环境工程化学基础.ppt

2004年深圳研究生院环境工程概论年深圳研究生院环境工程概论 籍国东籍国东北京大学环境工程系北京大学环境工程系20042004年年0303月月2121日日环境工程化学基础环境工程化学基础 籍国东（籍国东（1973），男，），男，2002年毕业于中国科学年毕业于中国科学院应用生态研究所，获中国科学院研究生院理学博士院应用生态研究所，获中国科学院研究生院理学博士学位，导师孙铁珩院士。现为北京大学环境工程系博学位，导师孙铁珩院士。现为北京大学环境工程系博士后，讲师，主要从事油田废水深度处理、石油污染士后，讲师，主要从事油田废水深度处理、石油污染土壤修复、有机污染化学，以及生物与生态耦合技术土壤修复、有机污染化学，以及生物与生态耦合技术处理特种废水等方面的研究。处理特种废水等方面的研究。主讲课程：研究生必选课程主讲课程：研究生必选课程 水处理技术与理论水处理技术与理论 已公开国家专利已公开国家专利2项，参编专著项，参编专著1部，在国内外重部，在国内外重要学术期刊上发表论文近要学术期刊上发表论文近30篇，其中篇，其中SCI收录收录4篇，篇，EI收录收录4篇，这些文章已被引用篇，这些文章已被引用60余次，其中余次，其中SCI收录文收录文章被其他作者的引用频次为章被其他作者的引用频次为23次。现主持中国博士后次。现主持中国博士后科学基金项目科学基金项目1项，完成中国科学院研究生科学创新项项，完成中国科学院研究生科学创新项目目2项（其中项（其中1项获得优秀奖），获学会论文一等奖项获得优秀奖），获学会论文一等奖1项。项。1995年以来，作为主要参加人先后参加了国家自然科年以来，作为主要参加人先后参加了国家自然科学基金项目、中国科学院重大项目、国家学基金项目、中国科学院重大项目、国家“九五九五”攻攻关项目和霍英东教育基金项目等国家和省部级项目关项目和霍英东教育基金项目等国家和省部级项目10余项。博士论文获得余项。博士论文获得2002年度中国科学院院长优秀奖。年度中国科学院院长优秀奖。环境工程概论环境工程概论概论概论水动力学基础水动力学基础环境工程化学基础（环境污染化学、污染控制化学）环境工程化学基础（环境污染化学、污染控制化学）环境工程化学基础（环境污染化学、污染控制化学）环境工程化学基础（环境污染化学、污染控制化学）环境微生物学基础（环境工程微生物学）环境微生物学基础（环境工程微生物学）环境微生物学基础（环境工程微生物学）环境微生物学基础（环境工程微生物学）水质管理水质管理水处理技术（水处理技术（1 1）水处理技术（水处理技术（2 2）废水处理技术（废水处理技术（1 1）废水处理技术（废水处理技术（2 2）废水处理技术（废水处理技术（3 3）污泥处理与资源化技术污泥处理与资源化技术污泥处理与资源化技术污泥处理与资源化技术固体废物管理固体废物管理固体废物处理处置技术固体废物处理处置技术固体废物资源化技术固体废物资源化技术危险固体废物处理处置与管理危险固体废物处理处置与管理土壤污染与修复（生物修复）土壤污染与修复（生物修复）土壤污染与修复（生物修复）土壤污染与修复（生物修复）大气污染与防治（大气污染控制工程）大气污染与防治（大气污染控制工程）大气污染与防治（大气污染控制工程）大气污染与防治（大气污染控制工程）噪声、振动、辐射与其它公害防治技术噪声、振动、辐射与其它公害防治技术噪声、振动、辐射与其它公害防治技术噪声、振动、辐射与其它公害防治技术环境科学与工程学科体系环境科学与工程学科体系环境科学与工程环境科学与工程环境地学环境化学环境生物环境物理环境工程环境医学环境管理环境法学环境经济规划评价环境化学环境化学环境污染化学污染控制化学环境分析化学环境生态化学环境生物环境生物环境微生物学环境生态学生物保护科学环境工程环境工程水污染控制大气污染控制土壤污染修复固废处理处置噪声污染防治放射性热污染等环境工程化学基础环境工程化学基础环境污染化学环境污染化学污染控制化学污染控制化学环境分析化学环境分析化学环境生态化学环境生态化学环境工程化学基础环境工程化学基础1 概述2 大气环境化学3 水环境化学4 土壤环境化学5 多介质环境化学内容提要内容提要 主要简介环境化学在环境科学与工程学科体系中和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。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。