环境化学

人类为了推动社会进步和改善生活质量，利用科学进步，为自己营造了一个五彩缤纷的花花世界。人类开发的夫然资源和人造化学物质，在过去的二个世纪中，为人类的文明进步起到了不可替代的作用，进入新的世纪，人类的这些创造将会继续起更大的作用。但是一切事娜都有两面性，大量人工合成化学物质的生产和使用，以尽天然资源的过度开发，已造成对生态环境的冲击，人为造成的物理的和生物因子也同样有两面性。这几方面因素的协同构成了对人类未来的威胁。既要人类进步和生活质量提高，又要保护人类安全，人类就需要十分严峻地考虑保护环境的问题。目前，人类已经注意到许多化学物质在一定浓度、在一定条件下会产生有利的效果；而在较高浓度或另外的条件下则会产生有害的作用。实际上生物的活动以及能源的利用也会有类似的两面作用。环境科学家的任务就是找出最合适的条件，以开发和利用其有利的一面，防止其有害的一面。

随着科技的进步和环境科学的成长，环境化学逐步形成为一门新兴交叉学科，它涉及到化学、物理学、生物学、地学、天文学、医学、工程技术和社会科学等多门类学科，有较强的综合性。一个城市，一个国家，甚至全世界的环境问题，光靠某一部分科学家的分析、检测、提出治理方案以及实行治理实践等，都不可能彻底解决问题，因为涉及面太广，问题综合性太强。首先需要有有关各级政府的立案办理、宏观调控，保证资金到位，技术方案合理出台，有关技术部门协调合作，责任到位，才有可能做出一点工作。例如我国重庆地区的酸雨问题比较严重，平时空气的pH<4.5,最低可达2.8，主要成分是硫酸酸性，间或有时含有硝酸。这不是一家一户造成的，也不是一两家生产企业造成的，而是因为该地区使用的天然气中含硫量较高，当地的煤种也含硫量较高，燃烧后的产物S02扩散到空气中，成为酸雨的根源。这种问题不是靠几位环境化学家所能解决的。这必须由政府进行综合治理，例如从根治理，建立现代化的天然气脱硫装置，低质煤脱硫装置，恶格控制燃烧产物废气中的Sq排放量。此外还要改善自然生态环境，封山造林种草，增加绿色覆盖率……

等等。经过较长t时询的治理，方可收效。当然从科学角度来看，环境化学的建立有助于从化学原理阐明治理环境污染的必要性和可能性，教育人民，说服人民，共同承担起保护环境的公民责任，地球才会成为人居的天堂。

28.1什么是环境化学

环境化学是一门新兴学科，它研究在环境中物质间相互作用的学问，包括研究天然物质、生物物质和合成化学物质在环境介质（大气、水体、土壤、生物）中的存在、化学特性、行为和效应，并在此基础上研究控制它们的化学原理和方法。化学物质进人各种介质后，都要发生迁移和转化，在其运动一中把各种介质联系到一起，并在各种介质中表现出化学物质各自特有的环境化学行为和化学效应，从而形成了环境化学有关的分支学科，例如大气环境化学、水环境化学和土壤环境化学等。

28.2环境化学的研究方向

环境化学的研究任务，包括分析检测环境介质中存在的有害物质，寻找和追踪它们的来源和去向，和它们在环境介质中的行为，了解有餐物质对生物和人体产生不良影响的规律。因此环境化学的研究方向有女a下几个方面。 28.2.1环境分析化学

环境分析化学的首要任务是分析和检测环境介质（大气、水、土壤、生物）中存在的有害物质t。由于近年来分析仪器的迅速发展，特别是分析仪器联用技术的出现，例如气体色

谱一质谱联用，液体色谱一质谱联用、高压液体色谱一质谱联用、高压液体色谱一大气压电离质谱联用等，使分析的灵敏度大大提高，从痕量分析10-1只级发展到10-1”级。这对环境化学分析起到了很重要的作用。环境分析化学需要解决的关键间题有：样品采集和保存等前处理间题，物种分析，现场实时分析监测，瞬态物种的测定以及对难挥发性化合物、强极性化合物的分析等。虽然有机化合物和金属有机化合物的环境分析化学发展很快，．但在污染物浓度极低、样品组成复杂、毒物转化迅速等情况下，分析监测仍有一定难度。要达到高灵敏度，瞬时快速和在线分析扩还需要进行大量基础性研究。另外一，建立环境分析的数据库并联网，都将是今后的发展方向。 28.2.2大气环境化学

