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1、环 境 化 学 Environmental Chemistry,第一章 绪 论,Chapter 1. Environmental Science and Environmental Chemistry 环境科学和环境化学,所谓环境总是相对于某一中心事物而言，作为某一中心事物的对立面而存在。它因中心事物的不同而不同，随中心事物的变化而变化。与某一中心事物有关的周围事物，就是这个中心事物的环境。 环境科学所研究的环境，其中心事物是人类，是以人类为主体的外部世界，即人类目前生存、繁衍所必需的、相适应的环境，或物质的综合体。包括自然环境和人工环境两种。, 1. 环境与环境科学,1.1 环境 (The
2、Environment),1.1.1 自然环境 (Natural Environment), 1. 环境与环境科学,直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质、能量和自然现象的总体。有时简称为环境。,物质：空气、水、生物、岩石、土壤,自然现象：水土演变等多种自然因素、大气力量、水循环、地壳的稳定性、太阳的稳定性,能量：阳光地热、地磁、引力,大气圈,水圈,土壤圈,生物圈,化学圈,Chemosphere,Chemistry, Biology and Toxicology as Related to Environmental Problems,Biosphere,Atmosphere,Hydrosp
3、here,Geosphere Lithosphere, 1. 环境与环境科学,1.1.2 人工环境,人工环境,综合生产力（包括人的素质） 技术进步 人工构筑物 人工产品和能量 政治体制 社会行为 宗教信仰 文化与地方因素等,人工环境是指人类活动而形成的环境要素，它包括由人工形成的物质、能量和精神产品，以及人类活动中所形成的人与人之间的关系或上层建筑。, 1. 环境与环境科学,环境科学是以实现人与自然和谐为目的，研究以及调整人与自然关系的科学。是一门综合性学科。是研究人类活动与其环境质量之间关系的科学。,Environmental science in its broadest sense is
4、 the science of the complex interactions that occur among the terrestrial, atmospheric, aquatic, living and anthropological environments. It includes all the disciplines, such as chemistry, biology, ecology, sociology, and government, that affect or describe these interactions.,1.2 环境科学 (Environment
5、al Science), 1. 环境与环境科学,610 环境科学技术 610.10 环境科学技术基础学科 610.1010 环境物理学(包括环境声学等) 610.1015 环境化学 610.1020 环境生物学 610.1025 环境气象学 610.1030 环境地学(包括环境地球化学、环境地质学等) 610.1035 环境生态学 610.1040 环境毒理学 610.1045 自然环境保护学 610.1050 环境管理学 610.1099 环境科学技术基础学科其他学科 610.20 环境学 610.2010 大气环境学 610.2020 水体环境学(包括海洋环境学),610.2030 土壤环
6、境学 610.2040 区域环境学 610.2099 环境学其他学科 610.30 环境工程学 610.3010 环境保护工程 610.3015 大气污染防治工程 610.3020 水污染防治工程 610.3025 固体污染防治工程 610.3030 三废处理与综合利用 610.3035 噪声与震动控制 610.3040 环境质量监测与评价 610.3045 环境规划 610.3050 环境系统工程 610.3099 环境工程学其他学科 610.99 环境科学技术其他学科,学科分类与代码 (GB/T 13745-92), 1. 环境与环境科学,1.2.1 环境科学中所研究的环境,主要指自然环境
7、，包括自然生物圈这一层和人工环境中的人工构筑物、人工产品和能量以及人与人的关系问题。 中华人民共和国环境保护法指出，“本法所称环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人工遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等”。, 1. 环境与环境科学,1.2.2 环境质量 (Environmental Quality),一般是指在一个具体的环境内，环境的总体或环境的某些要素，对人群的生存和繁衍以及社会经济发展的适宜程度，是反映人群的具体要求而形成的对环境评定的一种概念。 影响环境质量的因素有人为因素也有天然因
