环境化学1章Word

　　环境化学

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　　第一章

　　绪论

　　重点要求： 介绍环境化学在环境科学中和解决环境问题方面的地位和作 用，它的研究内容、特点和发展动向，主要环境污染物的类别 和它们在环境各圈层中的迁移转化过程。要求掌握对现代环境 问题认识的发展以及对环境化学提出的任务；明确学习环境化 学课程的目的。 世界范围内普遍存在着程度不同的空气、水和土地污染的环 境退化现象，各国人民都在关注的臭氧层破坏、气候变化、水 资源的短缺和污染、有毒化学品和固体废弃物的危害，以及生 物多样性的损伤等，已对人类的生存和发展构成了现实威胁。

　　第一节

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　　一、环境问题 由于人为因素使环境的构成或状态发生变化，环境素质下 降，从而扰乱和破坏了生态系统和人们的正常生活和生产条件， 就叫做环境污染。具体说，环境污染是指有害物质对大气、水 质、土壤和动植物的污染，并达到致害的程度，生物界

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　　的生态系统遭到不适当的干扰和破坏，不可再生资源被 滥采滥用，以及因固体废弃物、噪声、振动、恶臭、放 射线等造成对环境的损害。造成环境污染的因素有物理 的、化学的和生物的三方面，其中因化学物质引起的约 占80%~90%。 直到20世纪30年代环境问题爆发，连续产生公害事 件(见表1-1所示)。直到70年代，公害的严重程度超过 八大公害。例如：①1984年印度博帕尔市的一家农药厂， 大约有45万吨农药剧毒原料甲基异氰酸酯被泄漏到大气 中，直接危害人体，发生了2500人中毒死亡，十余万居 民受害的悲惨事件。②1986年前苏联切尔诺贝利核电站 泄漏爆炸事件，使北欧、东欧等国大气层中放射性尘埃 增高达一周之久。这也是世界上第一次核电站污染环境 的严重事故。③同年，瑞士一家化工厂的仓库发生爆炸 事件，使大量有毒化合物随灭火剂一起流入莱茵河，致 使一些城市中的河水、自来水和井水不得不禁止使用。

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　　我国的环境污染也相当严重。现在每年排放的S02已达 1500万吨以上，成为世界上S02排放量最多的国家之一， 2000年S02排放量将增至3822万吨，颗粒物排放量将上升到 12466万吨，比1982年增加1.4倍。如以我国西南酸雨严重 地区为例，届时酸沉降将增加40吨，酸雨覆盖面积将继续 扩大。其次，我国水污染也相当严重，城市污水大约有85 吨未经处理直接排入水体，其中工业废水所占的比重较大。 根据有关资料表明，我国江、河、湖和库已普遍受到不同 程度的污染，同时查出水体中存在百种以上有毒有害有机 污染物。 化学品急剧增加也带来环境污染的问题。全世界化学 晶的产量已从50年代的700万吨发展到80年代的2500万吨。 现

　　在国际上已登记的化学品种达800万种，而且每年还以上 千种速度在发展，它们通过生产、储藏、运输、应用及最 后处理进入环境。化学污染如果不加以注意和控制，最终 的结果可能是使现有的动植物种类20%以上灭绝。

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　　环境污染问题促进了环境化学研究的发展。例如通过煤烟 型大气污染问题的研究，发展了硫和气溶胶化学，通过光化学 烟雾污染的研究发展了大气光化学，通过酸雨污染的研究发展 了降水化学，这三个领域正是大气化学三个主要研究方向。最 近酸沉降的研究表明：鱼类死亡是由于湖泊酸化后，水体中铝 形态发生变化而引起的，在酸化的土壤中同样有大量活性铝离 子的溶出而对植物产生危害，因此铝被正式确认为新的致毒元 素，铝形态与毒性的关系也就倍受关注。另一方面，当污染物 进入水体后，又将怎样迁移、转化，日本发生的水俣病是一个 典型例子。由于日本水俣病患者是当地渔民，所以医学家估计， 可能与他们的食物摄入有关。通过对海湾底泯的分析，汞的最 高含量可达2.1gkg-1,但它们多数以金属汞的形态存在。相 对来说，金属汞是低毒的。因此，汞究竟以何种形态存在使生 物中毒，引起了环境科学界的关注。1967-1968年间，瑞典科学 家对湖泊“死鸟事件’进行调查，发现是由于鸟吃了含有烷基 汞的鱼引起死亡的，但自然界并不存在烷基汞，促使人们深入 探讨汞的迁移，转化、存在形态及环境影响，反过来又促进环 境化学的发展。