空气是一切动植物生命体维持生命所必不．可少的。没有空气的话，人的生命连几分钟也维持不了。近代由于工农业的发展，给人类既带来了现代化文明生活，同时也带来了威胁人类生命安全的污染问题，其中大气污染是人们十分关心的重要问题之一。由于人类的活动（生活的和生产的），向大气中排放了许多废物，使大气中增加了许多新的成分而使空气的组成变得异常复杂，这就是人们所说的大气污染问题。

·大气中污染物的品种，还没有准确的统计数字，但是已经产生危害并已受到人们注意的，大致有一百种左右，主要一的污染物列在表28..1中。一‘ 分类粉尘粒子硫化物氮化物氧化物卤化物有机化合物 一大气污染物

‘‘沁－－一－－～－．－－－二－－～一‘．‘－朴－～

成分

炭粒、飞灰、碳酸钙、氧化锌、抓化铅等二载化硫、三氧化硫、硫化氢、硫酸等

一氧化氮、二氧化氮、氨等 奥氧、过氧化物、一氧化碳等

筑、氛化氢、抓化氢等 易水了I . 1_焦油、有kli浦杭尚等

在上表所列污染物中，对人类环境威胁较大的，主要是煤粉尘、二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、烃类、硫化氢和氨等几种物质。据统计，现在世界每年向大气中排放的污染物质量列在表28.2中。

表28.2世界每年向空气中排放的毒物总it

一般情况下，大气污染物中粉尘和二氧化硫占、40%、一氧化碳占30%，二氧化氮‘、烃类和其他废气占30%。在主要大气污染物中，世界各地排人大气中的粉尘大致是每年一1亿吨，」占污染物的总量六分之一，大部分是烧煤造成的。一般情况下，工厂每烧1吨煤约向大气中排放11 k$粉尘。一粉尘是人体健康的大敌，有的粉尘可以吸收到肺细胞里沉积，有可能进人血液送往全身。有些飘尘粒子表面附有致．癌性很强的芳香烃化合物。所以各国都认为粉尘颗粒是大气毒物中的首恶。有的城市发生严重毒雾事件（例如英国伦敦毒雾），主要是由煤粉尘引起的。

除煤粉尘外，二氧化硫也是一种很主要的大气污染物。二氧化硫是烧煤或烧油时产生的。1吨煤中含有5一50 kg的化合硫，1吨油含有5一30 kg的化合硫。中东的石油含硫最多，1吨油中约含50翰硫（我国的大庆石油是含硫量很低的优质油）。这些硫在燃烧时将变成两倍重的二氧化硫，进人大气。、如果一个烧煤的火电厂，每天烧2000吨煤，含硫量为396，那么每天将向大气中排放120吨二氧化硫气，使火电厂周围的居民受到毒害。全世界每年排人大气的30乞高达1.5x 104万吨，成为污染大气的主要毒物。

二氧化硫在空中停留时间，大致是一周左右，在下雨或雪一时就随降到地面。二氧化硫在高空中遇到水蒸气时，就变成硫酸烟雾，它能长时间堵停留在大气中。这种烟雾对人和环

境都有很大危害，它的毒性比Sq高10倍。二氧化硫在空气中的浓度达到8 mg/m3时，人开始感到难受，而硫酸烟雾不到0.S mg/m3时，人就不能忍受了。硫酸烟雾也同一城市毒雾有关系。

