第8章环境与化学(讲授4学时) Chapter8 Environment and Chemistry 本章教学内容 环境污染概况。资源综合利用。清洁生产。可持续发展。 大气污染及其防治。大气主要污染物(烟尘、SO2、No、CO、HC等)综合 性大气污染现象(酸雨,温室效应,臭氧层的破坏,光化学烟雾)。大气污染 的防治。 水的净化,水质指标,现代化水处理技术,水的污染,工业废水的处理。 工业固体废弃物的治理 本章教学要求 (1)解大气主要污染物;酸雨,温室效应,臭氧层的破坏,光化学烟雾 等综合性大气污染现象 (2)水的净化,水质指标,现代化水处理技术,水的污染,工业废水的 处理; (3)了解工业固体废弃物的治理。 本章教学重点 (1)大气主要污染物,综合性大气污染现象 (2)水质指标,现代化水处理技术,工业废水的处理 (3)固体废弃物的治理。 本章思考题:P23,5,7,9,13,14,15
38 第 8 章 环境与化学（讲授 4 学时） Chapter 8 Environment and Chemistry 本章教学内容： 环境污染概况。资源综合利用。清洁生产。可持续发展。 大气污染及其防治。大气主要污染物（烟尘、SO2、Nox、CO、HC 等）综合 性大气污染现象（酸雨，温室效应，臭氧层的破坏，光化学烟雾）。大气污染 的防治。 水的净化，水质指标，现代化水处理技术，水的污染，工业废水的处理。 工业固体废弃物的治理 本章教学要求： （1） 解大气主要污染物；酸雨，温室效应，臭氧层的破坏，光化学烟雾 等综合性大气污染现象； （2） 水的净化，水质指标，现代化水处理技术，水的污染，工业废水的 处理； （3） 了解工业固体废弃物的治理。 本章教学重点： （1） 大气主要污染物 ，综合性大气污染现象； （2） 水质指标，现代化水处理技术，工业废水的处理； （3） 固体废弃物的治理 。 本章思考题：P222 3，5，7，9，13，14，15
8.1环境污染与绿色化学 8.1.1环境与环境污染 ·环境:包括社会环境和自然环境 环境污染;人为因素使环境不断恶化,从而干扰人类正常生活,对人体健康产 生直接或间接,甚至潜在的不利影响 自净作用:受污染不强烈的环境经过若干物理、化学的自然作用或生物参与下 尚可以恢复到原来状态. 8.1.2绿色化学与清洁生产 (1)绿色化学及特征 1)无毒无害原料, 2)经济性的零排放, 3)生产出环境友好产品, 4)无毒无害反应 (2)清洁生产及途径 1)采用无污染,少污染,节约资源的新工艺、设备 2)无毒无害原料; 3)更新产品的结构 5)开展”三废”综合利用 6)5)达标排放 8.2大气污染及防治 8.2.1大气污染及概况 (1)大气的组成 大气层:(对流层12km以内,其中1-2km以下的地层大气与人类密切相关。 平流层12~50km又称同温层或臭氧层
39 8.1 环境污染与绿色化学 8.1.1 环境与环境污染 ·环境:包括社会环境和自然环境 ·环境污染;人为因素使环境不断恶化，从而干扰人类正常生活，对人体健康产 生直接或间接,甚至潜在的不利影响。 ·自净作用:受污染不强烈的环境经过若干物理、化学的自然作用或生物参与下 尚可以恢复到原来状态. 8.1.2 绿色化学与清洁生产 （1）绿色化学及特征 1) 无毒无害原料, 2) 经济性的零排放, 3) 生产出环境友好产品， 4) 无毒无害反应 （2）清洁生产及途径 1）采用无污染，少污染,节约资源的新工艺、设备 2）无毒无害原料; 3)更新产品的结构, 5) 开展”三废”综合利用， 6) 5)达标排放 8.2 大气污染及防治 8.2.1 大气污染及概况 （1） 大气的组成 大气层： 对流层 12km 以内，其中 1~2km 以下的地层大气与人类密切相关。 平流层 12~50km 又称同温层或臭氧层
