第一章 环境污染化学 简介.doc

1、环境污染化学环境污染化学环境污染化学是环境化学的组成部分，又称污染化学。它主要研究环境污染物在地球大气圈、水圈、土壤-岩石圈和生物圈中迁移转化的基本规律。环境污染化学的研究内容包括污染物在环境中的来源、扩散、分布、循环、形态、反应、归宿等各个环节。它的研究目的是为环境质量评价、分析监测和控制治理等方面的工作提供依据。环 境 污 染 化 学 范 畴环 境 污 染 化 学 是 一 门 新 兴 的 学 科 ， 它 的 范 畴 还 没 有 公 认 的 明 确 界 限 。 一 般 可分 为 大 气 污 染 化 学 、 水 污 染 化 学 、 土 壤 污 染 化 学 、 生 态 污 染 化 学 等 部 分

2、 ， 分别 研 究 大 气 、 水 体 、 土 壤 和 生 态 系 统 等 不 同 领 域 中 的 污 染 化 学 问 题 。 环 境 物 质 历 来 是 自 然 科 学 的 重 要 研 究 对 象 。 环 境 污 染 问 题 出 现 后 ， 人 们开 始 研 究 污 染 物 质 。 起 初 ， 研 究 工 作 多 集 中 于 调 查 污 染 物 的 来 源 和 排 放 状 况 ， 着 重 于 探 求 处理 和 控 制 技 术 。 从 60 年 代 开 始 ， 人 们 逐 渐 发 现 ， 污 染 物 进 入 环 境 后 ， 环 境 对污 染 物 的 作 用 、 污 染 物 对 生 态 系 统

3、的 效 应 、 二 次 污 染 物 的 生 成 、 污 染 物 的 迁移 转 化 等 等 ， 都 会 对 环 境 保 护 产 生 全 局 性 影 响 。 这 些 问 题 的 提 出 促 使 环 境 污染 研 究 面 向 自 然 环 境 ， 以 便 更 深 入 地 掌 握 污 染 物 在 环 境 中 的 迁 移 转 化 规 律 ，这 就 推 动 了 环 境 污 染 化 学 的 形 成 和 发 展 。 环 境 污 染 化 学 的 主 要 研 究 对 象 是 人 类 在 生 产 和 消 费 活 动 中 向 环 境 排 出 的污 染 物 ， 例 如 硫 氧 化 物 、 氮 氧 环 境 污 染 化 学

4、的 研 究 对 象化 物 、 烟 尘 、 挥 发 性 烃 、 耗 氧 有 机 物 、 氮 磷 营 养 素 、 重 金 属 、 农 药 、 多 环 芳烃 、 卤 代 烃 、 多 氯 联 苯 、 放 射 性 物 质 等 。 自 然 环 境 中 有 许 多 非 污 染 性 天 然 物 质 ， 如 无 机 盐 类 、 金 属 氧 化 物 、 粘 土矿 物 、 腐 殖 质 等 ， 以 及 各 种 物 理 因 素 (如 光 照 、 辐 射 )、 气 象 、 水 文 、 地 质 、地 理 条 件 等 ， 还 可 能 有 污 染 性 的 天 然 物 质 ， 这 是 污 染 物 存 在 的 环 境 背 景 。

5、这种 环 境 背 景 或 者 与 污 染 物 直 接 作 用 ， 或 者 给 污 染 物 以 间 接 影 响 。 因 此 ， 污 染 化 学 的 研 究 对 象 实 际 应 是 由 污 染 物 及 其 环 境 背 景 共 同 构 成 的综 合 体 系 。 自 然 环 境 是 一 个 开 放 性 体 系 ， 时 刻 有 能 量 流 和 物 质 流 传 送 所 受 的影 响 因 素 很 多 ， 而 且 经 常 变 化 ， 所 以 污 染 化 学 的 研 究 对 象 是 十 分 复 杂 的 。 污 染 物 的 迁 移 和 转 化污 染 物 会 在 环 境 中 发 生 迁 移 和 转 化 。 迁 移

