环境化学戴树桂第二版第一章课件


    环境化学考核方式 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 考勤 作业 笔记 期末考试成绩 10% 20% 10% 60%其他参考教材 单击此处添加标题 1.《环境化学》,何燧源,金云云,何方,编著。华东理工大学出 版社,2000年12月第3版。 2.《环境化学》,王晓蓉,编著。 南京大学出版社,1993年11月第 1版 。 3.《环境化学教程》,邓南圣,吴峰,编著。武汉大学出版社, 2000年1月第1版。 4.《环境化学》,陶秀成主编。高等教育出版社,2002年。 5.Environmental Chemistry (seventh edition), SE., Manahan Lewis Publishers. 6.环境化学教程,刘兆荣,陈忠明。化学工业出版社,2003年1月。 7.环境水化学,魏振枢。化学工业出版社,2002年7月。 8.水化学,王凯雄。化学工业出版社,2001年5月。 9.Chemistry of the Environment, Thomas G. Spiro, William M., Stigliani. 清华大学出版社(影印版), 2003年7月 .1. 掌握大气的基本性质和组成,污染物的源和汇,大气中主要的气相反应和液相反应以及 大气颗粒物性质等基本概念和基本原理;了解酸雨、温室效应及臭氧层破坏等全球关注的 大气问题。 2. 掌握天然水体的组成和性质、溶解和沉淀、氧化和还原、配合作用及固液界面间相互作 用等基本原理在环境化学中的应用;了解主要有毒难降解污染物的环境行为及归趋模式。 3. 掌握土壤主要的理化性质,重金属及氮、磷营养物质在土壤环境中的迁移、积累以及有 机农药等污染物在土壤中的降解途径,了解环境条件变化对污染物在土壤中迁移转化的影 响。 4.了解化学物质在生物体内的转运和代谢,化学物质的联合作用以及化学物质引起致突变、 致畸和致癌作用基本原理,利用有机物结构与致癌作用关系预测化学物质的致癌性等。 5.掌握金属形态的生物有效性、污染物的微生物转化、化学物质的生物吸收和生物浓缩机理 以及对人体健康的影响。 6.了解微生物修复、植物修复和化学氧化技术。 教学要求环境化学1 环境污染物2 第一章 绪论内容提要及重点要求 本章简要介绍了环境化学在解决环境问题 上的地位和作用,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 问题认识的发展及对环境化学提出的任务,明 确学习环境化学课程的目的。1 环境化学一、环境问题 二、环境化学 化学与环境 什么是环境化学 元素地球化学循环 第一节 环境化学 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题 单击此处添加标题 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题1-9 环境问题:是指由于自然力或人类活动所导致的全球环境或区域环 境中出现不利于人类生存和社会发展的各种现象。包括 一切形式的环境恶化或对生物圈的一切不利影响。 分类: 原生环境问题:自然力引发,也称第一类环境问题,火山喷发 、地震、洪灾等。 次生环境问题:人类生产、生活引起生态破坏和环境污染,反 过来危及人类生存和发展的现象,也称第二类环境问题。又包括: 环境污染和生态破坏。目前的环境问题一般都是次生环境问题。1-10 生态破坏:人类活动直接作用于自然生态系统,造成生态系统 的生产能力显著减少和机构显著该变,如草原退化、物种灭绝、水 土流失等。 环境污染:人类活动产生的副产品和废物进入环境,并在环境 中扩散、迁移、转化,使环境系统的结构与功能发生变化,对生态 系统产生的一系列干扰和侵害,如水污染、大气污染、酸雨、臭氧 层破坏、海洋污染等等。具体地说:环境污染就是指有害物质对大 气、水、土壤和动植物污染并达到有害的程度。1-11 早期 世界 著名 八大 公害 事件 (1)比利时马斯(Meuse)河谷烟雾事件 (2)美国洛杉矶光化学烟雾事件 (3)多诺拉烟雾事件 (4)伦敦烟雾事件 (5)四日市哮喘事件 (6)痛痛病事件 (7)水俣病事件 (8)米糠油事件 年1-12 早期 世界 著名 八大 公害 事件 1930年12月(冬季),比利时马斯(Meuse)河谷出现了严重的大雾天气, 河谷工业区有上千人发生呼吸道疾病,症状表现为胸疼、咳嗽、流泪、咽痛、 声嘶、恶心、呕吐、呼吸困难等。一个星期内就有60多人死亡。二氧化硫是 主要致害的物质。早期 世界 著名 八大 公害 事件 1943年,美国洛杉矶。