化学与环境精.ppt

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1、化学与环境第1页，本讲稿共59页水一、水的组成和结构图2-1水分子间的氢键H2O第2页，本讲稿共59页二、地球上有多少水？地球表面的四分之三被海洋、江河、湖泊中的水覆盖，十分之一被冰川覆盖。从太空观察，地球是个美丽的蔚蓝的水球。此外，地层、大气、生物体内都含有水。可供人类饮用的水有多少？可供人类使用的淡水仅占地球总水量的0.65%左右，缺水将是人类面临的最大危机。第3页，本讲稿共59页三、水有什么特性？三、水有什么特性？水的比热容在所有液态和固态物质中是最大的，为4.2千焦千克开 水具有高蒸发热，44KJ/mol 水在4时体积最小，密度最大，为1千克升。第4页，本讲稿共59页冰的结构图2-2

2、冰的结构 第5页，本讲稿共59页四、水的重要作用对调节地表气温，维持地表气温相对恒定具有重要作用对于水生动、植物的生存有着重要意义 水是生命的源泉 水与生命的起源原始大气层的组成：甲烷、水蒸气、氨气等还原性气体组成。原始大气光化学反应：第6页，本讲稿共59页氰化氢和甲醛氨基酸多肽、嘌呤碱、嘧啶碱、核苷酸 蛋白质和核酸DNA分子生命的“化学进化”时期从前生命物质到原始生命 前生命有机物原始生命第7页，本讲稿共59页五、人体每天需要多少水？五、人体每天需要多少水？人的生命离不开水，成人体内含水量一般约占人体质量的60%左右。一个成年人平均每天补充水2.54升；一个60岁的人摄入体内的总水量可达55

3、吨。人体失水25，就要补充水。如果因流血或出汗过多而丧失10的水，生理机能就会失调；人体内失水在14以上时，体内产生的毒物不易排出；丧失22以上的水，则会导致死亡。中老年人由于体内固有水减少，皮肤干燥无光泽、皱纹增多、易患皮炎、便秘、肾脏病等症。要合理饮水：通常每天要喝810杯水(每杯300毫升)；要提倡餐前空腹饮水，即于早、中、晚三餐之前约一小时左右喝一杯水。早晨起床后空腹饮水尤为重要，提倡喝200-400毫升温开水。第8页，本讲稿共59页六、水的净化和软化 图23 水净化过程示意图 石灰纯碱第9页，本讲稿共59页水净化中的化学过程硫酸铝的作用：常用的沉降剂，它在水中会发生水解反应，生成氢氧

4、化铝白色絮状沉淀物，在其沉降过程中吸收水中悬浮物，一并带下，所以能净水。Al2(SO4)3+6H2O 2 Al(OH)3+3H2SO4石灰-纯碱的作用：去除钙、镁离子，使水软化。Ca(OH)2+CaHCO3 2CaCO3+H2OCa(OH)2+Mg2+CO32+CaCO3+Mg(OH)2曝气的作用：除去挥发性物质，带入的氧气可消除 水中的不愉快气味，还可以使还原性离子氧化除去。例如，Fe2+Fe(OH)3;Mn2+MnO2(H2O)n 第10页，本讲稿共59页氯气的作用：对饮水进行消毒，氯气可杀灭病原微生物以及除去汞、锰、氰等有害物质，但氯气本身又会造成污染，会产生多达129种有机化合物，其中

5、三氯甲烷等有致癌作用。我国规定饮水中氯仿CHCl3最高浓度小于60微克升。许多国家采用ClO2或臭氧消毒饮水。H2O+Cl2 HClO+HCl2HClO 2HCl+O2开水要烧多久最合适？刚煮沸的水中氯代物含量超标，煮沸2-3分钟可使三氯甲烷大部分挥发消失；过度烧过的开水也不宜饮用。第11页，本讲稿共59页我国饮用水质量标准我国规定饮用水质量标准为：pH6.58.5；Ca2+、Mg2+总浓度小于0.0045摩尔升；细菌总数小于100个毫升。第12页，本讲稿共59页七、水的纯化七、水的纯化离子交换法第13页，本讲稿共59页七、水的纯化七、水的纯化-蒸馏法 蒸馏法第14页，本讲稿共59页双重蒸留器

6、 石英亚沸高纯水蒸馏器第15页，本讲稿共59页溶液的渗透压显示渗透压现象的简单装置渗透压是为维持被半透膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的额外压力。纯水半透膜=c R T溶液反渗透法第16页，本讲稿共59页反渗透膜航天:水循环利用医学:血透第17页，本讲稿共59页反渗透法装置第18页，本讲稿共59页八、海水淡化八、海水淡化海水淡化是利用物理、化学或生物学方法将海水中溶解的盐(约3.5)脱除，使其转化为生活用水或工农业用水蒸馏法：采用多级闪急蒸馏技术，将一定温度的海水引到一个压力较低的设备中，海水急速蒸发，蒸气急速离开海水，而盐留在海水中。反渗透法：是一种膜分离技术，使用复合反渗透膜,对