从七八百年前人类开始用煤产生的空气污染，发展到当代面向21世纪多方面的全球环境问题，无不与化学科学密切相关。所以，如何阐明这些危害人类的环境问题的化学机制并为解决这些问题提供科学依据已成为化学科学工作者的一个重要职责。环境科学与化学学科交叉形成的环境化学学科在这方面具有特殊的使命。t1 概述概述 在近现代工农业发展和科技进步过程中在近现代工农业发展和科技进步过程中“化学化学”为为人类提供了品种繁多、琳琅满目的生产和生活用品，化学人类提供了品种繁多、琳琅满目的生产和生活用品，化学科学和化学工业为现代社会做出了重要贡献。然而与此同科学和化学工业为现代社会做出了重要贡献。然而与此同时，大量的有害化学物质进入地球的各个圈层后，大大降时，大量的有害化学物质进入地球的各个圈层后，大大降低了环境质量，直接或间接地损害人类的健康，影响生物低了环境质量，直接或间接地损害人类的健康，影响生物的繁衍和生态的平衡。在解决复杂而综合的环境问题中，的繁衍和生态的平衡。在解决复杂而综合的环境问题中，往往需要多学科协作对它进行系统深入的研究。由于大量往往需要多学科协作对它进行系统深入的研究。由于大量环境问题与化学物质直接相关，因此，环境化学在掌握污环境问题与化学物质直接相关，因此，环境化学在掌握污染来源，消除和控制污染，确定环境保护决策，以及为环染来源，消除和控制污染，确定环境保护决策，以及为环境技术提供科学依据等诸多方面都起着重要的作用。境技术提供科学依据等诸多方面都起着重要的作用。1.1 1.1 环境化学的研究内容、任务和发展趋势环境化学的研究内容、任务和发展趋势1.2 1.2 环境污染物环境污染物1.1 环境化学的研究内容和任务环境化学的研究内容和任务 环境污染环境污染环境污染环境污染 由于人为因素使环境的构成或状态发生变化，环境质量由于人为因素使环境的构成或状态发生变化，环境质量下降，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。条件，就叫做环境污染。具体说，环境污染是指有害物质对具体说，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，生大气、水质、土壤和动植物的污染，并达到致害的程度，生物界的生态系统遭到不适当的干扰和破坏，不可再生资源被物界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的和生物的三方面，其中因化学物质引起的约占8080一一9090.环境化学环境化学 环境化学是在化学科学的传统理论和方法基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，以化学物质在础上发展起来的，以化学物质在环境介质环境介质中出现而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。环境化学是一门研究有害化学标的一门新兴学科。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。它既是环境科及其控制的化学原理和方法的科学。它既是环境科学与工程学科的核心组成部分，也是化学科学的一学与工程学科的核心组成部分，也是化学科学的一个新的重要分支。个新的重要分支。由大气、水和土壤各圈层的自然环境和以生物为由大气、水和土壤各圈层的自然环境和以生物为由大气、水和土壤各圈层的自然环境和以生物为由大气、水和土壤各圈层的自然环境和以生物为代表的生态环境组成地球环境系统。包括自然界产生代表的生态环境组成地球环境系统。包括自然界产生代表的生态环境组成地球环境系统。包括自然界产生代表的生态环境组成地球环境系统。包括自然界产生的和人类活动排放的各种化学物质形成的的和人类活动排放的各种化学物质形成的的和人类活动排放的各种化学物质形成的的和人类活动排放的各种化学物质形成的“化学圈化学圈化学圈化学圈”(”(Chemosphere)Chemosphere)，覆盖于地球环境系统之上，见图覆盖于地球环境系统之上，见图覆盖于地球环境系统之上，见图覆盖于地球环境系统之上，见图1-1-1 1。化学物质进入各环境介质后通过迁移、转化，除在。化学物质进入各环境介质后通过迁移、转化，除在。化学物质进入各环境介质后通过迁移、转化，除在。