汽车尾气和工业排放废气中的碳氢化合物和氮氧化物在强烈 阳光紫外线照射下,发生光化学反应,形成光化学烟雾。使人眼睛发红,咽喉疼痛,呼 吸憋闷、头昏、头痛。一般发生在湿度低、气温在24℃-32℃度的夏季晴天的中午或午后。1-14 早期 世界 著名 八大 公害 事件 1952 年 11 月和 12 月初伦敦出现异常的低温,居民为了取暖, 在家中大量烧煤,煤烟便从烟囱排放出来,聚集在伦敦上空。粉尘 中Fe2O3使SO2转变成硫酸,附着在烟尘,吸入肺部。导致胸闷、咳 嗽、喉痛和呕吐。12月中毒死亡4000多人,共死亡近万人。1-15 早期 世界 著名 八大 公害 事件 1948年10月26~31日,美国宾夕法尼亚州多诺拉镇冶炼厂排放的 SO2等有毒有害物质的气体及金属微粒在气候反常的情况下聚集在山 谷中积存不散,这些毒害物质附着在悬浮颗粒物上,严重污染了大 气,使5911人发病,17人丧生。 多 诺 拉 烟 雾 事 件1-16 早期 世界 著名 八大 公害 事件 1955-1972年,在神通川 流域河岸出现了一种怪病, 症状初始是腰、背、手、脚 等各关节疼痛,随后遍及全 身,有针刺般痛感,数年后 骨骼严重畸形,骨脆易折, 甚至轻微活动或咳嗽,都能 引起多发性病理骨折,最后 衰弱疼痛而死。患者280人, 死亡34人。 排放的含镉废水污染了水体,使稻米含镉。而当地居民长 期饮用受镉污染的河水,以及食用含镉稻米,致使镉在体内蓄 积而中毒致病。1-17 早期 世界 著名 八大 公害 事件 1956年,日本九州水俣。食用含有甲基汞的鱼。甲基汞通过鱼虾进入 人体,被肠胃吸收,侵害脑部和身体其他部分。进入脑部的甲基汞会使脑 萎缩,侵害神经细胞,破坏掌握身体平衡的小脑和知觉系统。据统计,有 数十万人食用了水俣湾中被甲基汞污染的鱼虾。患者180人死亡50人1-18 早期 世界 著名 八大 公害 事件 1968年,日本九州、爱知县等23个县。食用含有多氯联苯 (PCBs)米糠油。 米糠油时间 眼皮肿、出汗,全身红疙瘩, 恶心、呕吐,肺功能下降,甚至 死亡,患者5000多人,死亡16人近年 来, 世界 瞩目 的7 起严 重公 害事 件 (1)意大利塞维索化学污染事故。1976年7月10日意大利北部塞维索地区的一家农药厂爆炸,导 致剧毒化学品二恶英的污染,使许多人中毒,附近居民被迫迁走,几年内当地畸形儿的出生率大 为增加。 (2)美国三里岛核电站泄露事故。这次事故发生在1979年3月28日,直接经济损失达10多亿美元。 (3)墨西哥的液化气爆炸事故。1984年11月19日,墨西哥国家石油公司所属的液化气供应中心 发生爆炸,死亡1000多人,伤400多人,3万多人无家可归。 (4)印度博帕尔农药泄漏事故。1984年12月3日,美国联合碳化物公司设在博帕尔市的农药厂的 剧毒化学品异氰酸甲酯罐爆裂外泄,受害人数20万,死亡3000人以上。 (5)原苏联切尔诺贝利核电站泄露事故。1986年4月26日位于基辅地区的切尔诺贝利核电站四号 反应堆爆炸,造成重大放射性污染,周围十多万居民被疏散,伤数百人,死亡31人。 (6)莱茵河污染事故。1986年11月1日,瑞士巴塞赞德兹化学公司的仓库起火,使大量有毒化学 品随灭火用水流进莱茵河,造成西欧10年来最大的污染事故。 (7)海湾战争造成的环境污染。1991年的海湾战争历时42天,期间油井大火昼夜燃烧,是迄今 历史上最大的石油火灾及海洋石油污染事故,也是人类历史上最严重的一次环境污染,其污染程 度超过切尔诺贝利核电站发生的核泄漏事故。这次战争所造成的环境污染是灾难性的,已给世界 带来了影响。 近年来,全世界平均每年约发生200多起严重公害事件。当今 人类 面临 的环 境问 题 1.大气污染 主要污染物有SO2、NO2、 CO、O3、PM10和PM2.5。当今 人类 面临 的环 境问 题 2.臭氧层破坏 1998年9月报道,南极上空 臭氧空洞的面积 2720*104km2,近南极大陆 面积的1倍 臭氧层耗散导致: 皮肤癌 白内障当今 人类 面临 的环 境问 题 3.酸雨 世界各国皆有不同程 度的酸雨侵袭; 我国酸雨覆盖率以国 土面积计已近40%, 并有半数以上城市受 酸雨之害当今 人类 面临 的环 境问 题 4.水体污染与水资源短缺 我国属于贫水国家,人 均占有水量为2.51km3/a, 低于世界上多数国家。 水质恶化使水资源更趋 于紧张。 在世界范围内已经确定 存在于饮水中的有机污 染物达1100多种,每年 至少有1500万人死于水 污染引起疾病;当今 人类 面临 的环 境问 题 5.土地荒漠化 全球有19.6*108hm2 土地正趋于荒漠化, 2.5亿人直接受害, 我国风蚀与荒漠化的 土地面积达 33*104hm2 土地退化导致: ● 沙尘暴健康危害:呼吸系统疾病、沙漠肺综合症、心血 管系统疾病。