7×1010衰變/秒

1mCi=3.7×107衰變/秒新的單位貝可（Becquerel）Bq；1Bq=1衰變/秒1）照射量光子在空氣中產生電離能力的度量。定義為：X=ΔQ/Δm（X：照射量；Δm：品質差；ΔQ：生成離子的總電荷）單位：倫琴（R）2）吸收劑量受電離輻射照射的物質吸收能量的度量。定義為：D=ΔED/Δm（ΔED：能量差）單位：戈瑞Gy拉德Rad1Gy=100Rad3）計量當量相對生物效應的劑量。定義為：H=DQN（Q：線性係數；N：校正因數）單位：希沃特Sv雷姆rem1Sv=100rem測量人類受到的輻射計量最有意義的單位是雷姆（rem），毫雷姆（mrem）

衰變

衰變

+衰變

衰變有害廢物有害廢物中重要的有害成分無機物汞及其化合物砷及其化合物鎘及其化合物鉻及其化合物鉛及其化合物鋅及其化合物可溶性銅及其化合物氰化物氟化物石棉過氧化物、高氯酸、氯酸鹽、疊氮化物有機物烴類（石油烴、苯、甲苯、多環芳烴）含氧化物（醛類、酚類、醚類、鈦酸酯）含氮化物（丙烯氰、聯苯胺、吡啶）含硫化物（甲硫醇、二甲硫醚）鹵代物（氯仿、多氯聯苯）有機金屬化合物（四乙基鉛）有機農藥（六六六、對硫磷）3.1生態系統簡介生態系統生物環境無生命成分生命成分太陽能、溫度、壓力等有機物質無機物質生產者（綠色植物）消費者（動物）分解者（細菌和真菌）3.2生態系統的能量流動太陽能是地球上大多數形式能量的源泉。生態效率生態系統的生產能力食物鏈太陽能在地球上的流動熱力學第二定律在生態系統中的表現

G=H-TS初級生產力淨初級生產力次級生產力光合作用效率=植物固定的能量/有效光量消費者同化效率=吸收同化量/攝食量生態效率（下一級）=（n+1）營養級能量/n營養級能量21383336820810消費者營養級金字塔（個體數/單位面積）Pn=Pg-R3.3生態系統的物質迴圈

水迴圈

營養迴圈

磷迴圈

硫迴圈

氧迴圈

氮迴圈

碳迴圈地球及各圈層元素品質百分比組成生命之網，無所不在保護生物多樣性地球及各圈層元素品質百分比組成

（按元素豐度次序排列）地球地殼海洋大氣生物圈Fe35O46.6O85.5N75.5O53O29Si27.7H11O23.2C39Si14Al8.1Cl1.94Ar1.3H6.6Mg14Fe5.0Na1.05C---N0.5S2.9Ca3.6Mg0.13Ne---Ca0.4Ni2.4Na2.8S0.09Kr---K0.2Ca2.1K2.6Ca0.004He---Si0.1Al1.8Mg2.1K0.039Xe---P0.1Na0.3Ti0.57Br0.007H---Mg0.1F0.2H0.22C0.003S---S0.07水迴圈水在自然界的作用調節氣溫良好的溶解性帶動其他物質的迴圈水對生命的作用生命重要的組成部分生命的活動介質生命體中物質和能量傳遞的溶劑參與光合作用和呼吸作用維持體溫迴圈的主要過程：蒸發、蒸騰、降雨、徑流。水的特性碳迴圈地球上的碳主要集中在岩石中石灰石白雲石大氣中的碳形式COCO2CH4CO2對環境的作用大氣和海洋的起源和演化地表岩層的形成和變異生命誕生地表熱量的收支水體中的碳酸平衡綠色植物自養者的光合作用和生產力有機物氧化（呼吸作用、燃料燃燒、有機體腐爛分解）碳的特性水體中形成碳酸平衡體系