化学物质进入各环境介质后通过迁移、转化，除在各个介质中表现出其特有的环境化学行为和化学效应各个介质中表现出其特有的环境化学行为和化学效应各个介质中表现出其特有的环境化学行为和化学效应各个介质中表现出其特有的环境化学行为和化学效应外，还把不同介质有机联系起来。外，还把不同介质有机联系起来。外，还把不同介质有机联系起来。外，还把不同介质有机联系起来。图1-1 地球环境中各环境介质与化学圈之间的关系1 生物圈 2 大气圈3 水 圈 4 土壤圈5 化学圈 6 环境介质交界面156423环境化学研究内容环境化学研究内容 环境化学研究的内容主要涉及：有害物质在环境化学研究的内容主要涉及：有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态；潜在有害物质环境介质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。响的缓解和消除以及防止产生危害的方法和途径。环境化学的研究领域和分支学科如表环境化学的研究领域和分支学科如表1-11-1所示。所示。表表1-1 环境化学分支学科划分环境化学分支学科划分研究领域研究领域分支学科分支学科环境分析化学环境分析化学环境有机分析化学环境有机分析化学环境无机分析化学环境无机分析化学环境污染化学环境污染化学环境生态化学环境生态化学环境生态化学环境生态化学大气环境化学大气环境化学水环境化学水环境化学土壤环境化学土壤环境化学大气污染控制化学大气污染控制化学水污染控制化学水污染控制化学固体废弃物污染控制化学固体废弃物污染控制化学污染控制化学污染控制化学 环境化学的研究任务环境化学的研究任务 从学科研究任务说，环境化学的特点是从微观从学科研究任务说，环境化学的特点是从微观的原子、分子水平上，来研究宏观的环境现象与变的原子、分子水平上，来研究宏观的环境现象与变化的化学机制及其防治途径，其化的化学机制及其防治途径，其核心是研究化学污核心是研究化学污染物在环境中的化学转化和效应染物在环境中的化学转化和效应。与基础化学研究。与基础化学研究的方式方法不同，环境化学所研究的环境本身是一的方式方法不同，环境化学所研究的环境本身是一个多因素的开放性体系，变量多、条件较复环境个多因素的开放性体系，变量多、条件较复环境样品一般组成比较复杂，化学污染物在环境介质中样品一般组成比较复杂，化学污染物在环境介质中还会发生存在形态的变化。它们分布广泛，迁移转还会发生存在形态的变化。它们分布广泛，迁移转化快，在不同的时空条件下有明显的动态变化。化快，在不同的时空条件下有明显的动态变化。环境化学的发展动向环境化学的发展动向 目前，国际上较为重视元素目前，国际上较为重视元素(尤其是碳、氮、硫、尤其是碳、氮、硫、磷磷)的生物地球化学循环及其相互耦合的研究；重视化学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；重视持久性污染的环境行为与生态效应品安全评价；重视持久性污染的环境行为与生态效应;重重视臭氧层破坏、气候变暖等全球变化问题。最近，美国视臭氧层破坏、气候变暖等全球变化问题。最近，美国环境化学家提出环境化学家提出“为为2121世纪环境而设计世纪环境而设计”的响亮口导，的响亮口导，号召支持开展以创造无污染生产过程为目的的环境良性号召支持开展以创造无污染生产过程为目的的环境良性化学化学(Environmen-tally Beni8n chemistry)Environmen-tally Beni8n chemistry)研究。当前，研究。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：我国优先考虑的环境问题中与环境化学密切相关的是：以重金属和持久性有机物污染为主的水质和土壤污染；以重金属和持久性有机物污染为主的水质和土壤污染；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、水和土壤的污染等。毒有害废弃物和城市垃圾对大气、水和土壤的污染等。重点是防治环境污染和保护自然生态。重点是防治环境污染和保护自然生态。(1)环境分析化学环境分析化学 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。所以，研究污染物形态、结构和在环境中的存在状态。所以，研究污染物形态、价态和结构分析方法是环境化学的一个重要发展方向。价态和结构分析方法是环境化学的一个重要发展方向。