患病和死亡率增加 ● 水土流失与土壤营养物流失当今 人类 面临 的环 境问 题 6.固体废物污染当今 人类 面临 的环 境问 题 7.全球变暖 ●北极海冰区域大约每10 年收缩9% ●海平面上世纪平均上升 了10到20厘米当今 人类 面临 的环 境问 题 8.绿色屏障锐减 9.物种减少 10.海洋污染一、环境问题 二、环境化学 化学与环境 什么是环境化学 元素地球化学循环 第一节 环境化学1-29 化学与环境 化学工业的发展为人类带来福祉,目前我们日常生活和工 农业生产所使用的化学品已多达100000种以上。没有化学品, 就没有如此繁荣的地球。 如,没有农药,就不会有粮食的高产,地球不可能支撑如 此庞大的人口; 各种药物帮助人类战胜疾病,青霉素的使用使人类寿命出 现第二次飞跃,平均增加了20岁。 但是,人类过度依赖化学品,不当使用化学品,在生产、 使用和废弃化学品的过程中疏于管理,使化学品成为环境污染 的罪魁祸首。 如,难降解有机氯农药及一些具有良好性能的工业品的使 用被证明是过大于功,造成了“寂静的春天”; 在人类活动过程中还无意识地产生很多副产物,如燃烧产 生的多环芳烃、二噁英,饮用水消毒产生的副产物等。• 1928年由英国细菌学家弗莱明发现了青 霉素,1940年,牛津大学的病理学家弗 洛里和病理化学家钱恩合成了青霉素。 三人获1945年诺贝尔生理学和医学奖。 青霉素的成功合成带动了药物合成革命, 而且至今青霉素都是一个廉价有效的抗 生素。但是一些抗生素的滥用,造成环 境积累,对生态系统产生危害。 •1945年,瑞士化学家穆勒发明合成了 DDT ,能够有效地杀死蚊虫、控制疟疾 蔓延。穆勒因此于1948年荣获诺贝尔生 理医学奖。后来发现包括DDT在内的很 多有机氯农药难于降解,在生物体内富 集,沿着食物链放大,危害人类和生态 系统健康。1-31 早期 世界 著名 八大 公害 事件 (1)比利时马斯(Meuse)河谷烟雾事件 (2)美国洛杉矶光化学烟雾事件 (3)多诺拉烟雾事件 (4)伦敦烟雾事件 (5)四日市哮喘事件 (6)痛痛病事件 (7)水俣病事件 (8)米糠油事件 年一、环境问题 二、环境化学 化学与环境 什么是环境化学 元素地球化学循环 第一节 环境化学 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题1.定义: 环境化学是一门研究有害化学物 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 法的科学。SO2 SO2+1/2O2+H2O→H2SO4 H2SO4 Acid precipitationS (in coal)+O2→SO2 H2SO4 From Environmental Chemistry, S.E. Manahan, CRC Press, 20041. 掌握大气的基本性质和组成,污染物的源和汇,大气中主要的气相反应和液相反应以及 大气颗粒物性质等基本概念和基本原理;了解酸雨、温室效应及臭氧层破坏等全球关注的 大气问题。 2. 掌握天然水体的组成和性质、溶解和沉淀、氧化和还原、配合作用及固液界面间相互作 用等基本原理在环境化学中的应用;了解主要有毒难降解污染物的环境行为及归趋模式。 3. 掌握土壤主要的理化性质,重金属及氮、磷营养物质在土壤环境中的迁移、积累以及有 机农药等污染物在土壤中的降解途径,了解环境条件变化对污染物在土壤中迁移转化的影 响。 4.了解化学物质在生物体内的转运和代谢,化学物质的联合作用以及化学物质引起致突变、 致畸和致癌作用基本原理,利用有机物结构与致癌作用关系预测化学物质的致癌性等。 5.掌握金属形态的生物有效性、污染物的微生物转化、化学物质的生物吸收和生物浓缩机理 以及对人体健康的影响。 6.了解微生物修复、植物修复和化学氧化技术。 教学要求2. 研究内容 ● 有害物质在环境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.研究特点 ● 以微观研究宏观:从原子、分子水平,研究宏观环境圈层中环境现象和变化 机制; ● 研究对象复杂:既有人为来源的也有天然来源的,处于环境开放体系内,多 种环境因素同时相互作用,其研究需要多学科的结合。 ● 物质水平低:mg/kg(ppm, 10-6))、ug/kg(ppb, 10-9)、甚至(ppt, 10-12) 4. 核心: 研究化学污染物在环境介质中的迁移和转化。1-37 5. 发展方向 ●环境污染化学 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。 ●大气环境化学: 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。 ●水环境化学 主要研究河流湖泊和水库,其次是河口、海湾和近海海域,地下水污染;集中研究 水体界面化学过程、金属形态转化动力学过程、有机物的化学降解过程、有机物的 化学降解过程、金属和准金属甲基化等方面。 ●土壤环境化学 主要研究农用化学品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降解、土壤中温室气体的释放、污染物在固-液界面上 的化学过程和土壤污染的化学与生物修复等内容。 ●环境生态化学 主要研究农用化学品在生态系统中产生效应的化学过程,如稀土农用的环境化学行 为及生态安全等。1-38 6. 分支学科 分支学科 研究领域 环境分析化学 环境有机分析化学 环境无机分析化学 环境中化学物质的形态分析 各圈层的环境化学 大气环境化学 水环境化学 土壤环境化学 复合污染物的多介质环境行为 污染(环境)生态化学 化学污染物的生态毒理学研究 环境污染对陆地生态系统的影响 环境污染对水生生态系统的影响 化学物质的生态风险评价 环境理论化学 环境界面化学 定量结构活性相关研究 环境污染预测模型 污染控制化学 大气污染控制 水污染控制 固体废物污染控制与资源化 绿色化学与清洁生产有害化合物 环境系统 数学模型 重要环境过程 (运输、混合等) 和相关特性(温度、 pH、土壤组成、光强度、风速、微生物活性)的 表征 环境系统中有害化合物的概念模型 定量描述有害化合物在所考虑的环境系统中的命运 测定有关的化合物性 质和反应活性 待回答问题 输入数据 环 境 化 学 研 究 思 路1-40 环 境 各 圈 层 由包含大气圈、水圈和岩石圈各圈层的自然环境和以生物圈为代表的的生 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生活 圈形成彼此相互间存在错综复杂关系的综合体系。Thermosphere 大气圈 0 20 40 60 80 100 160 200 240 280 高度 /km T/K 大气温度的垂直分布 热层 中间层 平流层 对流层大气中的水 冰和雪 人类生活、市政 及工业用水 大气中云、雾和降水中的水 生物圈中的水 海洋水 地表淡水 井水 地下含水层中的水 水圈的构成 Water in the geosphere Groundwater in aquifers 水 圈 水的循环,1012 L/dO2 CO2 CO2 +H2O + h→{CH2O} + O2 变温层 光解 相对较高的溶解O2, 化学物质以氧化态存在 温跃层 均温层 相对较低的溶解O2, 化学物质以还原态存在 和沉积物进行物质交换 湖泊的分层 水体的分层 From Environmental Chemistry, S.E. Manahan, CRC Press, 2004 水 圈1-44 沉积物是水 环境污染物的一 个汇,不同深度 的沉积物反映不 同年代的污染。 随着水环境 的改善,污染沉 积物可能成为水 污染的一个内源。 如,滇池沉积物 中磷的释放对于 滇池水体富营养 化的作用。 From Environmental Organic Chemistry, R.P. Schwarzenbach, Wiley-Interscience, 2003土 壤 土 壤 干湿 沉降 挥发 扬尘 陆生食物链 垃圾填埋场 地下储油罐 农药 流失 吸附 地下水 地下水 吸 附 解 吸 重金属形态 过程 有机污染物 微生物降解 水解等过程 吸收和摄取 土 壤 圈一、环境问题 二、环境化学 化学与环境 什么是环境化学 元素地球化学循环 第一节 环境化学 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题 单击此处添加标题 春种一粒粟,秋收万颗籽,点 滴进步,成就价值是我们的 一贯的追求。 单击此处添加标题三、 元素地球化学循环 1. 氧的循环大气中的CO2 溶解性的无机碳 主要为HCO3 - 不溶性无机碳, 主要为CaCO3和 CaCO3• MgCO3 固定的有机碳(CH2O) 和异型生物质的碳 固定的有机烃类 (CxH2x ),和油母页 岩 2.碳的循环 生物降解 光合作用 溶解作用和化学过程 化学沉淀作用 和无机碳结合 于微生物外壳生物地球 化学过程 用石油原料生产 的异型生物质 溶解的CO2的溶 解(解离)作用人类活动圈 NH3,HNO3,NO,NO2 无机硝酸盐,有机氮化合物 生物圈 生物结合氮,像蛋白质中的 氨基( —NH2)氮 大气圈 N2,一些N2O,痕量 NO,NO2,HNO3, NH4NO3 水圈和岩石圈 溶解的NO3 -,NH4 + 在死生物质和化石燃料中的有 机结合氮 3.