8、素，但主要是人为因素。例如污染物的排放、对资源利用的合理性、人群的文化状态。, 1. 环境与环境科学,环境问题,原生环境问题,次生环境问题,原生环境问题：由自然力引起的环境问题，也叫第一环境问题。地震、洪涝、干旱、台风、滑坡等。 次生环境问题：由人类活动引起的环境问题，也叫第二环境问题。也叫第二环境问题。,环境污染,生态环境破坏,1.3.1 环境问题的分类,1.3 环境问题(Environmental Problems), 1. 环境与环境科学,环境污染：由于人为的因素，环境的化学组成或物理状态发生了变化，与原来的情况相比，环境质量恶化，扰乱和破坏了生态系统和人们正常的生产和生活条件，就叫环境
9、污染。具体地说，主要指工业三废对大气、水体、土壤和生物的污染。 生态环境破坏：人类活动直接作用于自然界引起的。例如乱砍滥伐森林、过度放牧、大面积开荒、滥采滥捕野生动物。, 1. 环境与环境科学,1.3.2 环境问题的由来,(1) 环境问题的产生和生态环境的早期破坏 人类出现以后产业革命以前 (2) 城市环境问题突出和“公害”加剧 工业革命、城市化 能源和资源的大量消耗 公害和事故频繁发生 发达国家的环境问题部分地得到了解决 发展中国家？怎么办？可持续发展？, 1. 环境与环境科学,(3) 全球性的环境问题, 1. 环境与环境科学,温室效应、 臭氧层耗竭 持久性环境污染物 污染转移？世界经济一体
10、化？环境？ 人口问题 城市化问题 淡水资源短缺 生物多样性减少 海洋污染 危险废弃物越境转移,(4) 发达国家的环境状况, 比较好地解决了国内的环境污染问题：空气比以前新鲜了,不少水体变清了。 仍存在的(新的)环境问题：温室效应、臭氧层、工业废物、生活垃圾急剧增加；噪声问题仍很突出；NOx的污染仍未得到有效控制；大气中有害物质污染如故；水环境问题还未解决；持久性污染物的问题相当严重。, 1. 环境与环境科学, 2. 中国的环境、生态、资源,环境保护工作,改革开放、经济快速发展,进入大范围生态退化和复合性环境污染的阶段,1970 1980 1990 2000 2020,新一轮的经济发展 压力、挑
11、战,2000 1980 1940,微生物污染、耗氧有机物,SO2、颗粒物、光化学烟雾、酸雨、重金属、氮磷富营养化、垃圾,温室气体、黑碳、霾、臭氧层、持久性有毒物质(PTS、POPs)、二次污染、核废料、工业危险废弃物,发达国家上百年工业化过程中分阶段出现的环境问题已在我国集中出现； 面临全球最严峻、最复杂的环境问题； 结构性、复合性环境污染；,资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版, 2. 中国的环境、生态、资源,七大江河水系的741个监测断面的水质：I类: 38.1% ; 、类: 32.2%;劣类: 41%; 城市内湖和大多数湖泊(75%)富营养化； 近3亿农村人口饮用不合格的水；
12、 30%的城市空气污染严重； 1/3 国土受到酸雨污染; 垃圾围城普遍，有毒有害废弃物影响开始显现; 环境污染造成的损失相当GDP的3-8%;,资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版, 2. 中国的环境、生态、资源,生态恶化形势严峻,水土流失面积超过国土面积的1/3 (367 万km2)，每年新增1.5万km2； 土地沙漠化趋势未减，每年扩展 3436 km2, 沙化土地174万km2; 森林覆盖率只有16.55%，相当于世界森林覆盖率的61%; 90%以上天然草场退化； 地下水超采(8万 km2); 1015的高等植物物种处于濒危状态，物种资源流失严重，有害外来物种入侵每年造成12
13、00亿元经济损失；,资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版, 2. 中国的环境、生态、资源,环境健康问题日渐突出,空气污染地区死于肺癌人数高出59倍; 11个最大城市，空气污染每年使5万多人夭折，40万人染呼吸系统疾病; 沈阳市约40%的儿童血铅含量超标 (2000年) ; 二恶英类化合物已在市售牛奶（深、港）、母乳(江浙)中检出; 天津市严重污染的蔬菜地土壤中汞含量超标98倍;, 2. 中国的环境、生态、资源,环境污染和生态破坏 造成巨大损失,有害外来物种入侵每年造成1200亿元的经济损失； 世界银行：1995年空气和水污染损失，占当年GDP的8%； 2003年，污染与生态破坏损失