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　　随着城市的扩大和工业的发展，使大量生活污水和工 业废水排入水体，进入水体的化学物质或者通过饮水，或 者通过食物链(网)危害人体健康，促使水的化学研究从生 化耗氧、自然净化，卫生学等方面的研究发展到水的环境 毒理学、水生生态平衡等方面的研究。进入水体的化学物 质即使数量很少，通过生物富集，最终也会危害人类。所 以，化学物质量中毒的研究，也从常量发展到微量。 化学肥料和农药的施用，以及工业和生产排出的废弃 物进入土壤，造成农药、重金属和其他化学物质在土壤中 的积累，并在作物中残留。日本痛痛病事件就是用含镉的 矿山废水灌溉农田的结果。农药稻瘟醇进入稻杆，在堆肥 中分解为四氯苯甲酸，含有这种物质的肥料可引起秧苗畸 形。因此，土壤的化学研究也从土壤化学物质的分析、积 累，迁移和转化等方面逐渐深

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　　入到细胞水平。60年代美国生物学家雷切尔—卡尔森写了一 本《寂静的春天》, 预言大量施用浓药造成生态破坏，使 鸟语花香的春天变得死气沉沉，在世界上引起极大反响，也 迫使人类不得不研究采取保护环境的相应措

　　施。因此，对化 学物质在大气，水体，土壤等自然环境中引起的化学现象的 研究发展极为迅速，一些原来不受重视的化学问题，从保护 自然环境和人体健康的角度出发，成为重要的急待解决的问 题。为了探讨这些问题，逐渐发展了新的研究方法和手段， 提出了新的观点和理论，于是形成了一门新的化学分支学 科——环境化学。 由于环境化学是紧密地随着人类社会相继出现的环境问 题而发展起来的新兴学科，至今尚没有一个统一的定义。最 近我国《自然科学学科发展战略研究报告：环境化学》一书 提出了一个较为满意的定义：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、行为，效应(生态效应、人体 健康效应及其它环境效应)以及减少或消除其产生的科学。

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　　环境问题的认识有个发展过程： 在20世纪60年代，人们把环境问题只当成一个污染问题，认 为环境污染主要指的是城市和工农业发展带来的对大气、水质、 土壤等的污染，以及固体废弃物和噪声的污染。而对土地沙化、 热带森林破坏和野生动物某些品种的濒危灭绝等并未从战略上 予以重视。我国当时以污染控制为中心进行环境管理，曾对改 善城市和人民生活的环境质量起了重要作用。而明显的不足表 现在没有把环境问题与自然生态联系起来，低估了环境污染的 危害性和复杂性；没有把环境污染与社会因素相联系，未能追 根溯源。 1972年，联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了人类环境会 议。会议发表的《人类环境宣言》中明确指出环境问题不仅表 现在水、气、土壤等的污染已达到危险程度，而且表现在生态 的破坏和资源的枯竭；同时宣告一部分环境问题是由于贫穷造 成的，并明确提出发展中国家要在发展中解决环境问题。这是 作为联合国组织第一次把环境问题与社会因素联系起来。会后 正式组建了联合国环境规划署(UNEP)。此次会议可说是人类

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　　认识环境问题的一个里程碑。然而，它并未从战略高度指 明防治环境问题的根本途径，没明确解决环境问题的责任， 没强调需要全球的共同行动。 20世纪80年代，对环境的认识有了新的突破性发展， 提出持续发展战略。由挪威前首相布伦特兰夫人任主席的 联合国环境与发展委员会，组织来自21个国家的著名专家 学者到各国实地考察后，于1987年4月发表了题为“我们共 同的未来”的长篇报告。在“全球的挑战”的标题下，指 出地球正发生着急剧改变，从而威胁着许多物种，包括人 类生命的环境恶化趋势。每年有600万公顷具有生产力的旱 地变成沙漠，有1 100多万公顷的森林遭到破坏 在列举 的令人震惊的事件中