6、包 括 来 源 、 扩 散 、 分 布 、 循 环等 环 节 ， 转 化 则 包 括 形 态 、 反 应 、 归 宿 等 环 节 。 表 面 看 来 ， 迁 移 好 像 只 是 变换 空 间 位 置 的 物 理 运 动 ， 而 实 际 上 它 同 污 染 物 的 转 化 交 织 在 一 起 ， 相 互 依 赖 ，相 互 促 进 ， 包 含 着 复 杂 的 化 学 内 容 ， 同 时 ， 生 物 对 污 染 物 的 迁 移 和 转 化 所 起的 作 用 ， 也 都 同 化 学 反 应 过 程 密 切 相 关 。 例 如 ， 大 气 污 染 物 二 氧 化 硫 在 大 气 中 扩 散 迁 移 时

7、， 可 被 氧 化 成 为 三 氧 化硫 ， 再 遇 到 氨 或 金 属 氧 化 物 时 就 会 形 成 硫 酸 盐 颗 粒 物 。 它 随 降 水 落 到 地 面 ，受 径 流 冲 刷 进 入 水 体 ， 成 为 沉 积 物 。 硫 酸 盐 处 于 水 底 缺 氧 条 件 下 ， 作 为 受 氢体 经 硫 酸 盐 还 原 菌 作 用 ， 可 以 还 原 为 硫 化 氢 ， 再 次 进 入 大 气 。 尽 管 这 只 是 硫 在 环 境 中 循 环 途 径 之 一 ， 但 每 一 步 骤 都 往 往 包 含 有 物 理 化学 或 生 物 化 学 的 反 应 。 大 气 中 二 氧 化 硫 的

8、氧 化 包 含 着 复 杂 的 光 化 学 反 应 ， 形成 各 种 激 发 态 ， 进 行 自 由 基 反 应 ， 并 存 在 非 均 相 的 界 面 吸 附 和 催 化 过 程 。 污 染 物 的 循 环环 境 中 污 染 物 的 循 环 常 归 纳 为 各 种 元 素 的 循 环 。 硫 的 地 球 生 物 化 学 循 环如 碳 、 氧 、 氮 、 硫 、 磷 以 及 各 种 金 属 等 ， 都 是 以 多 变 的 形 态 和 复 杂 的 化 学 反应 过 程 组 成 循 环 体 系 ， 通 常 称 为 生 物 地 球 化 学 循 环 。 污 染 物 的 形 态 和 分 布在 污 染 化

9、 学 研 究 中 有 相 当 一 部 分 工 作 侧 重 在 污 染 物 的 形 态 和 分 布 方 面 。污 染 物 的 存 在 形 态 包 括 价 态 、 化 合 态 、 结 构 态 、 结 合 态 等 。 不 同 形 态 的 污 染物 在 环 境 中 有 不 同 的 化 学 行 为 ， 并 表 现 出 不 同 的 污 染 效 应 。 例 如 ， 六 价 铬 有 强 烈 毒 性 ， 而 三 价 铬 毒 性 较 弱 ； 有 机 汞 如 甲 基 汞 的 毒 性远 远 超 过 无 机 汞 ； 666 有 七 种 异 构 体 ， 而 其 中 型 有 最 强 杀 虫 力 ； 多 环 芳 烃的 致 癌

10、 活 性 与 其 化 学 结 构 有 相 应 关 系 ； 痕 量 污 染 物 与 不 同 载 体 的 结 合 态 往 往决 定 其 在 环 境 中 的 迁 移 状 况 等 等 。 污 染 物 的 分 布 ， 不 只 是 指 在 环 境 空 间 的 浓 度 分 布 ， 而 且 还 指 污 染 物 不 同形 态 、 不 同 相 态 之 间 的 分 配 。 因 为 只 根 据 污 染 物 的 总 量 ， 并 不 能 确 切 掌 握 环境 污 染 的 实 质 。 氮 的 地 球 生 物 化 学 循 环以 汞 为 例 ， 大 气 中 的 汞 污 染 物 主 要 来 自 含 汞 燃 料 的 燃 烧 、 含

11、 汞 矿 物 冶 炼 和 利用 汞 为 原 料 进 行 生 产 的 工 厂 的 排 放 、 还 有 来 自 土 壤 或 水 体 中 汞 的 挥 发 。 它 们以 金 属 汞 和 氯 化 汞 蒸 汽 、 一 甲 基 汞 、 二 甲 基 汞 以 及 颗 粒 态 汞 等 形 态 存 在 。 水 体 中 的 水 溶 性 汞 ， 不 但 有 不 同 价 态 ， 而 且 能 同 多 种 无 机 和 有 机 配 位 体形 成 络 合 物 ， 在 一 定 条 件 下 又 会 生 成 硫 化 汞 等 沉 淀 物 。 汞 还 能 同 粘 土 矿 物 、腐 殖 质 、 金 属 水 合 氧 化 物 等 结 合 为 颗