在环境有机分析方面，在环境有机分析方面，2020世纪世纪8080年代出现了环境样品年代出现了环境样品前处理的先进技术，如超临界流体萃取法和固相萃取前处理的先进技术，如超临界流体萃取法和固相萃取法。而优先监测污染物的筛选一直受到各国的重视。法。而优先监测污染物的筛选一直受到各国的重视。目前，有机污染物分析测试方法研究的重要对象包括目前，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活性剂，砷、汞、锡等金属有机化合物也是主要的研究对象。究对象。GC/MSGC/MS、LC/MSLC/MS等联用仪器技术和连续自动等联用仪器技术和连续自动分析同样是热门课题。分析同样是热门课题。(2)环境污染化学环境污染化学 本分支学科研究化学污染物在大气、水体和土壤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。研究对象已扩展到过去认为无害的化学和生态效应。研究对象已扩展到过去认为无害的化学物质，如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体，含物质，如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体，含氯氟烃等耗损臭氧层的物质，以及营养物等。氯氟烃等耗损臭氧层的物质，以及营养物等。在大气环境化学方面，研究对象涉及大气颗粒物、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、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。面侧重于光化学烟雾和酸雨。土壤环境化学主要研究农用化学品在土壤环境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。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，污染物在固的释放，污染物在固液界面上的化学过程、生物液界面上的化学过程、生物有效性等。有效性等。(3)环境生态化学环境生态化学 环境生态化学是研究化学污染物在生态系统中环境生态化学是研究化学污染物在生态系统中产生效应的化学过程。当前侧重于定量结构一活性产生效应的化学过程。当前侧重于定量结构一活性关系关系(Quantitative Structure and Activitv Quantitative Structure and Activitv RelationshipRelationship，QSAR)QSAR)，以及以及QSPRQSPR、QSBRQSBR研究，并研究，并以此为基础对污染物的环境行为和它们的生态效应以此为基础对污染物的环境行为和它们的生态效应进行预测。进行预测。(4)污染控制化学污染控制化学 研究控制污染的化学机制和工艺技术中的基础性化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。过去主要围绕终端污染控制模式进行污染控学问题。过去主要围绕终端污染控制模式进行污染控制化学研究，它对发展控制污染技术和治理环境污染制化学研究，它对发展控制污染技术和治理环境污染产生了积极的作用。但这种模式只能减少污染物排放产生了积极的作用。但这种模式只能减少污染物排放而不能阻止它的发生。而不能阻止它的发生。2020世纪世纪8080年代中期以来人们对年代中期以来人们对污染预防污染预防(pollution Prevention)pollution Prevention)和清洁生产和清洁生产(Cleaner Cleaner Production)Production)的认识逐步提高，开始以污染的全过程控的认识逐步提高，开始以污染的全过程控制模式逐步代替终端污染控制模式。所谓全过程控制制模式逐步代替终端污染控制模式。所谓全过程控制模式是通过改变产品设计和生产工艺路线使其不生成模式是通过改变产品设计和生产工艺路线使其不生成有害的中间产物和副产品，实现废物或排放物的内部有害的中间产物和副产品，实现废物或排放物的内部再循环，达到污染最小量化并节约资源和能源的目的。再循环，达到污染最小量化并节约资源和能源的目的。1.2 环境污染物环境污染物 进入环境后使环境的正常组成和性质发生直进入环境后使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害于人类的变化的物质称为环境污染物。