　　有：在非洲，干旱将3 500万人置于危 难之中；在印度，博帕尔农药厂化学品泄漏造成2 000人死 亡；在墨西哥城，液化气罐爆炸使千人遇难；在前苏联， 切尔诺贝利核反应堆爆炸使核尘埃遍布欧洲；在瑞士，农 用化学晶、溶剂和汞污染了莱茵河，使数百万尾鱼被毒死； 由于饮用水被污染和营养不良，全球每年约有6X107人死于 腹泻 报告告诫人们，决定地球人类前途和命运的是 “环境”。它以持续发展为基本纲领，从保护环境和资源、 满足当代和后代的需要出发，强调世界各国政府和

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　　人民要对经济发展和环境保护两大任务负起历史责任， 并把两者结合起来。这一时期逐步形成的持续发展战 略，指明了解决环境问题的根本途径。 进入20世纪90年代，巩固和发展了这种指导思想， 形成当代主导的环境意识。1992年6月在巴西里约召开 了联合国环境与发展大会，有183个国家代表团和70个 国际组织的代表出席，并有102位国家元首或政府首脑 到场，大会高举持续发展的旗帜，通过了《里约环境 与发展宣言》、《21世纪议程》等重要文件。它促使 环境保护和经济、社会协调发展，以实现人类的持续 发展作为全球的行动纲领。这是本世纪人类社会的又 一重大转折点，树立了人类环境与发展关系史上新的 里程碑。

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　　二、环境化学 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、行为，效应(生态效应、人体健康效应及其它 环境效应)以及减少或消除其产生的科学。 1.环境化学的任务、内容与特点 环境化学是在化学科学的传统理论和方法的基础上 发展起来的是以化学物质在环境中出现而引起的环境问 题为研究对象，以解决环境问题为目标的一门新兴学科。 环境化学主要研究有害化学物质在环境介质中的存在、 化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法。它 既是环境科学的核心组成部分，也是化学科学的一个新 的重要分支。 由包含大气圈(atmOsphere)、水圈(hydrosphere)和 岩石圈(geOsphere Or1让hosphere)各圈层的自然环境和 以生物圈(biosphere)为代表的生态环境组成地球环境系 统，再与反映人类生产、生活和技术活动的人类活动圈 (anthro—sphere)形成彼此相互间存在错综复杂关系的 综合体系。这种复杂相互关系如图1—1所示。

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　　人类活动圈包含多种内容，主要有如下几类： 用于居住的建设设施； 用于生产、商业、教育和其他活动的建筑结构，包括供水、 燃料、布电系统和废物处置系统如下水道等设施； 用于交通运输包括道路、铁路、机场，以及水路交通水道 的建设或改造； 生产食物的建筑结构，如用于作物生长的农田和用于灌溉 的

　　输水系统； 各类机械产品，包括汽车、农业机械和飞机、轮船等； 用于通信的器材和基本设施，如电话线路、无线电发射塔 及电脑信息网络等； 与采掘工业有关的矿山和油井、海上采油平台等。 仅从上述列举的事实，已足见人类活动圈是会对环境造成 巨大潜在影响的十分复杂的体系。 人类活动圈实际上是一个因人类活动产生多种多样污染物 副产品的庞大仓库。如图1—2所示。

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　　2.元素的生物地球化学循环 物质循环对环境来说是最重要的。广义的物质循 环可分为内生的循环(eh—agemccycles)和外生的循环 (exogeniccycles)。前者主要包含地球表面下的各 种岩石，如沉积岩、火成岩、变形岩和岩浆。后者大 部分存在于地球表面以上，包括水田、生物圈和大气 圈。一般来说，沉积物和土壤可看成共属于此两类循 环并组成两者的主要界面。 物质循环常基于元素的循环(elementalcycles), 包括氧、碳、氮、磷和硫等营养元素(nutrient elements)的生物地球化学循环(biogeochemical cycles)是非常重要的元素循环。以下用图示列举这些 元素的循环。