14、，占当年GDP的15%； 环保总局2001年测算，西部9省区生态破坏的损失相当于甘肃和青海两省GDP之和；,资料来源：人民日报，2005年4月23日，第五版, 2. 中国的环境、生态、资源,生态环境总体恶化的趋势尚未根本扭转，环境治理的任务依然相当艰巨； 消耗高、资源浪费、污染环境等粗放经营方式仍比较严重; 人口、资源、环境对经济发展的压力越来越大，特别是资源的制约作用日益明显；, 我国人口多、资源人均占有量少的国情不会改变，不可再生性资源储量和可用量不断减少的趋势难以改变;,资料来源：胡锦涛在中科院、工程院院士大会上的讲话，2004年6月2日, 2. 中国的环境、生态、资源,经济: 高投入、
15、高消耗、重污染、低产出,2003年, 2. 中国的环境、生态、资源, 2003年，世界第二石油和电力消费大国; 能源：创造每万元GDP所消耗的能源，是美国的3倍、德国的5倍、日本的近6倍。 钢铁、有色金属、化工等8个高耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进水平高47。我国的工业部门每年多烧掉了约2.3亿吨标准煤。 2003年全国煤产量16亿吨，按照国民经济年均增长78的发展速度和目前的能源消耗水平，2020年我国的能源需求将比2000年增加2.5倍，达到约60亿吨标准煤。这相当于每年要建成五六个大同煤矿。,资料来源：中国环境报(2004-4-1),数字中国：我们必须选择新型工业化。,能源压力巨大
16、, 2. 中国的环境、生态、资源, 矿产资源：建国50多年来，GDP增长了10多倍，矿产资源消耗却增长了40多倍。 2003年，我国已成为煤炭、钢铁、铜的世界第一消费大国，全球最大的铁矿石进口国。 电解铝生产所需原料50以上依赖进口。 到2020年，我国45种主要矿产资源只有9种能依靠国内保障供应。 2002年：中国人均矿产资源占有量仅为世界平均水平的58。,资料来源：中国环境报(2004-4-1),数字中国：我们必须选择新型工业化。,矿产资源压力巨大, 2. 中国的环境、生态、资源, 国土面积虽然大，但现有耕地却不多，仅占国土面积的14，相较于美国的51和印度的59则显得很少。 可利用的土地
17、资源东西部分布不均，占全国土地面积47.6的东部地区却拥有全国93的人口。 土地利用程度过高，影响了整个国家的生态效益(沙尘暴、水体流失、气候失调)；,资料来源：中国环境报(2004-4-1),数字中国：我们必须选择新型工业化。,土地资源压力巨大, 2. 中国的环境、生态、资源, 2. 中国的环境、生态、资源,生活污染排放增大 汽车尾气排放加剧大气污染 电子废物等新型固体废弃物增加 工艺落后的企业向中小城镇转移,化肥、农药加剧面源污染 养殖业发展加重污染 乡镇企业发展导致新一轮环境污染,城镇化将增加城市生态、环境压力,农村环境问题不容忽视,新一轮经济增长的巨大压力,Environmental
18、chemistry may be defined as the study of the sources, reactions, transport, effects, and fates of chemical species in water, soil, air and living environments, and the effects of technology thereon.,环境化学：是研究有害化学物质在环境介质中的存在、特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。, 3. 环境化学,3.1 环境化学的研究对象, 环境分析化学 环境污染化学 污染控制化学 污染生态化学
19、环境计算化学 环境生物化学, 3. 环境化学,3.2 环境化学的分支学科,环境分析化学是研究化学品的形态、价态、结构、样品前处理(超临界流体萃取、固相萃取)和痕量分析的学科。 环境分析化学的主要任务就是分析环境中具体化学品的性质和量。 One of environmental chemistrys major challenge is the determination of the nature and quantity of specific pollutants in the environment.,3.2.1 环境分析化学, 3. 环境化学,气相色谱 GC-Gas Chromatog
20、raphy 液相色谱 LC-Liquid Chromatography 高效液相色谱 HPLC-High Pressure (Performance) Liquid Chromatography 电子捕获检测器 ECD-Electron Capture Detector 质谱 MS-Mass Spectrum 气质联用，液质联用 GC-MS, HPLC-MS 原子吸收光谱 AAS: Atomic Absorption Spectrum 原子发射光谱 AES: Atomic Emission Spectrum 紫外可见分光光度计 UV-Vis: Ultraviolet-visible 总有机碳分
