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    化学与可持续发展(下)

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      麦克斯韦

      科普驿站  第六十二期

      主题:化学与可持续发展

      科目:化学

      难度: A2

      时间:2020.4.2

      讲师:北砜 

      (3)重金属污染事件


      重金属在人体或动物体内可以与蛋白质作用,也可能取代其他有益元素离子的位置,进而影响正常的生物功能。


      汞与“水俣病”

      1953 年,在日本九州岛熊本县水俣镇,发生了一幕“疯猫跳海”的事件:一群疯猫惊恐万状,纷纷投海。与此同时,鱼类、鸟类大量死亡,医院里收治了大量病人:其典型特征是四肢、嘴及舌麻木,语言不灵,痴呆,精神失常。水俣湾及其下游地区汞中毒者达283人,其中60人死亡。1973 年两次水俣病患者共900多人,死亡近50人,2万多人受到不同程度的危害。调查发现,当地工厂在生产氯乙烯过程中采用HgCl2,HgSO4做催化剂,含Hg2+的废水被排入大海,在水中有机物及细菌的作用下,产生二甲基汞、Me2Hg使水俣湾的鱼中毒,猫、人等食鱼后受害。甲基汞可以在脑部组织富集,从而引起中枢神经性疾病。


      镉与痛痛病

      1955-1972年发生于日本富山县神通川流域。当地很多居民出现奇怪的病症—-骨痛 ,剧烈的痛楚使病人难以忍受,得名“痛痛病”。其原因在于,锌、铅冶炼工业等排放的含镉废水污染了神通川水体,两岸居民利用河水灌溉农田,使土地含镉量高达(7-8) x10-8g/m3 ,居民食用含镉的稻米和饮用含镉的地下水而中毒。由于镉与钙性质相似,可以取代钙离子,导致骨质软化、骨痛等症状。其他重金属离子,如Pb2+、Ti+、CrO42-等等,都会引起严重危害。这些物质在自然界不能降解,因此必须在排放之前处理除去。


      (4)水体中的氮与磷


      在正常情况下,质量良好的水体中含氮量和含磷量很低。无机磷可以在水中以H2PO4-存在。无机氮则为NH4+、NO3-、NO2-等。如果水体中的总含磷量超过20 mg/ m3 ,无机氮含量超过300mg/ m3 ,那么这种水体就被认为已处于富营养状态。


      随着肥料制造业及农业的发展,氮磷等肥料如NH4NO3、Ca(H2PO4)2、 CaSO4的生产和使用量越来越大,于是排到水体的氮磷物质增加。氮和磷过多地进入水体后,增加水中养分,发生所谓的“富营养化”。


      正常情况下,水中的藻类吸收CO2进行光合作用,释放出氧气,适量的氮磷有助于这一过程。但是,P、N过多,会导致藻类过度繁衍,形成的藻丛聚集在水面,大大妨碍氧气的交换和溶解,造成水中缺氧,使水中生物缺氧致死,水体发黑变臭。根据死亡的生物种类的不同,也可能泛起赤潮等等。


      磷还有一个来源——洗涤剂的使用。洗涤剂中使用最广泛的活性组分是烷基苯磺酸钠,由于烷基苯磺酸根与Ca2+、Mg2+结合会形成难溶盐,大大降低去污能力,所以,洗衣粉中添加约15% -25%的三聚磷酸钠Na5P3O10作为助剂,三聚磷酸钠不仅可以鳌合高价金属离子,起到软化水的作用,同时具有膨润、增溶、促进乳化、增加分散等功能,大大提高洗涤效果。但由于磷会造成水体的“富营养化”,因此寻找三聚磷酸钠的替代品已成为必然。目前,A型沸石(一种硅酸盐材料,不仅可以作为沸石,也可以作为催化剂)可以代替三聚磷酸钠以吸附高价金属离子,但它不具备其他功能。此外,洗涤剂中的有效成分是表面活性剂烷基苯磺酸钠,烷基苯磺酸钠是一种两亲性的分子,一端有亲水基团磺酸根,易溶于水,另一端有疏水基团烷基链,易溶于油。随同污水排入水体的洗涤剂,对水生生物尤其是鱼类会产生危害。例如,洗涤剂与鱼的味觉器官组织中的类脂质物质作用而使鱼的味觉器官迟钝,甚至丧失觅食能力。洗涤剂排放时产生的泡沫覆盖水面,隔绝了空气,影响水体中氧的溶解。早期的苯磺酸盐是一种带有甲基支链的异构烷烃,它容易起泡沫,在水体中很难被微生物降解。后来将烷基改为直链,直链烷基不仅泡沫小,还可以逐步通过β氧化而逐步降解。肥料、洗涤剂是我们无法完全抛弃的东西,但我们至少应该做到合理使用,有效控制,不断改进。


