环境化学重点资料整理戴树桂版上课讲义文档格式.docx
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是指包括一切形式的环境恶化或对生物圈的一切不利影响。
环境污染:
由于人为因素使环境的构成或状态发生变化,导致环境素质下降,从而扰乱和破坏生态系统和人们正常的生活和生产条件。
环境化学是在化学学科的传统理论和方法的基础上发展起来,以化学物质在环境中出现和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。
研究有害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。
环境污染物的迁移转化(15):
迁移过程transportprocesses
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。
转化过程:
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。
第二章:
大气环境化学
第一节大气中污染物的迁移
一、大气的组成
氮(78.09%)、氧(20.95%)、氩(0.9%)、CO2(0.03%)、稀有气体(CH4、SO2、NH3、CO、O3)<
0.1%、水(正常范围1-3%)。
大气固体悬浮物来自:
工业(生活)烟尘;
火山喷尘;
海浪飘逸盐质。
>
10μm称降尘(数小时),<
10μm称飘尘(数年)。
二、大气的温度层结
对流层(troposphere,0km-17km):
空气具有强烈的对流(垂直),集中了大气中90.9%天气现象,污染物排放直接进入对流层。
平流层(stratosphere,17-55km):
气体状态稳定,垂直对流很小,大气透明度高。
中间层(mesosphere,55-85Km):
气温下降达-95℃,垂直运动剧烈,发生光化学反应。
热层(thermspher,500Km)空气密度很小,温度升高到1200℃,电离层。
三、大气污染物的迁移
1.大气污染物
硫化物:
火山喷发:
H2S、SO2等;
土壤厌氧微生物与植物释放:
H2S、(SO2);
陆地上降雨:
SO2、SO42-;
风吹起的海盐:
SO42-;
人为活动。
含氮化合物:
光化学反应、闪电、微生物固化、火山爆发森林失火,人为污染:
燃料燃烧、氮肥、炸药、染料。
含碳化合物:
海洋中生物作用、植物叶绿素的分解、森林中CO2的放出,人为活动:
含碳燃料燃烧不完全(CO)、CO2温室效应
含卤素化合物:
氟氯烃类,破坏臭氧层。
2.影响大气污染物迁移的因素
φ风和大气湍流的影响:
风,湍流,浓度梯度
φ天气形势和地理地势的影响
第二节大气中污染物的转化
一、光化学反应基础
初级过程:
化学物种吸收光量子形成激发态物种,只有电子跃迁才能产生激发态物种。
次级过程:
初级过程中反应物与生成物之间进一步发生的反应。
光化学第一定律:
当激发态分子的能量足够使分子内的化学键断裂,即光子的能量大于化学键时才能引起光离解反应。
其次,为使分子产生有效的光化学反应,光还必须被所作用的分子吸收,即分子对某特定波长的光要有特征吸收光谱,才能产生光化学反应。
光化学第二定律:
光被分子吸收的过程是单光子过程,由于电子激发态分子的寿命<
10-8s,在如此短的时间内,辐射强度比较弱的情况下,只可能单光子过程,再吸收第二个光子的几率很小。
波长大于700nm的光就不能引起光化学离解。
紫外光可以引起氧的光解,N2的光离解限于臭氧层以上,平流层中O3的来源,也是消除O的主要过程。
大气中唯一已知O3的人为来源(公式):
二、大气中重要自由基来源
自由基:
由于在其电子壳层的外层有一个不成对的电子,因而有很高的活性,具有强氧化作用。
凡是有自由基生成或由其诱发的反应叫自由基反应。
(自由基反应一般总是发生在键能最低的化学键处。
)
清洁空气中O3的光离解是大气中HO.的主要来源。
HNO2的光离解是污染大气中HO.的主要来源。
大气中醛的光解尤其是甲醛的光解是HO2.的主要来源。
乙醛和丙酮的光解,生成大气中含量最多的甲基,同时生成两个羰基自由基。
O.和HO.与烃类发生H摘除反应生成烷基自由基。
甲基亚硝酸脂和甲基硝酸脂的光解产生甲氧基。
烷基与空气中的氧结合形成过氧烷基。
三、氮氧化物的转化
1.NO和NO2的基本光化学循环
NOX的人为来源主要是矿物燃料的燃烧、汽车尾气和固定的排放源等。
由于OH基自由基引发一系列烷烃的链反应,得到RO2、HO2等,使得NO迅速氧化成NO2,同时O3得到积累,以致成为光化学烟雾的重要产物。
四、碳氢化合物的转化
甲烷是一种重要的温室气体(CO2CH4N2OCFCsCOCCl4),大气中含量最高的碳氢化合物,占大气碳化合物排放量的80%以上,并且是唯一能由天然源排放造成大浓度的气体。
大气中甲烷主要来源于有机物的厌氧发酵过程。
萜类来自于植物生长过程向大气释放。
CH4不断消耗O3也是导致臭氧层损耗的原因之一。
五、光化学烟雾
1.光化学烟雾的形成(课件10)
大气中碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOX)等一次污染物在阳光照射下,发生光化学反应产生二次污染物,这种由参加反应的一、二次污染物的混合物(包括气体污染物和气溶胶)形成的烟雾污染现象,称为光化学烟雾。
特征:
蓝色烟雾,强氧化性,具有强刺激性,使大气能见度降低,在白天生成傍晚消失,高峰在中午。
形成条件:
大气中有氮氧化合物和碳氢化合物存在,大气湿度较低,有强阳光照射。
光化学烟雾形成的简单机制:
(95反应式)
光化学烟雾形成反应是一个链反应,链的引发主要是NO2的光解。
自由基的引发主要由NO2和醛的光解引起。
自由基传递碳氢化合物的存在是自由基转化和增殖的根本原因。
光化学烟雾的控制对策:
控制反应活性高的有机物的排放;
控制臭氧的浓度。
六、硫氧化物的转化及硫酸烟雾型污染
含硫矿物燃料燃烧过程中直接排入大气中的主要是二氧化硫,天然来源主要是火山喷发。
激发态的SO2主要以三重态存在。
硫酸烟雾型污染:
由于煤燃烧而排放出来的SO2、颗粒物以及由SO2氧化所形成的硫酸盐颗粒物所造成的大气污染现象。
硫酸烟雾型污染属于还原性混合物,称还原性烟雾。
特点:
发生在冬季,气温低,湿度高,日光弱。
52年12月伦敦烟雾。
七、酸性降水
酸性降水是指通过降水将大气中的酸性物质迁移到地面的过程,最常见的就是酸雨,称湿沉降。
(雨水的pH值约为5.6).