大气污染物中的一氧化碳是一种极毒的气体，在空气中的含量如果达到百万分之十时人就中毒，浓度达百分之一时，人在2 min内死亡‘它主要是汽车发动机中燃料不完全燃烧时排放出来的。随着汽车增多和工业发展，排放到大气中的一氧化碳日益增多。全世界每年排放到大气里的-r氧化碳超过_Z ;X 104万吨，大致占总毒气量的三分之一，成为城市大气中数量最大的毒气。它在大气中的寿命很长，一般可保持2-3年，因此它是一种数量大、累积性强的一种毒气。据调查，1h内有2 500辆汽车通过的街道，空气中一氧化碳浓度在冬季可高到45 mg/m3，夏季可达29 mg/m3。据统计，空气中的一氧化碳有百分之六十四是汽车排放的。尸因此解决汽车排放一氧化碳问题日益受到注意。

在大气污染中，光化学烟雾是一种新型的污染物，它是汽车和工厂烟囱排出的氮氧化物和烃类经太阳紫外光照射而生成的一种有毒气体。它对人的毒害大致以0. 2 - 0. 3 mg/kg为界，超过这个界限就会使人眼睛红肿，肺机能降低等症状。＿；这种有毒烟雾首先发生于美国的洛杉矶，后来又发生于日本的东京，，都造成了很严重的后果。

除了上述大气污染物外，其他有毒气体主要是氟和氟化氢、抓和抓化氢以及硫化氢等气体。这些气体主要是由于一些有关化工厂的跑漏和不合理排放‘、在外国也曾造成过一些中毒死亡事件。另外，近年；随着工业的发展，不少有毒重金属混人大气，如铅、，锯、铬、锌、钦、锰、钒、钡、砷和汞等（大都以化合物的形式，铅、汞也可以单质形式）。在大气中的这些重金属毒物往往同城市居民的心脏病、动脉硬化、高血压、中枢神经病、慢性肾炎、呼吸系统的癌症等有着密切的联系一‘在这些重金属中铅造成的危害最严重。在国外汽车燃料中一般都掺有四乙基铅和二澳乙烷作为抗爆材料，从汽车气缸排出的废气中便有四乙基铅或它的燃烧产物澳化铅、氧化铅或有机铅等，造成城市街道和路口的空气中有较高浓度的铅，使城市居民的身体健康受到严重的危害。 大气污染除对人体健康造成严重威胁外；还直接危害林木庄稼，助长了病虫害的发生和发展，使家畜中毒死亡，以及腐蚀器物材料等。近年来也纷传报道关于大气污染可能是造成近几年来世界气候反常的原因，也有人推测大气中的还原性污染物S02残S,NH3‘和烃类等可能正在或将会破坏大气高层的臭氧层，而会给地球上的生物带来更严重的灾害。

随着大气污染的危害日益严重，世界上工业发达国家不得不采取一些措施建立专门的环境管理机构、制定了一些环境控制标准，对于各种排烟设备，制定了排放量控制标准，以减少大气污染。各大城市还建立了大气污染监测网，可以对污染源实行监督，并为及时采取措施提供依据。我国第五届全国人大常委会在1979年9月通过了《环境保护法》，以法律的形式对全国城乡环境实行监护，这对我国实现社会主义四个现代化的建设，无疑是完全必要的。

为了防止大气污染情况的进一步恶化，主要还必须采取积极主动的杜绝污染源的措施，例如：工业上研究选用无污染的能源；合理选择使用除尘设备；汽车安装废气净化设备和使用无毒汽车（例如以氢气为燃料），防止大城市畸形发展，通过区域规划下控制大城市的规模和发展中小城市，改变工农业布局，以减少集中污染的发生；研究和推广废气回收和利用技术，发展无废生产工艺的“闭合循环”生产。人类在近代科学技术事业的发展中给自己制造的麻烦，无疑可以通过不同门·类科学技术的合作而能自己加以解决，在其中化学科学在解决环境污·染问题中定将起重大的作用。

大气环境化学的任务主要研究大气污染物的物理化学表征、环境中的化学反应动力学，大气光化学机理及自由基反应过程等。由于大气中颗粒物的增多，微粒组成及其对生态或健康的影响越来越显得重要，使研究重点由均相体系转向非均相化学体系。其中对多种分