21、析议TOC-Total Organic Carbon Analyzer, 3. 环境化学,常用分析仪器,包括大气、水体和土壤环境化学和元素循环的化学过程： 大气：颗粒物、酸沉降、温室效应、臭氧层、持久性有机污染物、大气化学反应 水体：河流、湖泊（水库）、海洋；地下水污染、持久性有机污染物 土壤：温室气体排放、农用化学品的行为（有机氯农药在土壤表面的光化学行为、多氯有机污染物在土壤/沉积物中的缺氧脱氯）,3.2.2 环境污染化学, 3. 环境化学,3.2.3 污染生态化学 污染生态化学是研究化学污染物在生态系统中产生生态效应的化学过程的科学。 研究对象包括生物多样性、种群、群落和内分泌干扰效应。
22、, 3. 环境化学,包括环境化学计量学、环境化学过程模拟、人工智能在环境化学中的应用等。 环境多因素分析 定量结构-性质关系 (Quantitative Structure-Property Relationship, QSPR) 定量结构-活性关系 (Quantitative Structure-Activity Relationship, QSAR) 多介质环境模型 大气、气溶胶、水、水生生物、土壤、植物,3.2.4 环境计算化学, 3. 环境化学,3.2.5 环境生物化学, 3. 环境化学,环境科学最终关注的目标是生命本身。环境生物化学就是研究环境化学品对生命的影响的一门学科。 The
23、ultimate environmental concern is that of life itself. The discipline that deals specially with the effects of environmental chemical species on life is environmental biochemistry. 毒物化学是研究有毒物质尤其是各种有毒物质之间的相互作用对生物组织和生物体的影响的学科。 A related area, toxicological chemistry, is the chemistry of toxic substanc
24、es with emphasis upon their interactions with biologic tissue and living organisms., 3. 环境化学,3.3 定义 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，以解决环境问题为目标的一门新兴学科。 1972年R.A Honne在所著环境化学定义：“环境化学是研究岩石圈、水圈、生物圈、外层大气圈的化学组成和其中发生的过程，特别是界面上的化学组成和过程的学科”。 戴树桂等认为：“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
25、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”。 自然科学学科发展战略研究报告：环境化学一书提出：“环境化学是一门研究潜在有害化学物质在环境介质中的存在、行为、效应（生态效应、人体健康效应及其它环境效应）以及减少或消除其产生的科学”。, 3. 环境化学,3.4 研究内容 有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态； 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（迁移、转化和归宿）； 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； 探索缓解或消除有害物质已造成的影响以及防止它们可能造成影响的方法和途径。, 3. 环境化学,3.
26、5 研究特点 环境化学的特点是要从微观的原子、分子水平上，来研究宏观的环境现象与变化的化学机制，从而探索其防治途径，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、条件复杂，许多化学原理和方法不易直接运用。 化学污染物在环境中的含量低，一般只有mg/kg或g/kg级水平，甚至更低。 环境样品一般组成复杂，化学污染物在环境介质中还会发生存在形态的变化。 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。, 3. 环境化学,3.6 环境化学的发展动向 3.6.1环境科学研究领域: 1. 废水