中间层 热层 逸散层 清洁干燥的空气,其组成为 ArCO2(其他: Ne he Xe kr h2O3NO2等) 7808%20.95%0.93%0.03% 0.001% 9999% 环境科学对大气组成的分类 1)恒定组分:N2、O2、Ar、Ne、Kr等气体 2)可变组分:CO2(003~0033%)H2O(g)(04%) 3)不定组分:煤烟、粉尘、含SNC的化合物(NO2、H2S、SOx) 一一是大气中的主要污染成分 (2)大气污染概况 大气污染一一大气中有害物质含量超过一定指标,使大气质量恶化对人、动植 物、设备财产造成危害的现象 空气质量周报(以城市空气中SO2、NO2和总悬浮颗粒物的浓度为依据换 算成空气污染指数即API和空气质量级别 空气质量级别空气质量状况 优 可正常活动 51~100 良好可正常活动 101~200 201~300 ⅢⅣV 轻度污染不亦长期接触 中度污染接触一段时间可出现不良 301~500 症状 重度污染影响正常活动 重度污染影响正常活动 8.2.2大气主要污染物 次污染物一一不同污染源直接向大气排放的有害气体和粉尘
40 中间层 热层 逸散层 清洁干燥的空气，其组成为 N2 O2 Ar CO2 ( 其他：Ne He Xe Kr H2 O3 NO2 等) 78.08% 20.95% 0.93% 0.03% 0.001% 99.99% 环境科学对大气组成的分类： 1）恒定组分：N2、O2、Ar、Ne、Kr 等气体， 2）可变组分：CO2 (0.03~0.033%)、H2O(g) (0~4%) 3）不定组分：煤烟、粉尘、含 S N C 的化合物（NO2、H2S、SOx） ——是大气中的主要污染成分 （2）大气污染概况 大气污染——大气中有害物质含量超过一定指标，使大气质量恶化对人、动植 物、 设备财产造成危害的现象。 空气质量周报（以城市空气中 SO2、NO2 和总悬浮颗粒物的浓度为依据换 算成空气污染指数即 API 和空气质量级别 API 空气质量级别 空气质量状况 0~50 51~100 101~200 201~300 301~500 ＞500 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅴ 优 可正常活动 良好 可正常活动 轻度污染 不亦长期接触 中度污染 接触一段时间可出现不良 症状 重度污染 影响正常活动 重度污染 影响正常活动 8.2.2 大气主要污染物 一次污染物——不同污染源直接向大气排放的有害气体和粉尘
大气污染物 二次污染物—一大气污染物相互作用或污染物与大气中正常成分 作用或因太阳光引起光化学反应等使污染物转 换、产生的新的污染物 大气污染物的排放量 SO2 颗粒物 全世界(亿吨/) 1.8 中国(万吨/)97年 2346 3378 98年 2090 2774 99年 1857 2334 重庆市(万吨/)94年 79.6 20.2 95年 75.7 174 2000年主城区 22.3 (1)颗粒物(煤烟、粉尘) 污染源:①煤、石油燃烧(占60%), ②矿山、金属冶炼等, ③火山、岩石风化。 1)降尘——直径>10μm,可因重力很快降落到地面 2)飘尘—一—直径<10μm,以气溶胶的形式长期飘浮在空中,其中0.5~5 um的飘尘对人体危害最大。 飘尘的危害: 可直接到达人体肺部,造成矽肺、呼吸道疾病。 表面积巨大,可吸附污染物,造成粉尘与污染物协同作用(如伦敦型烟雾) 颗粒物中的烟黑含有C、H、O、S的复杂有机化合物及多种稠环芳烃 如:3,4一苯并芘,一种强致癌物