接或间接有害于人类的变化的物质称为环境污染物。环境污染物是环境化学的研究对象。环境污染物是环境化学的研究对象。环境污染物的类别环境污染物的类别 环境污染物按受污染物影响的环境要素可分为环境污染物按受污染物影响的环境要素可分为大气污染物、水体污染物、土壤污染物等；按污染大气污染物、水体污染物、土壤污染物等；按污染物的形态可分为气态污染物、液态污染物和固体废物的形态可分为气态污染物、液态污染物和固体废物；按污染物的性质可分为化学污染物、物理污染物；按污染物的性质可分为化学污染物、物理污染物和生物污染物。物和生物污染物。主要化学污染物主要化学污染物主要化学污染物主要化学污染物对环境产生危害的主要化学污染物概括可分为九类：对环境产生危害的主要化学污染物概括可分为九类：对环境产生危害的主要化学污染物概括可分为九类：对环境产生危害的主要化学污染物概括可分为九类：(1)(1)元素：元素：元素：元素：如铅、铜、铬、汞、砷等重金属和淮金属、如铅、铜、铬、汞、砷等重金属和淮金属、如铅、铜、铬、汞、砷等重金属和淮金属、如铅、铜、铬、汞、砷等重金属和淮金属、卤素、氧卤素、氧卤素、氧卤素、氧(臭氧臭氧臭氧臭氧)、磷等。、磷等。、磷等。、磷等。(2)(2)无机物：无机物：无机物：无机物：如氰化物、一氧化碳、氮氧化物、卤化如氰化物、一氧化碳、氮氧化物、卤化如氰化物、一氧化碳、氮氧化物、卤化如氰化物、一氧化碳、氮氧化物、卤化 氢、卤间化合物氢、卤间化合物氢、卤间化合物氢、卤间化合物(如如如如ClFClF、BrFBrF3 3、IFIF5 5、BrCl BrCl、IBrIBr3 3等等等等)、卤氧化物、卤氧化物、卤氧化物、卤氧化物(ClOClO2 2)、次氯次氯次氯次氯 酸及其盐、硅的无机化合物酸及其盐、硅的无机化合物酸及其盐、硅的无机化合物酸及其盐、硅的无机化合物(如石棉如石棉如石棉如石棉)、无机磷化合物无机磷化合物无机磷化合物无机磷化合物(如如如如PHPH3 3、PXPX3 3；PXPX5 5)、硫硫硫硫 的无机化合物的无机化合物的无机化合物的无机化合物(如如如如HH2 2S S、SOSO2 2、HH2 2SOSO4 4)等。等。等。等。(3)(3)有机化合物和烃类有机化合物和烃类有机化合物和烃类有机化合物和烃类:包括烷烃、环烷烃、不饱包括烷烃、环烷烃、不饱包括烷烃、环烷烃、不饱包括烷烃、环烷烃、不饱 和烃、芳烃、多环芳烃和烃、芳烃、多环芳烃和烃、芳烃、多环芳烃和烃、芳烃、多环芳烃(PAHs)PAHs)等。等。等。等。(4)(4)金属有机和准金属有机化合物：金属有机和准金属有机化合物：金属有机和准金属有机化合物：金属有机和准金属有机化合物：如四乙基铅、碳基如四乙基铅、碳基如四乙基铅、碳基如四乙基铅、碳基 镍、二苯铅、三丁基锡、单甲基或二甲基砷酸、镍、二苯铅、三丁基锡、单甲基或二甲基砷酸、镍、二苯铅、三丁基锡、单甲基或二甲基砷酸、镍、二苯铅、三丁基锡、单甲基或二甲基砷酸、三苯基锡等。三苯基锡等。三苯基锡等。三苯基锡等。(5)(5)含氧有机化合物：含氧有机化合物：含氧有机化合物：含氧有机化合物：包括环氧乙烷、醚、醇、酮、醛、包括环氧乙烷、醚、醇、酮、醛、包括环氧乙烷、醚、醇、酮、醛、包括环氧乙烷、醚、醇、酮、醛、有机酸、酯、酐、酚类化合物等。有机酸、酯、酐、酚类化合物等。有机酸、酯、酐、酚类化合物等。有机酸、酯、酐、酚类化合物等。(6)(6)有机氮化合物：有机氮化合物：有机氮化合物：有机氮化合物：如胺、氰、硝基甲烷、硝基苯、三硝如胺、氰、硝基甲烷、硝基苯、三硝如胺、氰、硝基甲烷、硝基苯、三硝如胺、氰、硝基甲烷、硝基苯、三硝 基甲苯基甲苯基甲苯基甲苯(TNT)TNT)、亚硝胺等亚硝胺等亚硝胺等亚硝胺等。(7)(7)有机卤化物：有机卤化物：有机卤化物：有机卤化物：如脂肪基和烯烃的卤化物如脂肪基和烯烃的卤化物如脂肪基和烯烃的卤化物如脂肪基和烯烃的卤化物(氯乙烯氯乙烯氯乙烯氯乙烯)、芳、芳、芳、芳 香族卤化物、氯代苯酚、香族卤化物、氯代苯酚、香族卤化物、氯代苯酚、香族卤化物、氯代苯酚、PCBsPCBs、乃至二恶英。乃至二恶英。乃至二恶英。乃至二恶英。(8)(8)有机硫化合物：有机硫化合物：有机硫化合物：有机硫化合物：如烷基硫化物、硫醇、巯基甲烷、二如烷基硫化物、硫醇、巯基甲烷、二如烷基硫化物、硫醇、巯基甲烷、二如烷基硫化物、硫醇、巯基甲烷、二 甲砜、硫酸二甲酯等。