大学化学第05章-环境化学基础

第5章环境化学基础Chapter5BasicEnviromentalChemistry本章概要5.1环境与污染6.1.1几个基本概念；6.1.2环境污染的研究内容5.2大气污染与防治（防止）6.2.1大气的组成与结构；6.2.2几种主要的大气污染；6.2.3烟气除尘与脱硫技术；6.2.4CO2回收与综合利用技术5.3水污染与防治6.3.1我国的水资源状况简介；6.3.2几个主要的水质指标与处理措施；6.3.3常用的水处理技术5.4固废处置与土壤污染5.5可持续发展战略:清洁生产与绿色工业复习教材第11章；预习教材第12章；：另行布置作业5.1环境与污染5.1.1几个基本概念环境是指人类赖以生存的自然环境和社会环境的总和。自然环境是指与人类生存和发展有关的各种自然因素，包括阳光、空气、水、土壤、气候、动植物、微生物，等。人、动物、植物和微生物组成了生物界。各种群之间在依赖与约束中共生。生物群落与周围非生物环境间也存在着相互作用，如此构成的综合体称为生态系统。生态系统内部存在物质、能量等交换，当这种交换在相当长时间内保持平稳状态时，便称为达到了动态的生态平衡。自然界的水循环生态系统具有一定的抗冲击能力，但当外来冲击超过其承受能力时，系统便遭到了不可逆转的破坏；当一种生态平衡遭到破坏后，建立新的平衡需相当长的时间和代价。常见的破坏生态的例子有：乱伐森林、破坏植被引起的水土流失与沙漠化；向大气中过量排放有害气体导致臭氧空洞与温室效应；向水体中过量排放废弃物引起水体的富营养化；5.1.2环境污染的研究内容当前人们关注的环境污染的内容包括：空气污染；水污染；固废污染；噪音污染；光污染；热污染；放射性污染；等。5.2大气污染与防治（防止）5.2.1大气的组成与结构5.2.1.1大气的组成5.2.1.2大气的结构5.2.2几种主要的大气污染5.2.2.1粉尘（悬浮颗粒物）定义：粉尘=降尘(d≥10m,在大气中可因重力而自然沉降)+飘尘(d10m,在大气中不能自然沉降)。危害：降低能见度；吸附携带有害物质与病菌；可随空气通过呼吸进入人体参加血液循环，部分残留在合适的部位引起组织的病变。来源：工矿企业燃煤、燃油，通过烟囱排放的烟尘。防止方法：工矿企业采用除尘设备（静电除尘；旋风除尘；布袋除尘；水膜除尘；等)。5.2.2.2温室气体与温室效应地球上的能量关系地球上的能量平衡地球温度升高所带来的后果（Rf：改变世界的6度）南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面上升。气候反常，海洋风暴增多。土地干旱，沙漠化面积增大。地球上的病虫害增加。南极冰川融化速度加快与地球大气有关的温室气体:CO,N2O,O3,CH4,CO2,H2O，等。温室气体通常是指大气能够让太阳短波辐射自由通过，同时能够强烈吸收地面和空气放出的长波辐射(红外线)，这样就使地表与低层大气温度增高。温室气体的振动方式与红外吸收温室气体的红外吸收谱图温室气体排放量前五名的国家198519901995200020052010012345678CO2emissions,109t/aYEARPROCUSARussiaIndianJapan5.2.2.3SOx、NOy与酸雨(SO2、NO一次污染物)(SO3、NO2、H2SO4二次污染物)定义：由于大气中0.04%CO2的存在，未污染天然雨水的pH约为5.6。人们将pH5.6的雨水叫做酸雨。(H2CO3?)酸雨的危害：腐蚀建材和文物；烧毁庄稼、植物与植被；污染土壤与水体（酸雨使土壤、湖泊、河流酸化，它抑制土壤中有机物的分解和氮的固定，淋洗与土壤粒结合的钙、镁、钾等营养元素，使土壤贫瘠）；刺激呼吸道、引发疾病。污染来源：工矿企业燃煤，汽车尾气，等。防止方法：企业采用脱硫、脱氮装置；减少汽车的用量。目前，全球已形成三大酸雨区。我国覆盖四川、贵州、广东、广西、湖南、湖北、江西、浙江、江苏和青岛等省市部分地区，面积达200多万平方公里，是世界三大酸雨区之一。