环境化学第一章绪论.pptx

第一节第一节 环境化学环境化学1.1.什么是环境化学什么是环境化学2.2.环境化学发展动向环境化学发展动向第1页/共37页1.1.什么是环境化学什么是环境化学(1)环境化学是在化学科学的传统理论和方法基础上发展起来的，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新型学科。(2)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。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。第2页/共37页1.1.什么是环境化学什么是环境化学(3)研究内容：有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态；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。(4)研究特点：从微观的原子、分子水平上研究宏观的环境现象与变化的化学机制及其防治途径。(5)核心：研究化学污染物在环境中的化学转化和效应。第3页/共37页第二节第二节 环境污染物环境污染物环境化学研究的对象：环境污染物H+、Na+、K+、Be2+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Al3+、Cr3+、Fe3+、As3+第4页/共37页第二节第二节 环境污染物环境污染物环境化学研究的对象：环境污染物环境化学研究的对象：环境污染物H+、Na+、K+、Be2+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Al3+、Cr3+、Fe3+、As3+第5页/共37页一、环境中的重金属主要是汞、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。第6页/共37页1.Lewis软硬酸碱理论（HSAB）半径小、电荷高或者较高的电负性、可极化度小：硬；离子化半径大、电荷小或者较小的电负性、可极化度大：软；共价键u路易斯硬酸：H+、Na+、K+、Be2+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Al3+、Cr3+、Fe3+、As3+uIntermediate：Co2+、Fe2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Pb2+u路易斯软酸：Cu+、Ag+、Hg22+、Pd2+、Cd2+、Pt2+、Hg2+、CH3Hg+u路易斯硬碱：H2O、OH-、F-、Cl-、PO43-、SO42-、CO32-、O2-uIntermediate：Br-、NO2-、SO32-u路易斯软碱：SH-、S2-、RS-、CN-、SCN-、CO、R2S、RSH、RS-第7页/共37页2.形态 speciation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、有机硒第8页/共37页第9页/共37页铝是人们家用餐具的材料，而铝离子能穿过血脑屏障而进入人的大脑组织，会引起痴呆等严重后果；铜、铅、锌离子态的毒性都远远大于络合态，而且络合物愈稳定，其毒性愈低；金属有机态的毒性往往大于无机态的毒性。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。价态不同，其络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）。形态研究的意义形态研究的意义第10页/共37页第11页/共37页3.非降解性重金属污染修复：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、价态转化第12页/共37页电动力学修复技术原理电泳指土壤中带电胶体粒子的相对于稳定液体的迁移运动。电迁移指带电离子在土壤溶液中朝带相反电荷电极的运动;+电渗析流指土壤颗粒表面及微孔中的液体(一般带正电）在电场作用下的移动;第13页/共37页二 有机污染物碳、氢、氧、氮、硫、磷和卤素原子如氟、氯、溴、碘等组成内层电荷内层电荷+1+4+5+6+7内层体积增大内层体积增大H 2.2CNOF2.53.03.54.0PSCl2.22.53.0Br2.8I2.5（一）基本特性1电负性第14页/共37页2 成键单键：饱和键双键、三键：不饱和键离域键：芳香结构氢键3 立体异构与构象手性异构体非手性异构构象：椅式异构、船式异构第15页/共37页（二）环境有机化合物的分类1 碳氢化合物BTEX（代表苯benzene、甲苯toluene、乙基苯ethyl-benzene和三个二甲苯的异构体xylene）ortho 邻 meso 间 para 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。多环芳烃（poly-cyclic aromatic hydrocarbon，PAH）多环芳烃类污染物在环境中的主要来源包括化石燃烧（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。第16页/共37页第17页/共37页F（fluorine）氟 Cl（chlorine）氯 Br（bromine）溴 I（iodine）碘PCB（poly chlorinated biphenyl）多氯联苯，有209个同系物（congener）。