氮的循环 化肥,含 氮污染物 N2的固定, 像NH3 污染物的排 放,NO, NO2 采矿 的硝 酸盐 来自沉 降的溶 解NH4 +, NO3 - 微生物 演化释 放的N2, N2O, NH3 分子N2 的固定 作用, 像氨基 氮 化肥, NO3 - 由分解 产生的 NH4 +, NO3 -4. 磷的循环 可溶性无机磷酸盐,HPO4 2—, H2PO4 —和聚磷酸盐 化肥径流,废水, 洗涤剂废物 不溶性的无机磷酸盐,如Ca5 (OH)(PO4) 3或磷酸铁 异型生物质的有机 磷酸盐 生物磷,主要是核酸, ADP,ATP 沉积物中的生物有机和无机磷酸盐 生物体的 同化作用 生物降解 溶解 沉淀作用1-51 5. 硫的循环 大气中的硫,SO2,H2S,H2SO4,(CH3)2S 可溶和不可溶形式的无机SO4 2— 元素硫,S 生物硫,包 括—SH H2S和金属硫化物,如FeS 微生物产生的小分子中的有机 硫,如—SH和R—S—R族 异型生物质,比如杀 虫剂中的 P S 微生物 代谢 生物降解 硫化物氧化 硫酸根还原 S氧化 生命体的 同化作用 H2S氧化 分解 大气中的硫物种与其他环境圈层中硫物种的相 互转化2 环境污染物一、环境污染物的类别 重金属 营养元素 有机污染物 二、环境效应及其影响因素 三、环境污染物在环境各圈的迁移转化 过程简介 第二节 环境污染物(1)定义 环境污染物:是环境化学研究的对象,主要指进入环境 后使环境的正常组分和性质发生直接或间接的有害于人类的 变化的物质。大部分污染物是人类生产和生活活动产生的。 (2)分类 ●按受污染物影响的环境要素 ●按污染物的形态 ●按污染物的性质 ●按人类社会不同功能 ●按化学组分分类一、环境污染物的类别 重金属 营养元素 有机污染物 二、环境效应及其影响因素 三、环境污染物在环境各圈的迁移转化 过程简介 第二节 环境污染物1-56 (一)重金属 元素周期表中,只有二十二个非金属元素(包括 惰性元素),其余全为金属元素(包括过渡元 素)。但是有环境学或毒理学意义的重金属,包 括汞、镉、铅、锌、铜、钴、镍、钡、锡、锑等, 从毒性角度通常将砷、铍、锂、硒、硼、铝等也 包括在内。 1-411-57 重金属废水,传统的生物 处理过程无效,只能依赖 专门的分离技术:离子交 换、(电)化学沉淀、吸 附、膜分离。 重金属污染土壤修复 稀释法 相转移:冲洗、植物修复、 电动力学、热解析 形态转化固定化、价态转 化 阳极 阴极 + − 土壤颗粒 土壤颗粒 土壤颗粒 土壤颗粒 −+ + + + +−− − − + + + + + + + + + 阳极 阴极 + − 土壤颗粒 土壤颗粒 土壤颗粒 土壤颗粒 −−++ ++ ++ ++ ++−−−− −− −− ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++1-58 ● 水环境:吸附 - 解吸、溶解 - 沉淀、氧化- 还原、 配合、胶体结合态 ● 土壤环境:水溶态、可交换态、碳酸盐结合态、金 属氧化物结合态、有机物结合态、硫化物结合态、 残渣态等 ●金属有机污染物:有机汞、有机锡、有机砷、有机 硒 2. 形态 价态,结合状态等形态 ① 铝是人们家用餐具的材料,而铝离子能穿过血脑 屏障进入人的大脑组织, 引起痴呆等严重后果。 ② 铜、铅、锌离子态的毒性都远远大于配合态,而 且配合物愈稳定,其毒性愈低。 ③ 金属有机态的毒性往往大于无机态的毒性。 ④ 价态不同毒性也不同,铬(Ⅵ)的毒性大于铬 (Ⅲ)。而亚砷酸盐的毒性比砷酸盐大60倍。 ⑤ 价态不同,其配合能力及被土壤中腐殖酸固定程 度也不同,对生态系统的威胁也随之转变。如铅 (Ⅱ)的移动性远远小于铅(Ⅳ)。 形态研究的意义1-60 3. 路易斯软硬酸碱理论 ➢ 半径小、电荷量高或者较高的电负性、可极化度小:硬;离子化 ➢ 半径大、电荷量小或者较小的电负性、可极化度大:软;共价键 ◆路易斯硬酸:H+、Na+、K+、Be2+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Al3+、 Cr3+、Fe3+、As3+ ◆Intermediate:Co2+、Fe2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Pb2+ ◆路易斯软酸:Cu+、Ag+、Hg2 2+、Pd2+、Cd2+、Hg2+、CH3Hg+ ◆路易斯硬碱:H2O、OH-、F-、Cl-、PO4 3-、SO4 2-、CO3 2-、O2- ◆Intermediate:Br-、NO2 -、SO3 2- ◆路易斯软碱:SH-、S2-、RS-、CN-、SCN-、R2S、RSH、RS- 构成自然圈层,如岩石的成分 重金属与生物大分子结合,产生毒性机制一、环境污染物的类别 重金属 营养元素 有机污染物 二、环境效应及其影响因素 三、环境污染物在环境各圈的迁移转化 过程简介 第二节 环境污染物1-62 水中的N、P、C、O和微量元素如Fe、Mn、Zn是 湖泊等水体中生物的必需元素。