12、 粒 态 汞 。 在 微 生 物 或 物 理 化 学 作 用 下 ，无 机 汞 可 转 化 为 甲 基 汞 。 水 生 生 物 还 能 在 体 内 蓄 积 汞 ， 各 种 生 物 高 分 子 常 以巯 基 与 汞 结 合 。 环 境 中 汞 的 总 量 按 一 定 比 例 在 各 种 形 态 之 间 分 配 。 阐 明 汞 在环 境 中 的 分 布 ， 往 往 要 涉 及 十 几 种 甚 至 几 十 种 不 同 的 形 态 。 污 染 物 在 环 境 中 转 化 的 机 理为 了 掌 握 污 染 物 在 环 境 中 转 化 的 机 理 ， 需 要 阐 明 其 化 学 的 反 应 过 程 。 自

13、然 环 境 中 的 影 响 因 素 复 杂 多 变 ， 只 用 一 般 的 化 学 规 律 很 难 揭 示 反 应 的 实 质 和全 貌 ， 在 污 染 化 学 发 展 过 程 中 ， 已 陆 续 提 出 和 探 索 了 许 多 新 的 课 题 。 例 如 ，大 气 中 的 光 化 学 反 应 和 二 次 污 染 物 的 生 成 以 及 酸 雨 的 形 成 ， 水 体 中 溶 液 化 学平 衡 和 不 平 衡 体 系 土 壤 和 底 泥 中 的 界 面 化 学 反 应 ， 有 机 污 染 物 在 环 境 中 的 降解 和 生 物 氧 化 ， 有 毒 污 染 物 在 生 物 体 内 的 酶 化

14、学 反 应 等 。 污 染 物 在 均 相 或 多相 的 环 境 体 系 中 转 移 ， 经 历 各 种 物 理 化 学 过 程 ， 例 如 扩 散 、 蒸 发 、 凝 结 、 吸附 、 离 子 交 换 、 凝 聚 、 絮 凝 、 沉 积 、 生 物 浓 缩 等 ， 这 些 过 程 对 污 染 物 的 空 间位 置 或 相 态 的 变 化 都 发 生 重 要 作 用 。 在 环 境 这 个 开 放 性 体 系 中 ， 污 染 物 和 背 景 物 大 多 并 不 处 于 平 衡 状 态 ， 至多 处 于 一 种 稳 态 ， 因 而 只 用 化 学 热 力 学 是 不 能 确 切 描 述 它 们

15、的 反 应 过 程 的 。 化 学 动 力 学 是 污 染 化 学 的 重 要 基 础 ， 大 气 中 氮 氧 化 物 向 硝 酸 盐 气 溶 胶 的转 化 ， 农 药 和 有 机 化 学 品 的 化 学 氧 化 和 光 氧 化 ， 重 金 属 在 还 原 性 水 体 中 的 甲基 化 ， 气 溶 胶 和 水 溶 胶 的 脱 稳 和 絮 凝 等 ， 都 涉 及 化 学 动 力 学 过 程 或 催 化 过 程 。环 境 污 染 物 的 反 应 常 在 空 气 和 水 这 些 流 动 介 质 中 进 行 ， 不 可 避 免 要 受 到流 体 状 态 的 影 响 。 近 年 来 出 现 了 一 门

16、新 的 学 科 环 境 化 学 动 态 学 ， 专 门 研究 污 染 物 在 环 境 流 体 中 的 迁 移 转 化 历 程 ， 标 志 着 污 染 化 学 日 益 走 向 理 论 化 和模 式 化 。 主 要 有 直 接 测 定 、 理 论 推 算 、 模 拟 实 验 三 种 ， 每 一 种 方 法 都 不 能 充 分 反映 环 境 体 系 的 真 实 状 况 ， 因 而 总 是 互 相 补 充 ， 综 合 运 用 。 污 染 化 学 的 发 展 趋势 ， 在 深 入 分 析 方 面 可 归 纳 为 微 量 、 微 观 、 微 粒 ， 在 综 合 推 断 方 面 可 归 纳 为模 型 、 模