我国酸雨区面积扩大之快、降水酸化率之高，在世界上是罕见的。世界上另两个酸雨区是以德、法、英等国为中心，波及大半个欧洲的北欧酸雨区和包括美国和加拿大在内的北美酸雨区。这两个酸雨区的总面积大约1000多万平方公里，有时降水的pH值小于0.5，有的甚至小于0.4。国家环保总局2005年6月2日公布的《2004年中国环境状况公报》显示，2004年我国酸雨污染略呈加重趋势。统计显示，2004年我国出现酸雨的城市有298个，占全国527个统计市（县）的56.5％。降水年均pH值小于5.6（酸雨）的城市达218个，占统计城市的41.4％。与上年相比，出现酸雨的城市比例增加了2.1％，酸雨城市比例上升了4％，其中pH值小于4.5的城市比例增加了2％；酸雨频率超过80％的城市比例上升了1.6％。南京历史上酸雨的极值出现在1997年3月份，其PH值为3.06，达到了重度酸雨的标准，这场酸雨的酸性比醋还强（醋酸Ph=4.76）。5.2.2.4含氟烷烃与臭氧空洞典型的相关含氟烷：氟里昂(Freon,含氟含氯烷烃，性质优良的制冷剂)；哈龙（Halon，含氟含溴烷烃，性质优良的泡末灭火器材料）。氟里昂是一类化学性质稳定，不具有可燃性和毒性的化合物，被当作性质优良的制冷剂，在空调、冰箱中应用广泛。缺点:排放到大气中后，由于它平均寿命长，可以达到数百年，大部分是停留在对流层中，相当稳定。但是，也有一小部分会进入平流层。而平流层中存在强烈的紫外线辐射，氟利昂在紫外辐射下会分解释放出氯原子，那么氯原子又可与臭氧分子发生连锁反应，这样臭氧分子不断地被破坏。臭氧的产生与消亡机理：O22O(光引发)O2+OO3O3O+O2（光引发）CFCl3CFCl2+Cl(光引发)Cl+O3ClO+O2ClOCl+O2臭氧空洞对人类生存的影响防止方法全面禁用氟氯碳化物南极上空的臭氧空洞臭氧存在于对流层、平流层与中间层中，在距地面0～60km的范围内，以距地表30km处浓度最高。损害人体的免疫系统，增加皮肤癌的患病概率；会有更多的太阳紫外辐射到达地面，增加近地面大气臭氧形成的速率，使大气环境恶化，植物死亡等。5.2.2.5碳氢化合物、氮氧化物与光化学烟雾现象：由汽车排放物NOx和碳氢化物为基础，在一定的气候条件和光照情况下，引发一系列的化学反应，产生醛酮醇酸(结构式？)等有机物(二次污染物)，凝聚为烟雾。危害：影响能见度，刺激黏膜与呼吸道，腐蚀老化建筑设施。形成机理：NO2NO+O(光引发)；O+O2O3O3+碳氢化物(HC)醛酮醇酸等及其碎片防止措施：减少、净化汽车尾气。5.2.3烟气除尘与脱硫技术5.2.3.1常用的烟气除尘方法机械除尘：依靠机械力将尘粒从气流中除去，其结构简单，设备费和运行费均较低，但除尘效率不高。包括重力除尘、惯性除尘、离心除尘等。洗涤除尘：用液体洗涤含尘气体，使尘粒与液滴或液膜碰撞而被俘获，除尘效率为80%～95%，运转费用较高。包括水浴式除尘、泡沫式除尘，文丘里管除尘、水膜式除尘等。过滤除尘：使含尘气流通过滤料将尘粒分离捕集，分内部过滤(滤料除尘)和表面过滤(布袋除尘)两种方式，除尘效率一般为90%～99%，不适用于温度高的含尘气体。静电除尘：利用静电力实现尘粒与气流分离，特点是气流阻力小，除尘效率可达99％以上，但投资较高。占地面积大。5.2.3.2常用的烟气脱硫技术石灰石-石膏法：以石灰浆为吸收剂泵入吸收塔与烟气接触，烟气中的二氧化硫与浆液中的碳酸钙以及从下而上的空气进行氧化反应生成硫酸钙，反应式为(没有二次污染)CaCO3+SO2+½O2→CaSO4+CO2。脱硫效率可大于95%。海水脱硫法：是利用海水的碱度脱除二氧化硫的脱硫方法。吸收二氧化硫后的海水经曝气处理，使其中的SO32-被氧化成为稳定的SO42-。此工艺的问题是可能产生的重金属沉积和对海洋环境的影响。(有二次污染)氨水脱硫法：以氨水为吸收剂，副产硫酸铵化肥。在洗涤器中氨水自塔顶喷淋洗涤烟气，发生反应(氨水具有挥发性，成本高)2NH4++SO2+O2→(NH4)2SO4。产生的浓度约30%的硫酸铵溶液可直接作为液体氮肥出售，也可浓缩蒸发干燥成颗粒出售。