营养元素丰富的水体通 过光合作用,产生大量的植物生命体,构成水生态系统 的初级生产力。但是当营养元素过剩时,导致藻类疯长, 引起一系列水环境问题。——水体富营养化。 (二)营养元素 2007年太湖蓝藻暴发 水 葫 芦 成 为 灾 害1-63 全国水体富营养化趋势加重 中国主要水域的水质等级变化-依据中华人民共和国环境保护部制定的水质标准 水域 20世纪60 年代 20世纪70 年代 20世纪80 年代 20世纪90 年代 现在 主要污染物 滇池 (草海) Ⅱ Ⅲ Ⅴ 劣Ⅴ 劣Ⅴ 总氮、总磷 滇池 (外海) Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 劣Ⅴ 总氮、总磷 太湖 Ⅰ~Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅳ~Ⅴ 劣Ⅴ 总氮、总磷 巢湖 水质尚好 Ⅲ Ⅳ Ⅴ 劣Ⅴ 总氮、总磷 洪泽湖 水质尚好 中~富营养化 富营养化 总氮、总磷 洞庭湖 水质尚好 贫~中营养化 富营养化 总氮、总磷 鄱阳湖 水质尚好 中营养化 富营养化 总氮、总磷 三峡库区 水质尚好 富营养化 总氮、总磷1-64 化肥的过度使用成为水体营养元素污染的一个主要原因 中国与世界一些国家和地区耕地化肥用量比较 1978-1999年我国化肥使用量变化情况 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 年 份 化肥使用量(纯量) / 10 4 t kg/hm2 中国 美国 欧洲 德国 东亚和东南亚 含氮化肥 用量 190 58 48 120 86 含磷化肥 用量 71 23 16 24 67◼ 固氮:将气态氮转化为铵根离子 ◼ 硝化:由铵根离子转化为硝酸盐 ◼ 反硝化:由硝酸盐经亚硝酸盐转化为氮气 NH4 +—N2 —N2O —NO —NO2 -—NO2 —NO3 - 固氮 反硝化 氮具有复杂的形态及生物地球化学过程 硝 化◼ pE < 5时,NH4 +是主要的氮形态; ◼ pE在5 ~ 7时,NO2 -是主要形态; ◼ pE > 7时,NO3 -是主要形态。 水土环境中无机氮主要形态分布 lg c pE1-67 陆生生态系统中氮的循环1-68 大气中无机氮氧化物的转化一、环境污染物的类别 重金属 营养元素 有机污染物 二、环境效应及其影响因素 三、环境污染物在环境各圈的迁移转化 过程简介 第二节 环境污染物有数的元素: 碳、氢、氧、氮、硫、磷和卤素 (氟、氯、溴、碘)等通过共价键组成。 (三)有机污染物 1. 基本特性 电负性 成键 ● 单键:饱和键 ● 双键、三键:不饱和键 ● 离域键:芳香结构 ● 氢键1-71 2.环境有机化合物的分类 (1) 碳氢化合物 ① BTEX 苯 甲苯 乙苯 三个二甲苯的异构体 邻 间 对 BTEX化合物是汽油中的重要组分, 并广泛用作溶剂。这些化合物是土壤和地 下水中最常见的污染物,尤其是苯具有很 高的毒性,因此这些化合物引发了很多有 关土壤和地下水修复领域的研究。 乙苯 邻、间、 对二甲苯 苯 甲苯 乙苯 邻、间、 对二甲苯1-72 ② 多环芳烃 多环芳烃类污染物在环境中的主要来源包括化石燃料(汽油、 石油、煤)的燃烧,森林大火,矿物油(事故性的直接输入), 木材防腐剂杂酚类化合物的应用等。 [a]1-73 (2)有机卤化物 惰性、不可燃气体、液体和固体,稳定理化性质, 典型的例子包括 多氯代的、含一个碳和两个碳的化合物,这些物质用量巨大(每年达数 十万吨到数百万吨),主要用作气溶胶喷射剂、制冷剂、塑料窗体的发 泡剂、麻醉剂,以及各种用途的溶剂等,由于这些物质在对流层中具有 高挥发性和强持久性,尤其是氟烃和氟氯烃(FCs和CFCs,也称氟利 昂)可以导致平流层下层臭氧的耗竭,并且能够造成全球气候变暖,因 此受到广泛的关注,这些物质正在分别被含氢的氟烃和氯氟烃(HFCs 和HCFCs)等所取代,后者的半衰期要小得多。 