17、 式 和 模 拟 。 环 境 污 染 研 究 初 期 ， 主 要 关 心 的 是 含 量 较 多 的 污 染 物 。 随 着 对 污 染 效 应的 认 识 不 断 深 入 ， 注 意 力 逐 渐 转 向 微 量 和 痕 量 污 染 物 ， 如 化 学 致 癌 物 、 重 金属 、 农 药 、 富 营 养 化 物 质 等 。 对 污 染 物 的 微 观 研 究 ， 是 在 原 子 、 分 子 水 平 上 进 行 鉴 定 、 分 析 、 观 察 ，探 索 其 形 态 结 构 、 反 应 机 理 、 转 化 过 程 和 中 间 产 物 等 。 对 污 染 效 应 的 研 究 ，是 在 分 子 生 物

18、 学 水 平 上 ， 从 分 子 结 构 方 面 以 量 子 化 学 方 法 定 量 判 断 污 染 物 的毒 性 或 致 癌 规 律 。 在 微 观 研 究 中 ， 广 泛 采 用 了 红 外 光 谱 、 x 射 线 衍 射 、 气 相色 谱 质 谱 联 用 、 电 子 显 微 镜 、 电 子 能 谱 、 激 光 探 测 等 手 段 。 研 究 表 明 ， 微 量 、 痕 量 污 染 物 大 都 是 同 环 境 中 微 细 颗 粒 物 (微 粒 )相 结 合 ，以 微 粒 为 载 体 而 迁 移 ， 在 微 粒 表 面 上 转 化 。 环 境 微 粒 物 质 在 大 气 中 的 如 飘 尘

19、、金 属 粉 末 ， 在 水 体 中 的 如 粘 土 矿 物 、 金 属 水 合 氧 化 物 、 腐 殖 质 、 水 藻 、 细 菌等 ， 构 成 各 种 分 散 体 系 。 对 这 些 微 粒 与 微 量 污 染 物 的 相 互 作 用 进 行 界 面 胶 体化 学 研 究 ， 成 为 污 染 化 学 的 重 要 方 面 。 近 年 来 ， 对 环 境 污 染 现 象 的 宏 观 综 合 研 究 ， 首 先 是 建 立 某 种 模 型 ， 把 内在 作 用 的 化 学 机 理 以 物 理 图 象 或 方 框 图 简 明 地 表 述 出 来 。 模 型 反 映 出 的 是 定性 关 系 ， 可

20、 据 以 判 断 环 境 污 染 现 象 的 方 向 趋 势 ， 如 果 进 一 步 用 数 学 定 量 关 系表 达 出 来 ， 就 成 为 模 式 。 污 染 化 学 模 式 除 了 用 污 染 物 浓 度 和 环 境 条 件 等 一 般 参 数 外 ， 还 常 用 分 配系 数 、 平 衡 常 数 、 电 化 学 位 能 、 生 成 自 由 能 、 动 力 学 常 数 等 实 验 求 定 值 。 大气 化 学 模 式 和 水 质 化 学 模 式 的 研 究 都 已 取 得 很 大 进 展 ， 成 为 污 染 化 学 研 究 的重 要 方 向 。 为 了 确 证 提 出 的 模 型 和 模

21、 式 ， 除 直 接 观 测 外 ， 还 大 量 采 用 了 模 拟 研 究 方法 ， 主 要 有 实 验 室 模 拟 和 电 子 计 算 机 模 拟 ， 有 时 也 进 行 现 场 模 拟 实 验 。 目 前 ，为 模 拟 实 验 已 研 制 出 各 种 设 备 仪 器 系 统 、 感 知 元 件 ， 并 利 用 同 位 素 示 踪 、 荧光 显 示 、 激 光 测 试 等 技 术 。 此 外 ， 光 化 学 烟 雾 室 、 环 境 风 洞 、 水 体 水 质 模 拟 系 统 ， 以 及 综 合 的 微 宇宙 生 态 系 模 拟 实 验 场 等 成 套 设 施 均 已 问 世 。 计 算 机 模 拟 也 提 出 了 以 渐 近 法 综合 求 解 多 种 物 理 化 学 反 应 的 固 定 模 拟 程 序 。 环 境 污 染 体 系 的 模 拟 研 究 已 成 为十 分 活 跃 的 领 域