子组成的微粒分子形态的研究，即多分子聚积体系如何组成微粒，以及它们对大气环境的影响犷将成为全球性环境间题的热点。

，大气环境化学最突出的例子是1995年诺贝尔化学奖授予三位大气环境化学家M二 Molina(墨西哥）,S. Rowlan(美国）和P. Crutzen荷兰）。他们首先提出了平流层臭氧破坏的化学机理，Crutzen提出NO二理论（'1970), Rowland和Molina提出了氛碳烃理论（1974)0·这些基础理论的研究成果，对南极“臭氧空洞”的发现（1985)而引起了全世界．的轰动，导致（蒙特利尔议定书》的签订(-1987)，为保护全球环境作出了重大贡献。 28.2.3水环境化学

水是人类生活环境中的重要因素之一，在现代化生活中，每个成年人平均每天需要消耗水6600 L(其中包括饮食用水2L，生活用水1600 L，按人平均的工业用水3000 L和农业灌溉用水约3000 L) o没有水，人的生括是不可想像的、为了维持正常生活，保护水源和维持净水的安全供应，就成为城乡管理中的大事。处理水的工厂是民生工业中的最重要环节之一。，

从生态学来说，人是生态系统的组成部分，人的环境也是生态系统的环境。污染物质除了会造成直接毒害之外、也会在生态系统中沿着食物链而转移。天然食物链沿着绿色植物二食草动物一食肉动物而发展。举例来说，河流和水体就是一个生态系统，河流里有浮游植物、浮游动物、小鱼、大鱼、还有食鱼动物等。浮游植物吸收大气和水中的养分，在阳光作用（光合作用）下生长繁殖，浮游动物吃浮游植物，小鱼吃浮游动物，大鱼吃小鱼，食鱼动物吃大鱼，人则吃鱼和食鱼动物。在河流和水体中排人污物，不仅使饮用水源发生问题，而且能使．与河流、水体相联系的生态系统发生如下几个方面的问题。

一种情况是有些由工业排人水体的污染物质本身是毒物，而且排放量大，可以把全部生物都毒杀（例如有的炼焦厂向河水中排放的废水中含有HC，不但毒死河水中生物，而且还毒死饮水的牲畜），不过多数情况下污染物质含量并不高，生物没有死亡，而是经过食物链把它们成千上万倍地富集起来，人们长期食用含高浓度污染物质的动植物，就会致病，甚至发生畸变。

上述情况的一个突出例子是某些工厂向河水中排放含汞（或汞化合物）的废水。在一般情况下，汞进人人体大部分可以排泄出去，不致在体内积累，但在水体内由于淤泥中微生物的作用，汞被转化成甲基汞，叫做甲基化过程.o甲基汞进人人体后会积累在人体中枢神经里。河流、湖泊或海中的某些鱼类能通过食物或鱼鳃摄人水中的甲基汞，并使甲基汞浓集，可使鱼体中甲基汞的浓度比环境水中汞浓度高几千倍之多，因而人吃鱼中汞毒的机会（也经过积累过程）要比饮用水中汞毒的机会大得很多。日本水误县的著名地方病水误病，就是这种经常食用有汞毒鱼类，而产生的汞中毒病。

又例如第二次世界大战中，人类发明了高效杀虫剂DDT。如果由于农业上‘的杀虫活动喷洒了DDT药剂，使空气中DDT浓度为0.000 003 mg/m3，这微量的DDT降人海中，为浮游生物吞食茹浮游生物体内的‘DDT浓度便会富集到0.04mg/rn3（富集 1.3方倍）；浮游生物被小鱼吞食，小鱼体内DDT浓度可达0.5mg/m3（富集14.3万倍）；小鱼再被大鱼吞食，大鱼体内DDT浓度可增加到2.0mg彻权富集57.2万倍）；如果再被水鸟吞食，水鸟体内：DDT’浓度又增高到25mg/tn3（富集到858万倍）；人若食用这些海生生物，DDT可进一步在人体内富集。