甲砜、硫酸二甲酯等。甲砜、硫酸二甲酯等。甲砜、硫酸二甲酯等。(9)(9)有机磷化合物：有机磷化合物：有机磷化合物：有机磷化合物：主要是磷酸酯类化合物主要是磷酸酯类化合物主要是磷酸酯类化合物主要是磷酸酯类化合物(如磷酸三甲如磷酸三甲如磷酸三甲如磷酸三甲 酯酯酯酯)、有机磷农药、有机磷军用毒气等。、有机磷农药、有机磷军用毒气等。、有机磷农药、有机磷军用毒气等。、有机磷农药、有机磷军用毒气等。环境效应及其影响因素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，谓之环境破坏，从而导致环境系统的结构和功能发生变化，谓之环境效应，可分为自然环境效应和人为环境效应。如按环境变化效应，可分为自然环境效应和人为环境效应。如按环境变化的性质划分，也可分为环境物理效应、的性质划分，也可分为环境物理效应、环境化学效应环境化学效应和环境和环境生物效应。生物效应。（1）环境物理效应）环境物理效应 由物理作用引起的，比如噪声、地面沉降、热岛效应、由物理作用引起的，比如噪声、地面沉降、热岛效应、温室效应等。因燃料的燃烧而放出大量热量，再加街道和建温室效应等。因燃料的燃烧而放出大量热量，再加街道和建筑群辐射的热量，使城市气温高于周围地带，称为筑群辐射的热量，使城市气温高于周围地带，称为热岛效应热岛效应。大气中二氧化碳和其他温室气体的不断增加，产生温室效应。大气中二氧化碳和其他温室气体的不断增加，产生温室效应。工业烟尘和风沙会使大气能见度下降。大气中颗粒物的大量工业烟尘和风沙会使大气能见度下降。大气中颗粒物的大量存在增加了云雾的凝结核，增加了城市降水的机会。在冲积存在增加了云雾的凝结核，增加了城市降水的机会。在冲积平原上建设的城市如过量开采地下水，将会引起地面沉降。平原上建设的城市如过量开采地下水，将会引起地面沉降。（2）环境化学效应）环境化学效应 在各种环境因素影响下，物质间发生化学反应产生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即为环境化学效应。如湖泊的酸化、土壤的的环境效应即为环境化学效应。如湖泊的酸化、土壤的盐碱化、地下水硬度升高、局部地区发生光化学烟雾、盐碱化、地下水硬度升高、局部地区发生光化学烟雾、有毒有害固体废弃物的填埋造成地下水污染等。有毒有害固体废弃物的填埋造成地下水污染等。酸雨造成地面水体和土壤酸化，会使水生生物遭到酸雨造成地面水体和土壤酸化，会使水生生物遭到破坏，土地肥力降低各种建筑物受到腐蚀。光化学烟破坏，土地肥力降低各种建筑物受到腐蚀。光化学烟雾是在特定的条件下发生大气光化学效应而形成的，它雾是在特定的条件下发生大气光化学效应而形成的，它直接危害生物的生长和人体健康。填埋于地下的有毒有直接危害生物的生长和人体健康。填埋于地下的有毒有害废弃物经土壤的渗远传输可使地下水受到污染，甚至害废弃物经土壤的渗远传输可使地下水受到污染，甚至引起特殊疾病的流行。引起特殊疾病的流行。（3）环境生态效应）环境生态效应 环境因素变化导致生态系统变异而产生的后环境因素变化导致生态系统变异而产生的后果即为环境生物效应。大型水利工程可能破坏水生果即为环境生物效应。大型水利工程可能破坏水生生物的回游途径，从而影响它们的繁殖。大量工业生物的回游途径，从而影响它们的繁殖。大量工业废水排入江、河、湖、海，对水生生态系统产生毒废水排入江、河、湖、海，对水生生态系统产生毒性效应，使鱼类受害而减少甚至灭绝。致畸、致癌、性效应，使鱼类受害而减少甚至灭绝。致畸、致癌、致突物质的污染引起畸形和癌症患者增多，这是对致突物质的污染引起畸形和癌症患者增多，这是对人体健康的严重威胁。人体健康的严重威胁。环境工程化学基础环境工程化学基础1 概述概述2 大气环境化学大气环境化学3 水环境化学水环境化学4 土壤环境化学土壤环境化学5 多介质环境化学多介质环境化学内容提要及重点要求内容提要及重点要求：主要介绍大气结构，大气中的主要污染物及其迁移，光化学反应基础，重要的大气污染化学问题及其形成机制。要求了解大气的层结结构，大气中的主要污染物，大气运动的基本规律。掌握污染物遵循这些规律而发生的迁移过程，特别是重要污染物参与光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成过程和机理。了解酸雨、温室效应以及臭氧层破坏等全球性环境问题。