PCT（poly chlorinated terphenyl）多氯三联苯，有8149个同类物 2 有机卤化合物（organic halogen）第18页/共37页第19页/共37页迄今为止，PCBs和PCTs的产量超过100万吨，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。PCBs和PCTs以及其他多氯有机物（如传统的农药DDT，HCB，HCH等）在世界各地、大洋的底部乃至北极的冰雪中都可以检出，说明这类物质具有很强的远距离迁移能力。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，三卤甲烷化合物（THMs）就是这些氯代污染物中比较重要的一类，其中包括CHCl3、CHBrCl2、CHBr2Cl及CHBr3等。第20页/共37页在天然和人工合成化学物质中存在的杂原子中，氧具有非常独特的地位，因为氧原子是很多重要官能团的组成部分。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。这些官能团对化合物的理化性质和反应性具有重要影响。3 含氧官能团第21页/共37页 醇和醚官能团 最简单的含氧官能团是氧原子分别与碳原子和氢原子形成单键或氧原子与两个碳原子分别形成单键。前者形成羟基或醇官能团（ROH），后者为醚官能团（R1OR2）。性质：形成氢键。ROH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。第22页/共37页 醛酮基团醛和酮很适合用做各种溶剂（例如甲醛、丙酮等）。这些基团的反应性很强。羧基 羧酸基团既是很强的H受体，也是很强的H供体 羧酸基团的存在将显著提高化合物的水溶解度。第23页/共37页 羧酸酯基团如果将羧酸基团中的羟基用OR基团代替，则可以得到羧酸酯基团。由于缺少羟基，酯基只能作为H受体，因此酯基对化合物水溶解度的影响要比相应的羧酸基团小。邻苯二甲酸酯类物质主要用作增塑剂，其在全球的年产量超过100万吨。在一些情况下，真正具有生物活性的物质是“游离的”羧酸，可以根据需要将酯类物质设计成具有完全不同的理化性质，通过酯基在靶位上的缓慢水解来持续地提供活性物质。第24页/共37页 胺基胺基会参与氢键的形成（大多数情况下为H-受体，只有伯胺和仲胺可以作为H-供体）。胺基是弱碱，在水溶液中可以获得一个质子，形成铵阳离子。胺基可以作为电子供体。用作抗氧化剂。硝基硝基具有很强的吸电子性质。硝基具有强氧化性。(3)偶氮类(4)三嗪类(5)季铵盐4 含氮官能团第25页/共37页5 含硫官能团在有机分子中硫具有很多不同的氧化态（从-2到+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（LAS）。LAS生产和应用量大，每年大于二百万吨。R=C10C13 线性烷基苯磺酸盐(LAS)(表面活性剂)第26页/共37页6 含磷官能团理论上虽然磷也像氮一样具有很多氧化态（从-3到+5），但在与环境相关的化学物质中，磷原子主要以氧化的形态出现，即+3和+5。例如：农药、增塑剂、阻火剂、化学武器，沙林。7 Emerging chemicals 溴取代、氟取代、个人护理品、个人保健品、药物等新型污染物第27页/共37页三、三、POPsPOPs 是Persistent Organic Pollutants 的缩写,中文就是“持久性有机污染物”。具体定义,是指那些难以通过物理、化学或生物途径降解的有害化学品。此类化学品所具有的持久性,反映了物质难以降解的特性,也就是说这类化学品通过大气、土壤、水等介质难于降解,在环境中容易保留下来。我们用物质在介质中的半衰期表示持久性。也正是具有持久性这种特性,使得这些化学品得以通过空气、水或其他方式被转移到四面八方,转移到那些从未使用过这些化学品的远距离地区。另外,由于这类化学品容易生物蓄积,使得它们可能浓缩在处于生物链上层的生物的活组织中,对人体和野生生物的生命和健康造成危险。调查结果表明,POPs 可能导致内分泌、生殖和免疫机能失调、神经行为和发育紊乱、甚至引发癌症。第28页/共37页判定标准判定标准持久性 生物蓄积性 毒性 挥发性 在远距离区域对化学品的测定 生物可获得性 社会-经济和其他因素 第29页/共37页POPs名单名单滴滴涕 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)k二恶英 dioxindsl呋喃 furans20012001年斯德哥尔摩公约年斯德哥尔摩公约20052005年在我国生效年在我国生效第30页/共37页四、环境内分泌干扰物第31页/共37页第32页/共37页第三节第三节 环境各圈及环境污染物在的环境各圈及环境污染物在的迁移转化过程迁移转化过程迁移(transport)转化(transformation)对于有机污染物：水解微生物降解氧化还原光降解电离热层中间层平流层对流层：自由基，迁移、颗粒物室内空气污染第33页/共37页干湿沉降挥发工业及生活污水生物富集食物链吸附/解吸沉降再悬浮悬浮颗粒物胶体DOC流失吸附第34页/共37页土 壤土 壤NAPL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含水层地下含水层第35页/共37页EEE土壤不均一系统土壤不均一系统第36页/共37页感谢您的观看。感谢您的观看。第37页/共37页