      (5)废热水与石油


      废热水具有高比热容、高气化热的特点。


      自然界的水对调节气候和温度起到非常重要的作用。作为热的传输和储存物质,水是一种理想的流体。然而,热水的直接排放引起水体局部温度升高,导致一系列生物和生化后果。一方面,温度升高会直接改变生物代谢,严重时导致生物死亡。另一方面,会影响水中的溶解氧量。水中的溶解氧随温度升高而大大降低,危及水中生物的生存。


      石油

      随着石油的开发和利用,特别是海底石油的开发和石油海运事业的发展,石油对海洋的污染问题日趋严重,它不仅破坏了海洋环境,而且还会破坏海洋生物资源和海洋生态平衡,进而可能导致世界性的气候异常。石油在海洋环境中氧化分解需要消耗大量的溶解氧,据估计,1L石油完全被氧化,需要消耗掉 40万升海水中的溶解氧,如此势必造成海水缺氧,导致海洋生物死亡。石油密度比水小,总是漂浮在海面上,形成油膜。1t石油可以覆盖12 km2的海面。闪闪发光的油膜把海水和大气隔开,不仅破坏了海洋与大气之间的各种正常交换作用,而且能够吸收太阳辐射能,使海洋表层水温升高,导致气候异常。海洋环境生态学的研究发现,一旦海洋遭受石油的污染,污染海域里的生态至少需要5-7年的时间才能重新恢复平衡。


      3.污水的处理


      为了保护环境,节约水资源,必须进行废水处理。按照处理程序及要求达到的指标分类,废水处理分一级、二级和三级处理。按照处理方法分类,主要有物理法、化学法和生物法。一级处理主要采用物理法,物理法是指通过物理作用分离,如筛滤、沉降浮选等除去废水中不溶解的悬浮状态污染物;二级处理主要采用化学法和生物化学法;三级处理则主要采用化学法。化学处理法是指通过化学反应和传质作用来分离和除去废水中胶体状态的污染物、可溶性物质或将其转化为无害物质的方法。常见的化学处理方法有絮凝、中和、氧化还原等等。


      (1)凝聚法

      废水中往往悬浮着–些难以自然沉淀的细小颗粒和胶体。向废水中加入絮凝剂,可以使小颗粒和胶体发生聚集而沉淀,再通过物理分离除去。常用的絮凝剂有铝盐和铁盐,如硫酸铝、明矾、硫酸铁等。也可以添加活性硅胶、骨胶等助剂以提高絮凝效果。


      (2)中和法

      含酸或碱的废水是两种重要的工业废液。酸含量超过3%-5%或碱含量超过1%-3%叫高浓度废水,应当采用适当的方法回收其中的酸和碱。而低浓度的废水回收价值不大,可采用中和法处理后排放。中和酸性废水常用的是石灰石或石灰,中和碱性废水则可以采用废硫酸或通CO2气体。

      化学与可持续发展(下)


      (3)氧化法

      利用强氧化剂氧化分解废水中污染物质以达到净化废水的方法。经过氧化处理,可以使废水中的还原性有机物和无机物分解,从而降低废水的生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD),也可以使水中的有毒物质无毒化。常用的氧化剂有: O3 、O2、Cl2、KMnO4,等等。目前使用最广泛的是氯氧化法。例如,通过氧化,可以将剧毒的CN-转化为CO3和N2 :

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      (4)还原法

      利用还原剂处理废水中高氧化态的污染物质使其转化为低毒或无毒的物质的过程。然后可以进一步利用化学或物理方法进行处理或回收。常用的还原剂有金属如Fe、Zn 、Al和亚铁盐、亚硫酸盐等。典型的例子如:

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       (5)其他

      其他方法还有电解法、吸附法、离子交换法等等。电解法是利用电解的原理使废水中有害物质发生氧化还原反应转化成为无害物质,以实现净化的方法。它是氧化还原、分解、絮凝聚沉等综合在一起的处理方法,适用于含油、氟、酚、重金属离子等废水处理。吸附是指利用多孔固体吸附废水中污染物,以便将其回收或除去,从而使废水得到净化的方法。最常采用的吸附剂有活性炭磺化煤、沸石、硅藻土等。在废水处理中,吸附法处理的主要对象是废水中难以降解的有机物和一般难以氧化的溶解性有机物。它有很好的去除作用。吸附法还对某些金属及其化合物有很强的吸附能力。目前国内已使用活性炭处理含铬废水。离子交换法是一种借助于离子交换树脂进行离子交换反应而除去有害废水中有害离子的方法,是一种特殊的吸附过程。在废水处理中,主要用于回收水中金、银、铜、镉、铬、锌等金属离子,也用于放射性废水及有机废水的净化。