t2.1 大气中污染物的迁移大气中污染物的迁移t2.2 大气中污染物的转化大气中污染物的转化t2 大气环境化学大气环境化学2.1 大气中污染物的迁移大气中污染物的迁移 污染物在大气中的迁移是指由污染源排放出来的污污染物在大气中的迁移是指由污染源排放出来的污染物由于空气的运动使其传输和分散的过程。迁移过程染物由于空气的运动使其传输和分散的过程。迁移过程可使污染物浓度降低。大气层中空气的运动主要是由于可使污染物浓度降低。大气层中空气的运动主要是由于温度差异而引起的。这里首先介绍大气温度层结及由于温度差异而引起的。这里首先介绍大气温度层结及由于温度差异而引起的空气运动的规律，进而介绍污染物遵温度差异而引起的空气运动的规律，进而介绍污染物遵循这些规律在大气中的迁移过程。循这些规律在大气中的迁移过程。大气温度层结大气温度层结大气温度层结大气温度层结 由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层大气由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层大气对太阳福射吸收程度上的差异，使得描述大气状态的温对太阳福射吸收程度上的差异，使得描述大气状态的温度、密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀的分布。人度、密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀的分布。人们通常把大气的温度和密度在垂直方向上的分布，称为们通常把大气的温度和密度在垂直方向上的分布，称为大气温度层结和大气密度层结。图大气温度层结和大气密度层结。图2-2-l l和图和图2-22-2分别给出分别给出大气中典型的温度层结和密度层结。大气中典型的温度层结和密度层结。图2-1 大气温度的垂直分布图2-2 大气密度的垂直分布对流层顶对流层顶对流层对流层平流层平流层平流层顶平流层顶中间层中间层中间层顶中间层顶热层热层 根据大气的温度层结、密度层结和运动规律，可根据大气的温度层结、密度层结和运动规律，可将大气划分为对流层将大气划分为对流层(12(12kmkm、占全部大气质量的占全部大气质量的3/43/4、几乎所有的水蒸汽都在这一层几乎所有的水蒸汽都在这一层)、平流层（高度在平流层（高度在17-17-5555kmkm之间，其状态稳定，在之间，其状态稳定，在15-3515-35kmkm之间，之间，2525kmkm处浓处浓度最大）存在臭氧层，臭氧分子能够吸收来自太阳的度最大）存在臭氧层，臭氧分子能够吸收来自太阳的紫外辐射而分解为氧原子和氧分子，当它们又重新化紫外辐射而分解为氧原子和氧分子，当它们又重新化合为臭氧分子时，便可释放出大量的热能，这就是平合为臭氧分子时，便可释放出大量的热能，这就是平流层温度升高的原因。平流层内由于上热下冷，空气流层温度升高的原因。平流层内由于上热下冷，空气垂直对流运动很小，只能随地球自转而产生平流运动。垂直对流运动很小，只能随地球自转而产生平流运动。故污染物进入平硫层后，它会由此而形成一薄层，使故污染物进入平硫层后，它会由此而形成一薄层，使污粱物遍布全球。）、中间层（污粱物遍布全球。）、中间层（8585kmkm）和热层（和热层（800 800 km km 电离层），更远的地方称为逸散层，那里气体已极电离层），更远的地方称为逸散层，那里气体已极其稀薄。其稀薄。辐射逆温层辐射逆温层 在对流层中，气温一般是随高度增加而降低。但在在对流层中，气温一般是随高度增加而降低。但在一定条件下会出现反常现象。这可由垂直递递减率一定条件下会出现反常现象。这可由垂直递递减率()()的变化情况来判断。当的变化情况来判断。当 0 0时，称为等温气层；当时，称为等温气层；当 0 0时，称为逆温气层。逆温现象经常发生在较低气层中，时，称为逆温气层。逆温现象经常发生在较低气层中，这时气层稳定性特强，对大气中垂直运动的发展起阻碍这时气层稳定性特强，对大气中垂直运动的发展起阻碍作用作用。逆温形成的过程是多种多样逆温形成的过程是多种多样的。由于过程的不同，可分为近的。由于过程的不同，可分为近地层逆温和自由大气逆温两种。近地层逆温和自由大气逆温两种。近地层逆温有辐射逆温、平流逆温、地层逆温有辐射逆温、平流逆温、融雪逆温和地形逆温等；自由大气融雪逆温和地形逆温等；自由大气的逆温有乱流逆温、下沉逆温和峰的逆温有乱流逆温、下沉逆温和峰面逆温等。面逆温等。