降水离子组成对环境影响最大的是:
SO42-、NO3-、Cl-、NH4+、Ca2+、H+.
酸雨的形成:
燃料燃烧产生的SO42-、NOx以及工业加工和矿石冶炼中产生的SO2等转化而成。
其中起主要作用的是SO42-,其次是NO3-和CI-,我国的酸雨主要是硫酸型的。
CaO、CaCO3、NH3是酸性降水的具有“缓冲作用”的物质.
影响酸雨形成的因素:
酸性污染物的排放(在有适宜的转化条件下)
大气中的NH3:
大气中的NH3与H2SO4气溶胶形成中性的NH4HSO4,它降低了雨水的酸度,从而抑制了酸雨的形成。
颗粒物的酸度及其缓冲能力:
金属催化SO2氧化;
酸性物贡献酸雨;
碱性物中和酸起缓冲作用。
八、大气颗粒物
空气动力学直径:
指在通常温度压力和相对湿度下,在静止的空气中,与实际颗粒物具有相同重力末速度的密度为1g/cm3的球体直径。
大气颗粒物的分类:
总悬浮颗粒物(TotalSuspendedParticulates):
是指在一定体积中,被空气悬浮的全部颗粒物,用单位体积中的颗粒物总质量来表示。
粒径多在100µ
m以下,特别是10µ
m以下的微粒。
降尘颗粒10(30)-1000µ
m
飘尘难以降沉
可吸入颗粒物(InhalabteParticulatesIP)Dp<
10µ
m指TSP中能用口鼻吸入的颗粒物,气象报告中用PM10表示。
大气颗粒物的化学组成:
无机颗粒物:
细粒子:
硫酸盐、硝酸盐等,多为二次污染物。
有机颗粒物(来自燃料燃烧、废弃物焚化)
九.温室气体和温室效应
温室效应:
大气中温室气体吸收了地面辐射出来的红外光,把能量截留于大气中,从而使大气温度升高,这种现象称为温室效应。
温室气体:
二氧化碳、甲烷、一氧化碳、二氯乙烷、臭氧、四氯化碳和氟氯烃CFC-11,CFC-12。
十.臭氧层的形成与耗损
臭氧层形成与耗损的化学反应:
平流层O2光解,臭氧层形成:
臭氧的消耗:
第三章:
水环境化学
第一节
天然水的水质标准
物理性质指标:
温度、嗅味、色度、浊度、悬浮物、电导率、pH值、氧化还原电位。
化学性质指标(I):
酸度、碱度、硬度(钙镁浓度)、重金属
化学性质指标(II):
溶解氧(DO)、化学需氧量(COD):
氧化水中有机物(或其它还原性物质)所需化学氧化剂的量,以氧的mg/L计。
重铬酸钾(CODCr),主要测定污染水体;
高锰酸钾(CODMn),主要测定清洁水体或饮用水中的还原性物质,现常称作高锰酸钾指数。
生物需氧量(BOD):
一定条件下水中有机物被微生物所氧化,在一定期间内所消耗的溶解氧的量单位mg/L,BOD5称五日生物耗氧量。
总需氧量(TOC):
水中有机物完全氧化所需氧的量(燃烧法)。
无机碳和有机碳、三氮、有机污染物。
生物性质指标:
水中总大肠杆菌群,指能在35℃,48h内发酵乳糖、产酸产气的、需氧的及兼性厌氧的革兰氏阴性的无芽孢杆菌。
第二节天然水的组成和基本特征
总含盐量(TDS):
亨利定理:
气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压。
利定律并不能说明进一步的化学反应。
溶解度8.32mg.L-1(DO)。
富营养化:
在高生产率的水体中藻类生产旺盛,死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低,这就是水体的富营养化。
水中的CO2的增多可引起过量藻类的生长,因此CO2常常是一个限制因素。
二、天然水的性质
1.碳酸平衡(公式):
封闭体系,CT不变,其余各浓度变化。
开放体系:
CO2在气液相之间的平衡[H2CO3*]不变。
天然水中的碱度和酸度:
碱度alkalinity:
接受质子的总物质的量,包括强碱、弱碱及强碱弱酸盐。
总碱度=
酚酞碱度=
酸度Acidity:
总酸度=
CO2酸度=
无机酸度=
3.天然水体的缓冲能力
公式:
优先污染物:
也叫优控污染物,由于化学污染物种类繁多,世界各国都筛选出了一些毒性强、难降解、残留时间长、在环境中分布广的污染物优先进行研究和控制,称为优先污染物。
第二节
水中无机污染物的迁移转化
1水中颗粒物:
矿物微粒:
主要指硅酸盐矿物。
黏土矿物:
主要是铝镁的硅酸盐,由其他矿物经化学风化而成,具有晶体层状结构、有粘性、具有胶体性质,可以生成稳定的聚集体。
金属水合氧化物:
在天然水体中以无