1、环境化学环境化学l第一章 绪论l第二章 大气环境化学l第三章 水环境化学l第四章 土壤环境化学l第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性 第一章 绪论 主要简介环境化学在环境科学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。环境问题人类生活和生产活动不断影响和改变环境条件，甚至引起环境污染。工业化过程中的处置失当，特别是对自然资源的不合理开发利用，造成了全球性的环境污染和生态破坏。空气、水和土地污染的环境退化现象臭
2、氧层破坏气候变化水资源的短缺和污染有毒化学品和团体废弃物的危害生物多样性的损伤 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负有特殊的使命。第一节 环境化学一、环境问题1.什么是环境污染?由于人为因素使环境的构成或状态发生变化，环境素质下降，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。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，生物界的生态系统遭到不适当的干扰和破坏，
3、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、放射线等造成对环境的损害。2.造成环境污染的三因素l物理的 噪声、震动等l化学的 九大类l生物的 大米草、水葫芦、赤藻等温室效应 酸 雨 光化学烟雾 伦敦烟雾事件 臭氧空洞 海洋污染 赤潮 农药污染 3.认识环境问题的三个阶段 环境问题并非只限于环境污染,人们对现代环境问题的认识有个发展过程。l第一阶段：在20世纪60年代人们把环境问题只当成一个污染问题，认为环境污染主要指的是城市和工农业发展带来的对大气、水质、土壤、固体废弃物和噪声的污染。对土地沙化、热带森林破坏和野生动物某些品种的濒危灭绝等并未从战略上予以重视。我国当时以污染控制
4、为中心进行环境管理，曾对改善城市和人民生活的环境质量起了重要作用。存在问题：没有把环境问题与自然生态联系起来,低估了环境污染的危害性和复杂性，没有把环境污染与社会因素相联系，未能追根寻源。l第二阶段：认识到环境问题不仅表现在水、气、土壤等的污染已达到危险程度，而且表现在对生态的破坏和资源的枯竭；同时认识到一部分环境问题是由于贫穷造成的，并明确提出发展中国家要在发展中解决环境问题。重要事件：1972年联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了人类环境会议，会议发表了人类环境宣言，这是联合国组织第一次把环境问题与社会因素联系起来，并正式组建了联合国环境规划署(UNEP)。存在问题：此次会议可说是人类认识环境
5、问题的一个里程碑。然而，它并未从战略高度指明防治环境问题的根本途径，没明确解决环境问题的责任，没强调需要全球的共同行动。l第三阶段：20世纪80年代对环境的认识有新的突破性发展,提出持续发展战略。重要事件：我们共同的未来的发表：1987年4月，挪威前首相布伦特兰夫人任主席的联合国世界环境与发展委员会，发表了题为“我们共同的未来”的长篇报告。在“全球的挑战”的标题下,指出地球正发生着急剧改变,从而威胁着许多物种,包括人类生命的环境恶化趋势。每年有600万公顷具有生产力的旱地变成沙漠有1100多万公顷的森林遭到破坏在非洲,干旱将3500万人置于危难之中在印度,博帕尔农药厂化学品泄漏造成两千人死亡在
6、墨西哥城,液化气罐爆炸使千人遇难在前苏联,切尔诺贝利核反应堆爆炸使核尘埃遍布欧洲在瑞士,农用化学品、溶剂和录污染了莱茵河,使数百万尾鱼被毒死由于饮用水被污染和营养不良,全球每年约有6107人死于腹泻 报告告诫人们，决定地球人类前途和命运的是“环境”。它以持续发展为基本纲领，从保护环境和资源、满足当代和后代的需要出发，强调世界各国政府和人民要对经济发展和环境保护两大任务负起历史责任,并把二者结合起来。这一时期逐步形成的持续发展战略，指明了解决环境问题的根本途径。里约环境与发展宣言和21世纪议程的通过：进入20世纪90年代，巩固和发展了可持续发展战略这种指导思想,形成当代主导的环境意识。1992年
7、6月在巴西里约召开了联合国环境与发展大会，有183个国家代表团和70个国际组织的代表出席,并有102位国家元首或政府首脑到场，大会高举持续发展的旗帜，通过了里约环境与发展宣言、21世纪议程等重要文件。它促使环境保护和经济、社会协调发展，以实现人类的持续发展作为全球的行动纲领。这是本世纪人类社会的又一重大转折点,树立了人类环境与发展关系史上新的里程碑。二、环境化学1.环境科学 一门以研究环境质量及其控制和改善为目的的综合性新学科。环境科学主要是运用自然科学和社会科学的有关学科的理论、技术和方法来研究环境问题。在宏观上研究人类同环境之间的相互作用、相互促进、相互制约的对立统一关系，揭示社会经济发展