41 大气污染物 二次污染物——大气污染物相互作用或污染物与大气中正常成分 作用或因太阳光引起光化学反应等使污染物转 换、产生的新的污染物。 大气污染物的排放量： SO2 颗粒物 全世界（亿吨/年） 1.8 5 中 国 （万吨/年） 97 年 2346 3378 98 年 2090 2774 99 年 1857 2334 重庆市（万吨/年） 94 年 79.6 20.2 95 年 75.7 17.4 2000 年主城区 22.3 1.68 （1） 颗粒物（煤烟、粉尘） 污染源：①煤、石油燃烧（占 60%）， ②矿山、金属冶炼等， ③火山、岩石风化。 1） 降尘—— 直径＞10μm，可因重力很快降落到地面。 2） 飘尘—— 直径＜10μm，以气溶胶的形式长期飘浮在空中，其中 0.5~5 μm 的飘尘对人体危害最大。 飘尘的危害： ⚫ 可直接到达人体肺部，造成矽肺、呼吸道疾病。 ⚫ 表面积巨大，可吸附污染物，造成粉尘与污染物协同作用（如伦敦型烟雾） ⚫ 颗粒物中的烟黑含有 C、H、O、S 的复杂有机化合物及多种稠环芳烃。 如： 3，4—苯并芘，一种强致癌物
对气候产生影响,使大气可见度降低,减少阳光的辐射,具有冷却效应。 (2)SO2 污染源:煤、石油的燃烧(占90%),如火力发电厂、钢铁厂、石油化工厂等。 SO2的危害 1)有刺激性的无色气体,空气中浓度为6-12ppm时,可引起鼻腔、咽喉刺激 性反应,高浓度时引起支气管炎,室息。 2)破坏叶绿素,使植物叶片枯黄、脱落、树干枯死,水稻减产。 3)形成酸雨。 (3)CO 主要污染源:汽车尾气的排放 危害:CO是一种无色、无味、无嗅的气体,可破坏血红蛋白的输氧功能。 当空气中CO浓度达1%时,可使人2分钟内死亡 (4)NOx(氮氧化物)—NO、NO2、N2O3、N2O5等 主要污染源:1)煤、石油的燃烧,2)汽车尾气的排放。 危害 1)刺激呼吸系统。 2)使血红素硝基化,从而使人中毒。 3)形成酸雨,光化学烟雾。 (5)碳氢化合物(烃类 2.3综合性大气污染现象 (1)光化学烟雾与汽车尾气 l)光化学烟雾的形成机理 要反应: hv →NO+O(原子氧)
42 ⚫ 对气候产生影响，使大气可见度降低，减少阳光的辐射，具有冷却效应。 （2） SO2 污染源：煤、石油的燃烧（占 90%），如火力发电厂、钢铁厂、石油化工厂等。 SO2 的危害： 1）有刺激性的无色气体，空气中浓度为 6~12ppm 时，可引起鼻腔、咽喉刺激 性反应，高浓度时引起支气管炎，窒息。 2）破坏叶绿素，使植物叶片枯黄、脱落、树干枯死，水稻减产。 3）形成酸雨。 （3） CO 主要污染源：汽车尾气的排放。 危害：CO 是一种无色、无味、无嗅的气体，可破坏血红蛋白的输氧功能。 当空气中 CO 浓度达 1%时，可使人 2 分钟内死亡。 （4） NOx (氮氧化物)——NO、NO2、N2O3 、N2O5 等 主要污染源：1）煤、石油的燃烧，2）汽车尾气的排放。 危害： 1）刺激呼吸系统。 2）使血红素硝基化，从而使人中毒。 3）形成酸雨，光化学烟雾。 （5） 碳氢化合物（烃类） 8.2.3 综合性大气污染现象 （1）光化学烟雾与汽车尾气 1) 光化学烟雾的形成机理 主要反应： hν NO2 NO + O(原子氧)
λ=392nm +o O3+HC→R—COH+R一C=0 (醛)(酰氧基 RC=0+O2+NO→R-C=O (PAN) 经过一系列的光化学反应,光化学烟雾中的主要产物为:O3、醛、酮、PAN、 PAB等,形成一种具有强氧化性、强刺激性的浅蓝色烟雾。 PAN—一过氧乙酰硝酸酯,具有强烈的刺激性,是一种极强的催泪剂 PAB—一过氧苯酰基硝酸酯,刺激性比PAN强100倍 2)汽车尾气的污染 汽车尾气污染物主要有: COX NOX SO2HC铅化合物、颗粒物、O3等。 其中NO2、NO、CO、烯烃、芳烃等在汽车尾气中所占比例很大。 汽车尾气的复杂性和毒性主要取决于一下因素: 汽油的组成, 内燃机的结构和燃烧过程, 尾气的后处理 汽油的主要成分为:CsC12,其中以C7~C8为主 辛烷燃烧反应:C8H18()+12.502→8CO2(g)+9H2O(g) 辛烷不完全燃烧将产生200多种烃类(原来汽油中没有的), 汽油中的CO主要来自烃类的不完全燃烧,NOx则是在气缸点火的高温瞬间 由空气中的N2和O2反应生成的。 (2)酸雨 正常的雨水pH=6-7pH=lgc(H) ∵:CO2(g)+H2O(g)=H2CO3按平衡计算pH=56