7、海水加压，当压力大于渗透压时，海水中的水分可通过其中的半透膜小孔流向淡水一边，但盐分不能通过，于是海水中的盐分和淡水被分离开了。耗能仅为蒸馏法的1/40。电渗析法：也是一种用薄膜淡化海水的新技术，它使用的是一种功能性薄膜即离子交换膜。阴、阳离子交换膜交替排列在电渗析法设备的两大电极板之间，组成了多个相互独立的隔室。通电后海水中的盐类物质会被分解成阳离子(Na+)和阴离子(Cl-)，在电磁场的作用下，这些阳、阴离子渗出膜外，于是室内的海水得到淡化。耗能约为蒸馏法的1/20。第19页，本讲稿共59页第20页，本讲稿共59页九、水污染及危害 我国自然水资源总量居世界第4位，但人均水资源占有量却为第8

8、2位。全国668个城市中，有400多个城市供水不足，平均每年因缺水而损失工业产值2000多亿元。干旱缺水已成为我国农业稳定发展和粮食安全供给的主要制约因素。全国农村也有近5000万人饮水不足。21世纪世界水资源委员会报告指出，全世界一半以上大河已被污染，生态体系遭到严重破坏，由于水危机使2500万人沦为“环境难民”(第一次超过“战争难民”的人数)。预计到2025年，“环境难民”将达7500万。第21页，本讲稿共59页七大水系水质比例第22页，本讲稿共59页 滇池绿藻泛滥第23页，本讲稿共59页水体富营养化第24页，本讲稿共59页 还能“共饮长江水”吗？第25页，本讲稿共59页大 气第26页，本

9、讲稿共59页一、大气的结构温度/K海拔高度/km第27页，本讲稿共59页二、大气的组成包围地球的全部气体称为大气，随地球旋转的大气层叫大气圈，而弥漫于地球周围的混合气体称为空气。大气的组成：干洁空气，水气，悬浮颗粒物。干洁空气的组成：除去水气和杂质的空气，其主要成分是氮气（N 2)，占78.09%；氧气(O 2)，占20.94%；氩(Ar)，占0.93%；其它各种含量不到0.1%的微量气体(如氖、氦、二氧化碳、氪)。每人每天要呼吸约1万多升空气！第28页，本讲稿共59页三、大气污染 大气污染的定义：大气污染的定义：在干洁的大气中，痕量气体的组成是微不足道的。但是在一定范围的大气中，出现了原来没

10、有的微量物质，其数量和持续时间，都有可能对人、动物、植物及物品、材料产生不利影响和危害。当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象叫做大气污染。所谓干洁空气是指在自然状态下的大气（由混合气体、水气和杂质组成）第29页，本讲稿共59页大气污染的原因造成大气污染的原因，既有自然因素又有人为因素，尤其是人为因素，如工业废气、燃烧、汽车尾气和核爆炸等。随着人类经济活动和生产的迅速发展，在大量消耗能源的同时，同时也将大量的废气、烟尘物质排入大气，严重影响了大气环境的质量，特别是在人口稠密的城市和工业区域。第30页，本讲稿共59页大气污染物的分类

11、大气污染物的分类大气污染物主要可以分为两类，即天然污染物和人为污染物,引起公害的往往是人为污染物，它们主要来源于燃料燃烧和大规模的工矿企业。颗粒物：指大气中液体、固体状物质，又称尘。硫氧化物：是硫的氧化物的总称，包括二氧化硫，三氧化硫，三氧化二硫，一氧化硫等。碳的氧化物：主要包括二氧化碳和一氧化碳。氮氧化物：是氮的氧化物的总称，包括氧化亚氮，一氧化氮，二氧化氮，三氧化二氮等。碳氢化合物：是以碳元素和氢元素形成的化合物，如甲烷、乙烷等烃类气体。其它有害物质：如重金属类，含氟气体，含氯气体等等。第31页，本讲稿共59页空气污染指数(AIR POLLUTION INDEX）空气污染指数(简称API)

12、是一种反映和评价空气质量的方法，就是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式、并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，其结果简明直观，使用方便，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。根据我国空气污染的特点和污染防治工作的重点，目前计入空气污染指数的污染物项目暂定为：二氧化硫、氮氧化物和总悬浮颗粒物。第32页，本讲稿共59页我国空气指数的分级标准 目前我国所用的空气指数的分级标准是：(1)空气污染指数(API)50点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值一级标准；(2)API 100点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值二级标准；(3)API 200点对应的污染物浓度为国