8、和环境保护协调发展的基本规律；在微观上研究环境中的物质,尤其是人类活动排放的不同种类和形态的污染物在生态系统或有机体内迁移、转化和蓄积的过程及其运动规律，探索它们对生命的影响及其作用机理，并综合运用多种工程技术措施，利用系统分析和系统工程的方法寻找解决环境问题的最佳方案。环境科学的分支：包括自然科学和社会科学自然科学方面的主要分支学科：环境地学 环境生物学 环境化学 环境物理学 环境工程学 环境医学等社会科学方面的主要分支学科：环境管理学 环境经济学 环境法学等自然科学与社会科学的交叉学科 环境评价学 环境规划学等2.环境化学l化学物质引起的环境污染约占80%一90%。l在近现代工农业发展和科
9、技进步过程中，化学科学和化学工业为人类提供了品种繁多、琳琅满目的生产和生活用品，为现代化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，往往需要多学科协作对它进行系统深入研究。由于大量环境问题与化学物质直接相关，因此，环境化学在掌握污染来源，消除和控制污染，确定环境保护决策，以及提供科学依据诸方面都起着重要的作用。（1）环境化学的任务、内容与特点l环境化学的任务：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
10、,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。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（2）环境化学的内容及分支 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。l环境分析化学领
11、域：环境有机分析化学和环境无机分析化学l各圈层的环境化学领域：大气环境化学、水环境化学、土壤环境化学、环境生态化学l环境工程化学领域：大气污染控制化学、水污染控制化学、固体废物污染控制化学（2）环境化学的任务l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，其核心是研究化学污染物在环境中的化学转化和效应。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个多因素的开放性体系，变量多、条件较复杂，许多化学原理和方法则不易直接运用。化学污染物在环境中的含量很低，一般只有mg/kg或ug/kg级水平,甚至更低。环境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
12、存在形态的变化。它们分布广泛，迁移转化速度较快，在不同的时空条件下有明显的动态变化。2.环境化学的发展动向 国际上全球变化问题l元素(尤其是碳、氮、硫、磷)的生物地球化学循环及其相互藕合的研究l化学品安全评价l臭氧层破坏l气候变暖l环境良性化学创造无污染生产过程为目的国内围绕我国环境保护的现实需要，重点包括防治环境污染和保护自然生态两个方面。l以有机物污染为主的水质污染l以大气颗粒物和二氧化硫为主的城市空气污染l工业有毒有害废弃物和城市垃圾对大气、水和土地的污染中国环境标志 中国环境标志图形由中心的青山、绿水、太阳及周围的十个环组成。图形的中心结构表示人类赖以生存的环境，外围的十个环紧密结合，
13、环环紧扣，表示公众参与，共同保护环境；同时十个环的“环”字与环境的“环”同字，其寓意为“全民联系起来，共同保护人类赖以生存的环境（1）环境分析化学l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、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，20世纪80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法。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活性剂，砷、汞、锡等金属有机化合物
14、也是主要的研究对象。仪器联用技术、连续自动分析和遥感分析同样是热门课题。（2）各圈层环境化学l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和生态效应。由于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，含氯氟烃等耗损臭氧层的物质，以及营养物等，故其研究领域由原各环境要素的污染化学发展成为相应的环境化学。包括：大气环境化学水环境化学土壤环境化学环境生态化学(a)大气环境化学l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、远距离乃至全球环境。关于大气环境化