F 氟 Cl 氯 Br 溴 I 碘 ① 氟氯烃1-74 ② 有机氯溶剂 Compound Name(s) Formula Major Use Dichlorodifluoromethane (CFC-12) CCl2F2 Aerosol propellants, refrigerants (domestic, automobile air conditioning), flowing agents for plastic foams, etc. Trichlorofluoromethane (CFC-11) CCl3F Chlorodifluoromethane (HCFC-22) CHClF2 1,1,1,2-Tetrafluoroethane (HCFC-134a) F3C—CH2F 1,1-Dichloro-1-fluoroethane (HCFC-141b) Cl2FC—CH3 Dichloromethane (Methylene chloride) CH2Cl2 solvent Trichloroethene (Trichloroethylene, TRI) ClHC=CCl2 solvent Tetrachloroethene (Tetrachloroethylene Perchloroethylene, PER) Cl2C=CCl2 solvent 1,1,1-Trichloroethane Cl3C—CCl3 solvent Examples of Important Industrially Product C1- and C2- Halocarbons③ 有机氯农药 1-75 DDT Methoxychlor Dieldrin/Endrin Chlordane Aldrin 1,2,3,4,5,6-Hexachloro- cyclo-hexane, gamma isomer (Lindane) C CCl Cl Cl Cl H Cl C CCl Cl Cl H H3CO OCH3 O Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl CH H H3C H3C(Cl)x Cl Cl Cl Cl Cl Cl H H H H H H Heptachlor Toxaphene 甲氧DDT 艾氏剂氯 丹(异)狄氏剂 七氯 毒杀芬 林 丹 除草剂杀虫剂1-76 ④多氯联苯(PCBs) 迄今为止,PCBs和PCTs的产量超过100 万t,这些物质广泛用作蜡、 打印用墨、油漆和颜料,以及电容器绝缘液、变压器散热剂、液压机液 体、传热液体、润滑油、增塑剂、阻燃剂等。这些物质在生产、储存时, 尤其在处置地都能进入环境。虽然PCBs和PCTs在很多国家已经禁止或严 格限制生产和使用,但是它们在环境中仍然无处不在。 多氯联苯,有209个同系物; 多氯三联苯(PCTs)有8149个同系物。 Clm Cln Clm Clk Cln 多氯联苯 多氯三联苯 (PCBs,209个同系物) (PCTs, 8149个同系物)⑤ 消毒副产物 废水和饮用水中用氯进行消毒,以及造纸厂的漂白工艺等都会产 生很多已知的和未知的氯代化合物,并进入环境。例如,三卤代甲烷 化合物就是这些氯代化合物中比较重要的一类,其中包括CHCl3、 CHBrCl2、CHBr2Cl及CHBr3等。 ⑥ 二噁英 (PCDD/Fs) 工业过程及垃圾燃烧副产物,特别是焚烧氯含量高的废物,在焚 烧温度低于800 ℃ , 同时存在金属如铁、铜等催化条件下,二噁英会 大量产生。 多氯代二苯并-对-二噁英(PCDDs)(135个异构体) 多氯代二苯并呋喃(PCDFs)(75个异构体) -p--p-1-78 氧具有很高的电负性(3.5),可以与氢原子、碳原子、氮原子、 磷原子和硫原子形成极性共价键,增加了化合物的溶解性和反应活 性。 (3) 含氧官能团 ① 醇、酚和醚 -OH官能团的特性: • 可形成氢键。 •R-OH基团在水溶液中可能会发生解离,即相当于弱酸。 • 一些酚类化合物容易氧化,形成稳定的自由基。② 羧酸酯 邻苯二甲酸酯类物质主要用作增塑剂,在塑料中以游离态存 在,非常容易释放。其在全球的年产量超过100万t。 COOR1 COOR2 R为异己基、丁基、甲基等。 随着侧链的延长,溶解性减 弱,生物富集性增加,可降 解性减弱。 疑似致癌物 疑似内分泌干扰物1-80 ① 氨基 (NH2) – 氨基会参与氢键的形成。 – 氨基是弱碱,在水溶液中可以获得一个质子,形成铵根离子。 – 氨基可以作为电子供体。 – 用作抗氧化剂。 ②硝基 – 硝基具有很强的吸电子性质。 – 硝基具有强氧化性。 (4)含氮官能团 NO2 NO2 O2N CH3 2,4,6-三硝基甲苯 TNT,第二次世界大战期间的主要炸药。1-81 ③偶氮(—N=N—) ④含氮除草剂 三嗪类 triazine herbicide 双吡啶类 bipyridilium herbicide 阿特拉津 atrazine 敌草快 diquat 目前为止,70%的染料都 是以偶氮结构为基础的。