43 λ=392nm O + O2 → O3 O· O3 + HC → R—COH + R—C =O （醛） (酰氧基) O· R—C =O + O2 + NO → R—C = O O—O—NO2 (PAN) 经过一系列的光化学反应，光化学烟雾中的主要产物为：O3、醛、酮、PAN、 PAB 等，形成一种具有强氧化性、强刺激性的浅蓝色烟雾。 PAN——过氧乙酰硝酸酯，具有强烈的刺激性，是一种极强的催泪剂。 PAB——过氧苯酰基硝酸酯，刺激性比 PAN 强 100 倍。 2）汽车尾气的污染 汽车尾气污染物主要有：COx NOx SO2 HC 铅化合物、颗粒物、O3 等。 其中 NO2 、NO、CO、烯烃、芳烃等在汽车尾气中所占比例很大。 汽车尾气的复杂性和毒性主要取决于一下因素： ⚫ 汽油的组成， ⚫ 内燃机的结构和燃烧过程， ⚫ 尾气的后处理 汽油的主要成分为：C5~C12 ，其中以 C7 ~ C8 为主 辛烷燃烧反应： C8H18 (l) +12.5O2 → 8CO2(g ) +9H2O (g) 辛烷不完全燃烧将产生 200 多种烃类（原来汽油中没有的）， 汽油中的 CO 主要来自烃类的不完全燃烧，NOx 则是在气缸点火的高温瞬间 由空气中的 N2 和 O2 反应生成的。 （2）酸雨 正常的雨水 pH = 6~7 pH = -lgc(H+ ) ∵ CO2 (g) + H2O（g）= H2CO3 按平衡计算 pH = 5.6
酸雨——pH800nm红外光
44 400 800 3000 12000 000 酸雨——pH ＜ 5.6 的降水 酸雨形成中的主要化学过程可表示为： SO2 型 1）液相催化学反应 SO2 + H2O(l) →H2SO3 2 H2SO3 + O2 →2H2SO4 2)气相反应 SO2 + O2 → SO3 + O SO3 + H2O → H2SO4 NOx 型 2NO + O2 → 2NO2 2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 酸雨的分布 全球：酸雨主要分布在北半球，世界三大酸雨区按时间先后为： 欧洲、北美、中国。 中国：酸雨主要分布在 长江以南、青藏高原以东、四川盆地等地区。 其中有四条线： 重庆——宜宾 贵阳——柳州 长沙——广州 上海——杭州 酸雨的危害 1） 使水体、土壤严重酸化，鱼类、农作物受到影响。当 pH＜4.8，鱼类就 会死亡。 2） 破坏森林、植物的生长。 3） 使建筑物、材料、金属制品被腐蚀。 （3）温室效应加剧 1） CO2 与温室效应 太阳辐射能量的 99%在波长 150~4000nm ＜400nm 紫外光， 400~800nm 可见光， ＞800nm 红外光 能 量 λ/nm