15、学过程研究主要涉及大气光化学反应过程、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。(b)水环境化学l水体研究较多的是河流、湖泊和水库，其次是河口、海湾和近海海域。近年来，由于大量固体废弃物填埋而引起有毒有害物质污染地下水，国外对地下水污染研究十分重视。天然水体污染过程和废水净化过程是水环境化学的主要研究范围，对水环境中化学物质的重点研究对象逐渐转向某些重金属(含准金属)及持久性有毒有机污染物。从应用基础的研究来看,当前主要集中在水体界面化学过程、金属形态转化动力学过程、有机物的化学降解过程、金属和准金属甲基化等方面的研究。(c)土壤环境化学l主要研究农用化学品在土壤环境中的迁移转化和
16、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等。(d)环境生态化学l研究化学污染物在生态系统中产生效应的化学过程。侧重于定量结构-活性关系研究，并以此为基础对污染物的环境行为和它们的生态效应进行预测。（3）环境工程化学l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制化学研究。但这种模式只能减少污染物排放而不能阻止它的发生。20世纪80年代中期后人们对污染预防和清洁生产的认识逐步提高，并将逐步以污染的全过程控制模式代替终端污染控制模式。l全过程控制模式：主要是通过改变产品设计和生产
17、工艺路线使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再循环，达到污染最小量化并节约资源和能源的目的。第二节 环境污染物l环境污染物：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。l大部分环境污染物是由人类的生产和生活活动产生的。有些物质原本是生产中的有用物质，甚至是人和生物必需的营养元素，由于未充分利用而大量排放，就可能成为环境污染物。有的污染物进入环境后,通过物理或化学反应或在生物作用下会转变成危害更大的新污染物，也可能降解成无害物质。不同污染物同时存在时，可因拮抗或协同作用使毒性降低或增大。l环境污染物是环境化学研究的对象。一、环境污染物的类别 按受污染物
18、影响的环境要素分类：l大气污染物l水体污染物l土壤污染物等按污染物的形态分类：l气体污染物l液体污染物l固体废物按污染物的性质分类：l化学污染物l物理污染物l生物污染物1.人类社会不同功能产生的污染物（1）工业:工业生产对环境造成污染主要是由于对自然资源的过量开采，造成多种化学元素在生态系统中的超量循环；能源和水资源的消耗与利用；生产过程中产生的“三废”。l工业生产过程中产生的污染物特点是数量大、成分复杂、毒性强。常见的有酸、碱、油、重金属、有机物、毒物、放射性物质等。有的工业生产过程还排放致癌物质，如苯并(a)芘、亚硝基化合物。食品、发酵、制药、制革等一些生物制品加工工业，除排放大量需氧有机
19、物外，还会产生微生物、寄生虫等。(2)农业：农业对环境产生污染主要是由于使用农药、化肥、农业机械等工业品，农业本身造成的水土流失和农业废弃物。农家肥料中常含有细菌和微生物。(3)交通运输:汽车、火车、飞机、船舶都具有可移动性的特点。它们的污染主要是噪声、汽油(柴油)等燃料燃烧产物的排放和有毒有害物的泄漏、清洗、扬尘和污水等。石油燃烧排放的废气中含有一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅、硫氧化物和苯并(a)芘等。(4)生活:生活活动也能产生物理的、化学的和生物的污染，排放“三废”。分散取暖和炊事燃煤是城市主要的大气污染源之一。生活污水主要包括洗涤和粪便污水，它含有耗氧有机物和病菌、病毒与寄生虫等病
20、原体。城市垃圾中含有大量废纸、玻璃、塑料、金属、动植物食品的废弃物等。2.化学污染物 (1)元素:如铅、镉、铬、汞、砷、卤素、氧(臭氧)、黄磷。(2)元机物:如氟化物、一氧化碳、氮氧化物、卤化氢、卤间化合物(如ClF、BrF3、IF5、BrCl、IBr3等)、卤氧化物(Cl02)、次氯酸及其盐、硅的无机化合物(如石棉)、无机磷化合物(如PH3、PX、PX5)、硫的无机化合物(如H2S、SO2、H2S03、H2S04)等。(3)有机化合物和烃类:包括烷烃、不饱和非芳香烃、芳香烃、多环芳烃等。(4)金属有机和准金属有机化合物:如四乙基铅、羟基镍、二苯铬、三丁基锡、单甲基或二甲基胂酸、三苯基锡等。(
21、5)含氧有机化合物:包括环氧乙烷、醚、醇、酮、醛、有机酸、酯、酐、酚类化合物等。(6)有机氮化合物：如胺、晴、硝基甲烷、硝基苯、三硝基甲苯、亚硝胺等。(7)有机卤化物：如四氯化碳、脂肪基和烯烃的卤化物、芳香族卤化物、氯代苯酚、多氯联苯等。(8)有机硫化合物：如烷基硫化物、硫醇、巯基甲烷、二甲砜、硫酸二甲酯等。(9)有机磷化合物：主要是磷酸酯类化合物(如磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三邻甲苯酯、焦磷酸四乙酯)、有机磷农药、有机磷军用毒气等。二、环境效应及其影晌因素 l环境效应：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，谓之环境效应，并可分为自然环