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　　3.环境化学的发展动向 国际上较为重视元素(尤其是碳、氮、硫、磷)的 生物地球化学循环及其相互耦合的研究；重视化学品 安全评价；重视臭氧层破坏、气候变暖等全球变化问 题。环境良性化学(envlronmental benignchemistry) 研究。对我国来说，环境化学研究工作要围绕我国环 境保护工作的需要进行。当前，我国优先考虑的环境 问题中与环境化学密切相关的是：以有机物污染为主 的水质污染；以大气颗粒物和二氧化硫为主的城市空 气污染；工业有毒有害废弃物和城市垃圾对大气、水 和土地的污染等。并且今后一段时期我国环境保护工 作的重点包括防治环境污染和保护自然生态两个方面。 下面按分支学科对发展动向做一简介。

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　　(1)环境分析化学 污染物的性质和环境化学行 为取决于它们的化学结构和在环境中的存在状 态。有机污染物分析测试方法研究的重要对象， 包括多环芳烃和有机氯等全球性污染物。与空 气污染有关的挥发性有机物、胺类化合物，与 水污染有关的表面活性剂，砷、汞、锡等金属 有机化合物也是主要的研究对象。联用仪器技 术、连续自动分析和遥感分析同样是热门课题。 (2)各圈层环境化学 本分支学科研究化学污染 物在大气、水体和土壤环境中的形成、迁移、 转化和归趋过程中的化学行为和生态效应。

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　　1)在大气环境化学方面，研究对象涉及大气颗粒物、 酸沉降、大气有机物、痕量气体、臭氧耗损及全球气 候变暖等。空间尺度从室内空气、城市、区域环境、 远距离乃至全球。关于大气环

　　境化学过程研究主要涉 及大气光化学过程、大气自由基反应。在模式研究方 面侧重于光化学烟雾和酸雨。 2)在水环境化学方面，水体研究较多的是河流、湖泊 和水库，其次是河口、海湾和近海海域。近年来，由 于大量固体废弃物填埋而引起有毒有害物质污染地下 水，国外对地下水污染研究十分重视。天然水体污染 过程和废水净化过程是水环境化学的主要研究范围， 对水环境中化学物质的重点研究对象逐靳转向某些重 金嘱(含准金属)及持久性有毒有机污染物。从应用基 础的研究来看，当前主要集中在水体界面化学过程、

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　　金属形态转化动力学过程、有机物的化学降解过程、 金属和准金属甲基化等方面的研究。 土壤环境化学主要研究农用化学晶在土壤环境中的迁 移转化和归趋及其对土壤和人体健康的影响。包括有 机污染物在土壤中的吸附、降解过程机制，土壤环境 复合污染问题，以及污染土壤修复的化学基础等。 3)污染(环境)生态化学主要研究化学污染物的生态毒 理学基础和作用机制，环境污染对陆地生态系统和水 生生态系统的影响，以及化学物质的生态风险评 价问题。 4)环境理论化学主要研究环境界面吸附的热力学和动 力学，定量结构与活性关系(quantitative structure -activityrelationship,QSAR)研究和环境污染预测 模型。

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　　(3)污染控制化学 主要研究控制污染的化学机制和工 艺技术中的基础性化学问题。 终端污染控制对发展控制污染技术和治理环境污染 产生了积极的作用，但这种模式只能在废弃物排放后 处理或减少污染物排放而不能阻止污染的发生。 污染预防(poilu—tion prevention)和清洁生产 (cleaner production) “循环经济(circular economy)”模式。20世纪末期到21世纪初期跨世纪的 十余年出现了体现“可持续发展(sustainable develop —ment)”精神的“绿色化学 (steenchemistry)”新方向. 第二节 环境污染物 一、环境污染物 二、环境效应及其影响因素

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　　物理、化学及生物效应。 三、环境污染物在环境各圈的迁移过程 作业：2和5题