27、、废气、废弃物的处理处置 2. 重金属 3. 温室效应、酸雨和臭氧层 4. 环境优先控制污染物 5. 生态系统生物群落结构和组成 6. 环境监测 7. 环境规划与管理 8. 氟化物、臭氧、粉尘等大气污染物 9. 自然环境元素的背景值、化学组成、地球化学循环与环境变化 10. 物理干扰 11. 引进新的研究方法和技术 12. 环境经济、政策 13. 新的污染物、污染源、汽车尾气污染、人类活动对环境所造成的影响,3.6.2最活跃的研究领域： 1、难降解有毒有机污染物的效应及控制治理技术； 2、温室效应、酸雨和臭氧层破坏被公认为全球性环境问题； 3、环境科学引入新的研究方法和技术,使环境科学研究发展
28、到新的高度,灰色理论、人工神经网络、二维多箱模型、累积流量模型、全球定位系统、遥感、地理信息系统等作为新方法和新技术正在发挥重要的作用,也成为最活跃的新领域。 4、环境保护事业要依靠科学的规划和管理,规划和管理的信息化、网络化、智能化是一个必须进行的工作,也将成为一个新的研究热点。, 3. 环境化学,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称为环境污染物。 环境污染物是环境化学研究的对象。 4.1环境污染物的类别 环境污染物按受污染物影响的环境要素可分为大气污染物、水体污染物、土壤污染物等。 按污染物的形态可分为气体污染物、液体污染物和固体废物。 按污染物性质可分为
29、化学污染物、物理污染物和生物污染物。, 4. 环境污染物,4.1.1化学污染物 对环境产生危害的化学污染物概括可分为九类： （1）元素：如重金属，铬、汞、铅；准金属，砷；卤素等。 （2）无机物：如氰化物、无机磷化合物、硫的无机化合物、卤间化合物等。 （3）有机化合物和烃类：包括烷烃、不饱和非芳香烃、芳烃等（实际是芳香烃和脂肪烃） （4）金属有机和准金属有机化合物：如四乙基铅、二苯铬等 （5）含氧有机化合物：醇、醚、醛、酮、有机酸、酐、酯、酚等等 （6）有机氮化合物：如胺、腈、硝基苯等 （7）有机卤化物 （8）有机硫化合物 （9）有机磷化合物, 4. 环境污染物,4.1.2优先控制有毒有机化合物
30、优先污染物 美国环保局基于有毒化学物的毒性、自然降解的可能性及在水体中出现的概率等因素，从7万余种有机化学物中筛选出65类，129种优先控制的污染物名单。 在众多污染物中筛选出潜在危险大的作为优先研究和控制对象，称之为优先污染物。 欧州经济共同体 于1975年提出有毒化合物的“黑名单”和“灰名单”。联邦德国和荷兰也提出有机污染物的控制名单。 中国优先控制的有毒有机化合物 在“黑名单”中，共有14类，68种优先控制的污染物。其中优先控制的有毒有机化合物有12类，58种 ，占总数的85.29%，包括10种卤代(烷、烯)烃类，6种苯系物，4种氯代苯类，1种多氯联苯。6种酚类，6种硝基苯，4种苯胺，7
31、种多环芳烃，3种酞酸酯，8种农药、丙烯腈和2种亚硝胺。, 4. 环境污染物,4.2 环境效应及其影晌因素 4.2.1定义 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，称为环境效应。 4.2.2分类 环境效应分自然环境效应和人为环境效应。 按环境变化的性质划分，则可分为环境物理效应、环境化学效应和环境生物效应。, 4. 环境污染物,环境物理效应：由物理作用引起的环境效应即为环境物理效应。如噪声、温室效应、热岛效应。 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即为环境化学效应。如土壤的盐碱盐化、光化学烟雾。 环境生物效应：环
32、境因素变化导致生态系统变异而产生的后果即为环境生物效应。如砍伐森林造成的水土流失，产生的干旱、风沙灾害，同时使鸟类减少，害虫增加。工业废水排入江、河、湖、海对水生生态系统产生毒性效应，使鱼受害而减少甚至灭绝。, 4. 环境污染物,4.3 环境污染物在环境各圈的迁移转化过程简介 4.3.1 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、分散和消失的过程称之为污染物的迁移。 4.3.2 转化：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称之为转化。 4.3.3 迁移方式：机械迁移、物理化学迁移、生物迁移 污染物可在单独环境要素圈中迁移、转化，也可超越圈层界限实现多介质迁移、转化而形成循环。, 4. 环境污染物, 课后习题,什么是环境科学？ 什么是环境？ 自然环境与人工环境有什么区别？ 简述环境问题的分类？ 简述主要的全球性环境问题。 分别说明发达国家和发展中国家的环境问题。 论述我国的环境现状以及面临的压力和挑战，并对解决我国的环境问题提出一些建议。 什么是环境化学，学习环境化学有什么意义？ 简述环境化学的分支学科。,