22、境效应和人为环境效应。l按环境变化的性质划分,则可分为：环境物理效应环境化学效应环境生物效应 1.环境物理效应 它是由物理作用引起的，比如噪声、地面沉降、热岛效应、温室效应等。l因燃料的燃烧而放出大量热量,再加上街道和建筑群辐射的热量，使城市气温高于周围地带，产生热岛效应。l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。l工业烟尘和风沙会使大气能见度下降。l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。l地面沉降：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。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的环境效应。l酸雨造成地
23、面水体和土壤酸化，使水生生物遭到破坏，土地肥力降低，各种建筑物受到腐蚀。l大量碱性物质或可溶性盐在水体和土壤中长期积累，或受到海水长期浸渍，或长期利用含盐碱成分的废水灌溉农田，都会造成土壤碱化，导致农业减产。l土壤和沉积物中的碳酸盐矿物和大量的交换性钙、镁离子在需氧有机物降解产生的二氧化碳、酸、碱、盐等的作用下，增加水中的溶解度，使地下水的硬度升高，造成水处理的成本提高。l大气光化学效应产生的光化学烟雾，直接危害生物的生长和人体健康。l填埋于地下的有毒有害废弃物经土壤的渗透传输可使地下水受到污染，甚至引起特殊疾病的流行。3.环境生物效应环境生物效应：环境因素变化导致生态系统变异而产生的后果。l
24、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。l大量工业废水排入江、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。l任意砍伐森林，造成水土流失，产生干旱、风沙灾害，同时使鸟类减少，害虫增多。l致畸、致癌、致突物质的污染引起畸形和癌症患者增多，严重威胁人体健康。图1-2 汞的迁移转化循环三、环境污染物在环境各圈的迁移转化过程简介l污染物的迁移：污染物在环境中所发生的空间位移及其所引起的富集、分散和消失的过程。l污染物的转化：指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。l污染物的迁移和转化常常是相伴进行。1.污染物的迁移污染物在
25、环境中的主要迁移方式：l机械迁移：l物理-化学迁移：最重要的迁移形式。可通过溶解-沉淀、氧化一还原、水解、配位和整合、吸附一解吸等理化作用实现无机污染物的迁移。有机污染物还可通过化学分解、光化学分解和生物分解等作用实现迁移。l生物迁移：污染物通过生物体的吸收、代谢、生长、死亡等过程实现迁移。某些污染物可通过食物链传递产生放大积累作用，这是生物迁移的一种重要表现形式 2.污染物的转化l通过物理过程实现转化 蒸发 渗透 凝聚 吸附 放射性元素蜕变l通过化学作用实现转化：光化学氧化 氧化还原 配位络合 水解l通过生物作用实现转化 生物的吸收 生物的代谢3.污染物在环境要素圈的迁移和转化 污染物可在单
26、独环境要素圈中迁移和转化，也可超越圈层界限实现多介质迁移、转化而形成循环。l在大气中的迁移和转化：通过扩散和被气流搬运而迁移，并通过光化学氧化或催化氧化反应而转化。大气中的氮氧化物、碳氢化合物可通过光化学氧化生成臭氧、过氧乙酰硝酸酯及其他光化学氧化剂，并在一定气象条件下形成光化学烟雾。二氧化硫在大气气溶胶存在下经光化学氧化或催化氧化作用转化为硫酸或硫酸盐是形成酸雨的原因之一。l在水体中的迁移和转化：污染物通过溶解态随水流动或通过吸附于悬浮物而传输，悬浮物沉积于水底将污染物带入沉积物中。同时污染物通过氧化还原、络合水解和生物降解等作用发生转化，包括存在形态和价态的变化。这不仅会影响污染物的性质，也影响它的迁移能力。比如Cr(III)和Cr(VI)、As(III)和As(VI)在不同的环境条件下可相互转化就是典型的例子。l在土壤中的迁移和转化：土壤是自然环境中微生物最活跃的场所，生物降解对污染物迁移转化起着重要作用。土壤的pH值、温度、湿度、离子交换能力、微生物种类和通气状况等是影响污染物转化的因素。土壤的氧化还原条件控制着污染物的存在状态，如砷在旱地氧化条件下为五价，在水田还原条件下则为三价。对金属离子来说，pH值小于7易溶于水呈离子状态，pH值大于7则易与碱性物质化合生成不溶性盐类。许多有机物通过微生物作用可分解转化生成二氧化碳和水等无害物。