CO2允许太阳的短波辐射透过,在4300nm附近有一个强吸收带,从而把热 量截留在大气层内,使地表和低层大气变暖,类似于温室中玻璃的作用,故称 为温室效应 2)其他温室气体 H2OCH4N2OO3CFC等多原子分子(30多种)均可吸收长波辐射 产生温室效应。 3)温室效应对人类的影响 (4)臭氧层耗减 1)平流层中O3的形成 平流层的臭氧时由于氧分子吸收太阳及宇宙射线中的紫外光而形成的。主要 反应为: 生成反应:O2+hv(A<240nm)→20(激发态氧原子) O+O2→O3 分解反应:O3+hv(A<290nm)→O2+O 消除反应:O3+O→202 在平流层中始终维持着O3的生成与分解,使平流层中O3的含量长期保持在 定的范围内,在25km高度,O3的浓度可达5×1012分子/cm3。正是由于O 的生成与分解反应,吸收了太阳光中的大部分紫外线,被称为“生命之伞”。 太阳紫外线分为三个波段:UVC(10095m)有害O3吸收90%以上 UVB(295~320nm)有害 UV-A(320~400nm 全部通过 2)臭氧层破坏的现状 彩图14是取 ●南极臭氧洞的形成
45 CO2 允许太阳的短波辐射透过，在 4300nm 附近有一个强吸收带，从而把热 量截留在大气层内，使地表和低层大气变暖，类似于温室中玻璃的作用，故称 为温室效应。 2） 其他温室气体 H2O CH4 N2O O3 CFC 等多原子分子（30 多种）均可吸收长波辐射， 产生温室效应。 3） 温室效应对人类的影响 （4）臭氧层耗减 1） 平流层中 O3 的形成 平流层的臭氧时由于氧分子吸收太阳及宇宙射线中的紫外光而形成的。主要 反应为： 生成反应： O2 + hν(λ＜240nm) → 2O (激发态氧原子) O + O2 → O3 分解反应： O3 + hν(λ＜290nm) → O2 + O 消除反应： O3 + O → 2O2 在平流层中始终维持着 O3 的生成与分解，使平流层中 O3 的含量长期保持在 一定的范围内，在 25km 高度，O3 的浓度可达 5×1012 分子/cm3。正是由于 O3 的生成与分解反应，吸收了太阳光中的大部分紫外线，被称为“生命之伞”。 太阳紫外线分为三个波段：UV—C (100~295nm) 有害 O3 吸收 90%以上 UV—B (295~320nm) 有害 UV—A (320~400nm) 全部通过 2） 臭氧层破坏的现状 ⚫ 南极臭氧洞的形成
北极上空臭氧逐年减少 臭氧层破坏已从两极向中纬度地区扩散 3)臭氧层耗减对环境、生态的影响 4)臭氧层破坏的机理 氯氟烃破坏O3 氯氟烃中用量最大的师氟里昂(CF2Cl2),其对O3破坏的机理为: 光分解产生Cl原子CF2Cl2+hv→Cl+CF2Cl Cl引发破坏O3的链反应:Cl+O3→ClO+O2 ClO+O→Cl+O2 总反应:O3+O→202 个Cl原子可破坏10万个O3分 除氟里昂外,其他卤代烷烃如:CF3Br(哈龙)、CCl4(氯仿)、CH3Br(甲基溴) 等同样会破坏O3,且Br破坏O3的能力比Cl更强 NOx破坏O3 NOx来自核爆炸、超音速飞机、航天飞机、氮肥的使用、微生物的转化等。 NO+O3→NO2+O NO2+O→NO+O2 总反应O3+O→202 CFC的替代品 1)氢氟烃(HFC)不含Cl,但制冷效果较差。 2)氟碘烃(CF3I)CI键易吸收紫外线而断裂,不会滞留在大气层中 3)氢氯氟烃(HCFC)对O3破坏较小,可作为CFC的过渡替代品 我国冰箱CFC的替代品主要有: ICFC-1416HFC-134a异丁烷混合制冷剂(CFI+HFC-152a) 5.大气污染的防治与治理技术 (1)加强大气质量的管理,随时进行监测。 (2)控制污染源