13、家空气质量日均值三级标准；(4)API更高值段的分级对应于各种污染物对人体健康产生不同影响时的浓度限值，API500点对应于对人体产生严重危害时各项污染物第33页，本讲稿共59页污染指数 污染物浓度InTSP SO2NOx500 1.000 2.620 0.940400 0.875 2.100 0.750300 0.625 1.600 0.565200 0.500 0.250 0.150100 0.300 0.150 0.10050 0.120 0.050表表2-1 2-1 污染指数污染指数APIAPI分级限值分级限值污染指数 污染物浓度API TSP SO2NOx500 1.000 2.62

14、0 0.940400 0.875 2.100 0.750300 0.625 1.600 0.565200 0.500 0.250 0.150100 0.300 0.150 0.10050 0.120 0.050 0.050第34页，本讲稿共59页空气污染指数(API)空气质量级别空气质量状况 对健康的影响 对应空气质量的适用范围050 优 可正常活动 自然保护区、风景名胜区和其它特殊保护的地区51100 良 可正常活动 居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区101200 普通(轻度污染)长期接触，易感人群症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状特定工业区201300 不佳(中度污

15、染)一定时间接触后，心脏病和肺病患者症状显著加剧，运动耐受力降低，健康人群中普遍出现症状300 差(重度污染)健康人除出现较强烈症状，降低运动耐受力外，长期接触会提前出现某些疾病表 表2-2 2-2 空气污染指数及对应的空气质量级别 空气污染指数及对应的空气质量级别(仅供参考 仅供参考)第35页，本讲稿共59页四、大气污染的危害一：大气中二氧化碳的含量增加：燃料中含有各种复杂的成分，在燃烧后产生各种有害物质，即使不含杂质的燃料达到完全燃烧，也要产生水和二氧化碳，正因为燃料燃烧使大气中的二氧化碳浓度不断增加，破坏了自然界二氧化碳的平衡，以至可能引发“温室效应”，致使地球气温上升。二、臭氧层破坏

16、臭氧层是地球最好的保护伞，它吸收了来自太阳的大部分紫外线。然而近二十年的科学研究和大气观测发现：每年春季南极大气中的臭氧层一直在变薄，事实上在极地大气中存在一个臭氧“洞”三、酸雨 酸雨通常指pH值低于5.6的降水。第36页，本讲稿共59页温室效应的成因温室效应的成因大气中的二氧化碳浓度增加，阻止地球热量的散失，使地球发生可感觉到的气温升高，这就是有名的“温室效应”。第37页，本讲稿共59页臭氧层的形成和耗损第38页，本讲稿共59页第39页，本讲稿共59页臭氧层l 臭氧层存在在平流层，其浓度峰值在距地面20-25km处。臭氧层具有吸收太阳光中大部分的紫外线,以屏蔽地球表面生物,不受紫外线侵害之功

17、能.l 1985年英国探险家J.C.Farman等首次提出南极出现臭“氧空洞”随后美国宇航局从人造卫星雨云7的监测数据进一步证实了这一点。在以后的二十几年间,各国科学家的研究表明,在南极上空臭氧层的浓度和厚度在不断减少,以至出现面积达到2200万平方千米的臭氧空洞.第40页，本讲稿共59页 O3产生 O2+hvO+O O O2 M O3 M*M其它分子，e.g.N2、O2，可吸收反应放出的能量 第41页，本讲稿共59页第42页，本讲稿共59页“臭氧洞”形成机理南极“臭氧洞”的成因目前尚无定论，其中最为令人信服的当是污染物质学说臭氧层被破坏的人为因素：氟利昂冷冻剂等CFCl3hCFCl2ClCl

18、O3ClOO2ClOOClO2Cl和ClO起催化作用第43页，本讲稿共59页氯氟烃的光离解 CFC-11、CFC-12的光离解反应如下：CFCl3+h CFCl2+ClCFCl3+h CFCl+2ClCF2Cl2+h CF2Cl+ClCF2Cl2+h CF2+2Cl光离解过程产生的Cl原子自由基在平流层中的滞留期约为2年，通过链反应每个Cl可摧毁1-10万个臭氧分子，破坏臭氧层。第44页，本讲稿共59页O3的猝灭的自然过程1)光解：O3+hO2+O2)臭氧的分解，臭氧形成的逆过程：O3+O2O23)催化分解:Y+O3YO+O2YO+OY+O2总反应：O3+O2O2Y为天然形成的游离基，包括：N