石灰浆法烟气脱硫工艺流程示意图5.2.4.1CO2的性质与作用物理领域：用作惰性气体(保护焊)、冷却剂(灭火剂)、超临界萃取剂(提取天然植物精华，提高石油开采率)等；用作泡沫材料的发泡剂。化学领域:纯碱，化肥，轻质碳酸盐等。5.2.4CO2回收与综合利用技术生物领域：啤酒、碳酸饮料的添加剂；植物生长(尤其棚栽植物)的气体肥料；用作果蔬保鲜剂,以抑制果蔬中微生物呼吸和病菌发生；是呼吸促进剂。5.2.4.2CO2的回收技术物理吸收法：利用CO2气体在高(低)压力下在特定的有机溶剂中溶解度的大(小)来分离CO2气体与其它杂质气体的方法。吸收剂须对CO2的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、性能稳定。常用的有环丁砜、甲醇、聚乙二醇二甲醚等。化学吸收法：使原料气和化学溶剂(如K2CO3水溶液或乙醇胺类溶液)在吸收塔内发生化学反应,CO2被吸收至溶剂中成为富液,富液进入脱析塔加热分解出CO2从而达到分离回收CO2的目的。碳酸钾法吸收与解析反应方程为：K2CO3H2OCO2KHCO3+2+加压、降温降压、加热吸附法：本法是利用固态吸附剂对原料混合气中的CO2的选择性可逆吸附作用来分离回收CO2的，分为变温吸附法和变压吸附法两种。吸附剂在低温高压时吸附CO2,升温降压后将CO2解析出来。常用的吸附剂有天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶和活性炭等。膜分离法：膜分离法是利用某些聚合材料如醋酸纤维、聚酰亚胺等制成的薄膜对不同气体的渗透率的不同来分离气体的。膜分离的驱动力是压差,当膜两边存在压差时,渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜,形成渗透气流,渗透率低的气体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流,两股气流分别引出从而达到分离的目的。膜分离法的关键是膜的选择性。5.3水污染与防治5.3.1我国的水资源状况简介我国是一个水资源相对贫乏的国家(水量居世界第六位,人均水量却很少，在110位)；我国的水资源分配极不平衡(北方占地面积大，水资源所占比例小；南方占地面积小，水资源所占比例大)；我国水体的受污染情况严重；无计划的开采和使用使得我国的许多河流干枯、湖面减小、地下水位减低。5.3.2几个主要的水体污染与处理措施5.3.2.1固体悬浮物污染定义：难溶性物质（固体或液体）在水中以胶体状态出现，影响水的清澈程度，属于表观水质指标。处理：透加絮凝剂进行混凝沉淀处理。5.3.2.2有机污染物与CODCr、BOD5定义：水体中所含有机物含量可用COD(ChemicalOxygenDemand,化学耗氧量)和BOD(BiologicalOxygenDemand,生化需氧量)表示。COD：指在一定条件下，水中有机污染物和还原性物质与强氧化剂(K2Cr2O7或KMnO4)氧化时所需要消耗的氧化剂量。BOD：指在有氧的条件下，水中可分解的有机物被好氧微生物分解一定时间后，所消耗氧的量。同一废水，CODBOD富营养化与赤潮（绿潮、蓝潮）、水体发黑变臭。“富营养化”:在人类活动集中的一些水流缓慢的水域，由于水体中N、P含量较高，使得藻类等浮游生物大量繁殖.赤潮：藻类死亡腐败后，又分解出大量营养物质，促进藻类的进一步发展，最终造成氧含量降低，水体发黑变臭。治理方法：生化处理。5.3.2.3重金属污染重金属对生命体的危害重金属污染物的来源：电镀废水；废旧电池；含重金属废水的治理5.3.2.4热污染废热的来源（钢铁厂，热电厂，炼油厂，化肥厂，）废热对水体的影响热污染的防止浙江海域出现的大面积赤潮云南滇池蓝藻暴发5.3.3常用的水处理技术5.3.3.1浊度去除技术（混凝沉淀与混凝气浮）混凝原理(通过向污水中投加高分子聚电解质，使得污水中难以沉淀的胶体物质迅速脱稳而