46 ⚫ 北极上空臭氧逐年减少 ⚫ 臭氧层破坏已从两极向中纬度地区扩散 3） 臭氧层耗减对环境、生态的影响 4） 臭氧层破坏的机理 ⚫ 氯氟烃破坏 O3 氯氟烃中用量最大的师氟里昂（CF2Cl 2），其对 O3 破坏的机理为： 光分解产生 Cl 原子 CF2Cl 2 + hν→ Cl + CF2Cl Cl 引发破坏 O3 的链反应： Cl + O3 → ClO + O2 ClO + O → Cl + O2 总反应：O3 + O → 2O2 一个 Cl 原子可破坏 10 万个 O3 分 子 除氟里昂外，其他卤代烷烃如：CF3Br (哈龙)、CCl4(氯仿)、CH3Br（甲基溴） 等 同样会破坏 O3，且 Br 破坏 O3 的能力比 Cl 更强。 ⚫ NOx 破坏 O3 NOx 来自核爆炸、超音速飞机、航天飞机、氮肥的使用、微生物的转化等。 NO + O3 → NO2 + O2 NO2 + O → NO + O2 总反应 O3 + O → 2O2 CFC 的替代品： 1） 氢氟烃（HFC） 不含 Cl，但制冷效果较差。 2） 氟碘烃（CF3I） C—I 键易吸收紫外线而断裂，不会滞留在大气层中。 3） 氢氯氟烃（HCFC） 对 O3 破坏较小，可作为 CFC 的过渡替代品。 我国冰箱 CFC 的替代品主要有： HCFC-1416 HFC-134a 异丁烷 混合制冷剂（CF3I+HFC-152a） 5．大气污染的防治与治理技术 （1） 加强大气质量的管理，随时进行监测。 （2） 控制污染源
(3)改革能源结构 (4)加强汽车尾气的治理 (5)植树造林 SO2的治理 (1)氨法:用氨水为吸收剂吸收废气中的SO2,吸收率>90%, 主要反应:SO2+2NH3·H2O=(NH4)SO (NH4)2SO3+SO2+H20=2 NH4HSO SO2+ 2NH3. H20= NH4HSO3 (2)钠法:用NaOH或Na2CO3水溶液为吸收剂,吸收率>90%, 主要反应:2NaOH+SO2=Na2SO3+H2O Na2 CO3+ SO2=Na2SO3+ CO2 (3)钙法:用 Cao Ca(OH2或CaCO3制成浆液为吸收剂,产物为CaSO4, 脱硫率>96% 主要反应:CaCO3+SO2+1/2H2O=CaSO3·1/2H2O+CO 2CaSO3·12H2O+O2+3H2O=2CaSO4·2H2O 8.3水污染及其治理 1评价水质的指标 电导率:表示水的导电能力,间接反应出水中含盐量的多少。单位S·m 298K时高纯水的电导率=5.5×106S·m 去离子水电导率=1.0×10s·m 蒸馏水电导率=1.0×103s·m 自来水电导率=0.55.0×102S·m 工业废水电导率=1S·m 天然水体的组成
47 （3） 改革能源结构。 （4） 加强汽车尾气的治理。 （5） 植树造林。 SO2 的治理 （1）氨法：用氨水为吸收剂吸收废气中的 SO2，吸收率＞90%， 主要反应： SO2 + 2NH3·H2O = (NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2 NH4HSO3 SO2 + 2NH3·H2O = NH4HSO3 （2）钠法：用 NaOH 或 Na2CO3水溶液为吸收剂，吸收率＞90%， 主要反应： 2 NaOH + SO2 = Na2SO3 + H2O Na2CO3 + SO2 = Na2SO3 + CO2 （3）钙法：用 CaO Ca (OH)2 或 CaCO3 制成浆液为吸收剂，产物为 CaSO4， 脱硫率＞96% 主要反应： CaCO3 + SO2 + 1/2H2O = CaSO3·1/2H2O + CO2 2CaSO3·1/2H2O + O2 + 3H2O = 2CaSO4·2H2O 8.3 水污染及其治理 8.3.1 评价水质的指标 ⚫ 电导率：表示水的导电能力，间接反应出水中含盐量的多少。单位 S·m -1 298K 时 高纯水的电导率 = 5.5×10- 6 S·m -1 去离子水电导率 = 1.0×10- 4 S·m -1 蒸馏水电导率 = 1.0×10- 3 S·m -1 自来水电导率 = 0.5~5.0×10- 2 S·m -1 工业废水电导率 =1 S·m -1 天然水体的组成 分 类 主 要 物 质