偶 氮染料因可降解产生具有致 癌作用的芳香胺,而被一些 国家禁用。1-82 (5)含硫官能团 在有机分子中,硫具有很多不同的氧化态(-2  +6)。硫原 子周围可以环绕10个电子(如亚砜)甚至12个电子(如砜、磺酸 及其衍生物),这种能力使其能够发生同族元素氧所不能发生的 氧化还原反应。硫与氧之间另外一个重要的区别是硫的电负性 (2.5)比氧要小得多,因此参与形成氢键的能力也弱得多。 在含有氧化态硫原子的官能团中,最重要的是芳香族磺酸基 团。例如,线性烷基苯磺酸盐。作为阴离子表面活性剂,LAS生 产和应用量大,每年大于200万t。而磺酰胺类药物是一大类抗菌 剂。 LAS 磺胺嘧啶药物 磺基脲除草剂 R=C10 C131-83 (6) 含磷官能团 ● 理论上虽然磷也像氮一样具有很多氧化态(-3  +5),但在与环 境相关的化学物质中,磷原子主要以氧化态出现,即+3和+5。 ● 主要用途有:农药、增塑剂、阻燃剂、化学武器、沙林。 O P O O O 三苯基磷酸盐 增塑剂、阻燃剂 S O 马拉硫磷 杀虫剂、杀螨剂 O P O CH2 CH3 NO2CH3CH2POPs :Persistent Organic Pollutants 判定标准 • 高持久性 • 高生物蓄积性 • 高毒性 • 半挥发性 全球迁移 • 在远距离区域对化学品的测定 • 生物有效性 • 社会- 经济和其他因素1-85 首批POPs名单 滴滴涕 DDT 狄氏剂 dieldrin 异狄氏剂 endrin 艾氏剂 aldrin 氯丹 chlordane 七氯 heptachlor 六氯苯 hexachlorobenzene (HCB) 灭蚁灵 mirex 毒杀芬 camphechlor 多氯联苯 polychlorinated biphenyls (PCBs) 二噁英 dioxins 呋喃 furans 2001年《斯德哥尔摩公约》 2005年在我国生效1-86 2009年5月在第四次缔约国大会上又新增9种POPs 林丹(-六氯环己烷) -六氯环己烷 -六氯环己烷 商用五溴联苯醚 商用六溴代二苯 开蓬 Kepone;又名 Chlordecone 中文全称:十氯代八氢-亚甲基-环丁异[c,d]戊搭烯-2-酮 商用八溴联苯醚 五氯苯 PFOS,全氟辛磺酸新型污染物 药物、个人护理品、溴代物、氟代物等新型污染物 PPCPs(Pharmaceutics and Personal Care Products)一、环境污染物的类别 重金属 营养元素 有机污染物 二、环境效应及其影响因素 三、环境污染物在环境各圈的迁移转化 过程简介 第二节 环境污染物二、环境效应及其影响因素 自然过程或人类的生产和生活活动会对环境造成污染 和破坏,从而导致环境系统的结构和功能发生变化,称为 环境效应。 一般按环境变化的性质划分,可分为 环境物理效应 环境化学效应 环境生物效应 由物理作用引起的环境效应,比如噪声、地 面沉降、热岛效应、温室效应等。 在各种环境因素影响下,物质间发生化学反应 产生的环境效应,如酸雨、湖泊和土壤的酸化、 臭氧层破坏、光化学烟雾、地下水污染。 环境因素变化导致生态系统变异而产生的后 果。如大型水利工程可能破坏水生生物的回 游途径并影响它们的繁殖、大量工业废水排 放对水生生物的毒性效应。一、环境污染物的类别 重金属 营养元素 有机污染物 二、环境效应及其影响因素 三、环境污染物在环境各圈的迁移转化 过程简介 第二节 环境污染物三、环境污染物在各圈层的迁移转化过程简介 迁移过程:污染物在环境中所发生的空间位移极其所引 起的富积、分散和消失的过程叫污染物的迁移。 迁移方式: ●机械迁移:运移(富集、分散) ●物理化学迁移: 溶解-沉淀、氧化-还原、水解、配位或螯合、 吸附-解吸等作用实现迁移;有机污染物还可通过化学分解、 光分解和生物分解进行迁移。 ●生物迁移:生物体吸收、代谢、生长、死亡,以及通过食物 链传递产生的放大和积累等作用实现迁移三、环境污染物在各圈层的迁移转化过程简介 转化过程: 污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变存在 形态或转变为另一种物质的过程。 方式: 物理过程: 蒸发、渗透、凝聚、吸附、放射元素蜕变等。 化学过程:氧化-还原、水解、配位或螯合、光化学氧化等。 生物过程:生物体吸收、生物代谢等。 污染物的迁移和转化往往是相伴进行的,而且可超越圈层界限实现 多介质迁移、转化而形成循环。如:汞在环境中的迁移转化汞在环境中的迁移转化过程

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