图2-3 辐射逆温 大气稳定度大气稳定度大气稳定度大气稳定度 流体的层结对于流体的垂直运动有着重要的影响。我们流体的层结对于流体的垂直运动有着重要的影响。我们知道一般来讲，若密度大的流体在密度小的流体下面，则知道一般来讲，若密度大的流体在密度小的流体下面，则这种层结分布是稳定的，反过来就是不稳定的。然而这种层结分布是稳定的，反过来就是不稳定的。然而对于空对于空气而言，尽管其密度随高度增加而减小，但它未必是稳定的。气而言，尽管其密度随高度增加而减小，但它未必是稳定的。因为它的稳定性还受温度层结所制约。所以一个空气气块的因为它的稳定性还受温度层结所制约。所以一个空气气块的稳定性应该是密度层结和温度层结共同作用来决定的。稳定性应该是密度层结和温度层结共同作用来决定的。大气稳定度是指大气中某一高度上的气块在垂直方向上大气稳定度是指大气中某一高度上的气块在垂直方向上的相对稳定程度。设想在层结大气中有一气块，如果由于某的相对稳定程度。设想在层结大气中有一气块，如果由于某种原因使其产生一个小的垂直位移其层结大气使气块趋于种原因使其产生一个小的垂直位移其层结大气使气块趋于回到原来的平衡位置，则称层结是稳定的；若层结大气使气回到原来的平衡位置，则称层结是稳定的；若层结大气使气块趋于继续离开原来的位置，则称层结是不稳定的；介于二块趋于继续离开原来的位置，则称层结是不稳定的；介于二者之间则称层结为中性的。者之间则称层结为中性的。气块在大气中的稳定度与大气垂气块在大气中的稳定度与大气垂直递减率和干绝热垂直递减率有关。若直递减率和干绝热垂直递减率有关。若 d d，表明大气是稳表明大气是稳定的；定的；d d，大气是不稳定的；大气是不稳定的；d d 大气处于平衡状态。大气处于平衡状态。图2-5 未饱和空气三种不同稳定度影响大气污染物迁移的因素影响大气污染物迁移的因素 由污染源排放到大气中的污染物在迁移过程中要受由污染源排放到大气中的污染物在迁移过程中要受到各种因素的影响，主要有空气的机械运动，如风和湍到各种因素的影响，主要有空气的机械运动，如风和湍流（流（风可使污染物向下风向扩散，湍流可使污染物向各风可使污染物向下风向扩散，湍流可使污染物向各方向扩散，浓度梯度可使污染物发生质量扩散），由于方向扩散，浓度梯度可使污染物发生质量扩散），由于天气形势和地理地势造成的逆温现象天气形势和地理地势造成的逆温现象(海陆风、山谷风、海陆风、山谷风、城郊风等城郊风等)以及污染源本身的特性等以及污染源本身的特性等.2.2 2.2 大气中污染物的转化大气中污染物的转化大气中污染物的转化大气中污染物的转化 迁移过程只是使污染物在大气中的空间分布发生了变化，迁移过程只是使污染物在大气中的空间分布发生了变化，而它们的化学组成不变。污染物的转化是污染物在大气中经而它们的化学组成不变。污染物的转化是污染物在大气中经过化学反应，如光解、氧化还原、酸碱中和以及聚合等反应，过化学反应，如光解、氧化还原、酸碱中和以及聚合等反应，转化成为无毒化合物，从而去除污染，也可能转化成毒性更转化成为无毒化合物，从而去除污染，也可能转化成毒性更大的二次污染物，加重污染。因此，研究大气中污染物的转大的二次污染物，加重污染。因此，研究大气中污染物的转化具有重要意义。化具有重要意义。光化学反应基础光化学反应基础光化学反应基础光化学反应基础（1 1）光化学反应过程）光化学反应过程 分子、原子、自由基或离子吸收光子而发生的化学分子、原子、自由基或离子吸收光子而发生的化学反应，称为光化学反应。化学物种吸收光量子后可产生反应，称为光化学反应。化学物种吸收光量子后可产生光化学反应的初级过程和次级过程。初级过程包括化学光化学反应的初级过程和次级过程。初级过程包括化学物质吸收光量子形成激发态，其基本步骤为：物质吸收光量子形成激发态，其基本步骤为：式式(2-1)(2-1)为辐射跃迁，即激发态物质通过辐射荧光或磷为辐射跃迁，即激发态物质通过辐射荧光或磷光而失活。式光而失活。式(2-2)(2-2)为无辐射跃迁，亦即碰撞失话过程。激为无辐射跃迁，亦即碰撞失话过程。激发态物质通过与其他分子发态物质通过与其他分子MM碰撞，将能量传递给碰撞，将能量传递给MM，本身又本身又回到基态。以上两种过程均为光物理过程。式回到基态。以上两种过程均为光物理过程。式(2-3)(2-3)为光离为光离解，即激发态物质离解成为两个或两个以上新物质。式解，即激发态物质离解成为两个或两个以上新物质。式(2-(2-4)4)为为