19、O，NO2，HO，HOO等.但人类活动会加剧这些活性基团的形成，破坏臭氧层的稳定性。P122127第45页，本讲稿共59页“臭氧洞”形成机理南极“臭氧洞”的成因目前尚无定论，其中最为令人信服的当是污染物质学说。此外还有：美国宇航局汉普顿芝利中心Callis等人提出南极臭氧层的破坏与强烈的太阳活动有关；麻省理工学院的Tung等人认为是南极存在独特的大气环境造成冬末春初臭氧耗竭，根据大气动力学说，指出大量氯氟烃化合物的使用，以及南极初春没有足够阳光产生大量氧原子，并因此提出了不需要氧原子的循环机理。第46页，本讲稿共59页酸雨的成因 随着工业化和能源消费增多，酸性排放物也日益增多，它们进入空气中，

20、经过一系列作用就形成了酸雨。酸性排放物包括：硫氧化物(SO 2，SO 3);氮氧化物(NO x)人们对酸性排放物已经有了控制，但仍然还有酸雨现象。大气尘埃可能是造成酸雨问题的另一原因。第47页，本讲稿共59页酸雨的成因酸雨的成因 最近的发现表明，酸雨是比原来的想象要复杂得多的一种现象。研究得到的结果表明了大气中存在着的碱化合物出乎意料地起着关键性作用。碱通过中和酸性污染物而对酸雨的作用进行抵消。我们发现，人们把全部注意力都集中到大气中的酸性物质，掩盖了碱排放也已经有所下降这一事实。看来有许多因素正在减少大气中这些碱的含量，从而加剧了酸雨对生态的影响。具有讽喻意味的是，在这些因素中有几个正是各国

21、政府为改善空气质量而采取的措施。大气中的大多数碱都能在称为大气尘埃的空中粒子中找到。这些尘埃粒子富含碳酸钙和碳酸镁等矿物质，这些矿物质溶于水中就起碱的作用。大气尘埃粒子由多种来源共同形成。燃料的燃烧，以及水泥生产、采矿和金属冶炼等工业活动，都会产生含碱的粒子。建筑工地、农场和在未经铺砌的道路上车辆行驶也会造成尘埃粒子。第48页，本讲稿共59页九十年代我国酸雨分布第49页，本讲稿共59页大气污染对人的危害大气污染对人的危害大气中的有害物质主要通过下述三个途径侵入人体造成 危害：(1)通过人的直接呼吸而进入人体;(2)附着在食物上或溶于水中，使之随饮食而侵入人体；(3)通过接触或刺激皮肤而进入到人

22、体。其中通过呼吸而 侵入人体是主要的途径，危害也最大。大气污染对人的危害大致可分为急性中毒，慢性中毒，致癌三种。第50页，本讲稿共59页五、化学在环境污染治理中的应用 按等级分：一级处理：（初级处理）二级处理：达到排放或农灌标准 三级处理（高级/深度处理）：饮用水、特殊用水 按方法分:物理方法（一般为一级处理）化学法 物理化学法 生化法例如废水处理第51页，本讲稿共59页方法类别处理目的去除悬浮物去除溶解性无机物去除溶解性有机物消毒杀菌等筛分电渗析气提过滤重力沉降反渗透紫外线照射物理法自然浮上过滤/超过滤凝聚沉降电解臭氧氧化加氯化学法凝聚浮上酸碱中和氯气氧化加臭氧和离子交换焚烧物化法螯合吸附萃

23、取氧化还原活性炭吸附活性污泥生物硝化/脱氮活性污泥生物法生物滤池生物滤池接触氧化接触氧化生物转盘生物转盘厌氧消化厌氧消化第52页，本讲稿共59页 化学处理法（1）中和法（一级）（2）化学沉淀法（二级）NaOH,Ca(OH)2 氢氧化物沉淀 H2S,Na2S 硫化物沉淀 BaCO3,BaCl2 除去Cr（VI）磷酸盐 Ca5OH(PO4)3 第53页，本讲稿共59页 b、化学方法（3）氧化还原法（三级）氯气，O3等消毒剂H2S,Na2S 等还原剂电解产生：使用Al,Fe作为阳极，电解溶出Al3+,Fe3+,使生成Al(OH)3,Fe(OH)3,吸附废水中的胶体及悬浮物。第54页，本讲稿共59页L

24、X型常温常压催化氧化装置第55页，本讲稿共59页 常温常压催化氧化水处理装置，特别适合化工企业对有机物高浓度、高毒性、高色度、可生化性差的废水预处理装置。使废水经预处理后能降低浓度、毒性、色度，提高B/C比值，使后级生化处理顺利进行。新型高效催化氧化的原理就是在表面催化剂存在的条件下，利用强氧化剂二氧化氯在常温常压下催化氧化废水中的有机污染物，或直接氧化有机污染物，或将大分子有机污染物氧化成小分子有机污染物，提高废水的可生化性，较好的去除有机污染物。在降解COD的过程中，打断有机分子中的双键发色团，如偶氮基，硝基，硫化羟基，碳亚氨基等，达到脱色的目的，同时有效地提高BOD/COD值，使之易与生化降解。第56页，本讲稿共59页