      附:环境问题


      1.温室效应

      地球表面吸收太阳能变暖以后,又以长波(红外辐射)的形式向外发生辐射。当大气中CO2增加时,因CO2能吸收红外光,地球通过大气辐射的红外光减少,加剧了大气对地面的保温作用,称做“温室效应”。第二次世界大战后,随世界经济飞速发展,能源消耗与日俱增,目前矿物燃料(煤、石油、天然气等)燃烧排放到大气中的CO2每年多达5× 108t(亿吨)。从1860到1970年的100多年间,大气中的CO2的浓度从0.028%增加到0.032%,若不加以控制,按照目前的排放速度,估计到2050年,CO2浓度将增加一倍,全球平均气温将升高1.5-3.5℃。


      随之而来的,则是全球变暖,两极冰雪融化,世界经济作物体系北移,海水温度升高,部分沿海地区被淹没,从而导致生态平衡破坏。当然,也有另一种观点,认为CO2浓度增大,气温升高,有利于植物的光合作用,从而使得人类可以从自然中获取更多有用的物质。除CO2外,CH4,H2O及氟利昂等气体对“温室效应”也有“贡献”。


      2.酸雨

      正常雨水的pH为6-7,当雨水的酸度增大,pH<5.6时,便定义为“酸雨”。大气污染是产生“酸雨”的根源。与此相关的主要污染物有NO、SO2和SO3。酸雨的危害非常严重,它会导致生物死亡,古建筑被腐蚀和破坏,现代钢铁建筑锈蚀,土壤酸化,作物难以生长。在pH<5.5的环境中,鱼类无法生存,而当pH<4时,大多数生物会死亡。


      3.臭氧层空洞

      同温层位于大气平流层中,是地球上方约12-55 km高度之间的一个无云、干燥、寒冷的区域,臭氧是同温层中的一种成分,主要分布在15-35 km空间。臭氧吸收紫外线能力强,太阳光中200-300nm范围的紫外光95%被臭氧吸收,从而阻止了紫外线向地球的辐射,这一层大气层又称为臭氧层。紫外线有杀菌作用,还可促使皮肤中产生维生素D防止佝偻病,但紫外线辐射过量时引起皮肤损伤,眼角膜受损甚至免疫系统障碍,危害人类及其他生物的健康。科学家发现,由于同温层被污染,污染物使臭氧层局部破坏,形成“臭氧空洞”,从而导致地球表面紫外辐射增强。1974年,在南极上空发现臭氧空洞,1988年,在北极上空发现臭氧空洞。“臭氧空洞”是怎样形成的?经过研究发现,许多气体,如NO、HCI、HOCI、氟里昂等都可与臭氧反应而使之消失,其中,危害最严重的就是氟里昂。


      4.光化学烟雾

      大气中NO、SO2、CxHy为一次污染物,这些污染物在太阳光中紫外线照射下会发生化学反应,产生O3 、SO3、PAN(硝酸过氧化乙酰)等二次污染物。由一次污染物和二次污染物混合物所形成的烟雾污染现象,称为光化学烟雾。光化学烟雾又分为洛杉矶烟雾、伦敦烟雾及混合烟雾三种类型。


      洛杉矶型烟雾主要是由汽车尾气中的NO引起。于20世纪40年代初期发生在美国洛杉矶市。由于该市靠山邻海,处于一个狭长的盆地中,一年有300多天出现逆温层。这样,汽车排出的尾气难以驱散,在阳光作用下发生反应,形成以O3为主的烟雾污染。鉴于此烟雾所含组分主要为氧化性气体(NO2, O3) 故又被称为氧化型烟雾。


      伦敦型烟雾发生在英国伦教市。 主要由燃煤产生的SO2引起。典型事件是1952年12月5日至8日,英国全境为浓雾覆盖,逆温层出现在40-150m的低空,致使燃煤产生的烟雾不断积累。尘粒浓度高达4. 46mg/m3,为平时的10倍,而SO2的浓度高达1. 34×10-6 mg/m3为平时的6倍。SO2附着在煤尘中所含的Fe2O3微粒上,被O2氧化为SO3,继而吸水形成酸雾。鉴于此烟雾中的主要成分为SO2 ,又被称为还原型烟雾。


      混合型烟雾

      由工厂排放的废气中往往既含NO,又含SO2 ,为混合型烟雾。


      除以上涉及的问题,土壤污染也不容忽视。土壤指地球表面的疏松层。它为作物提供水分和养料,从而为人类和动物提供食物和饲料,容纳和转化人类活动产生的废弃物,在消除污染方面起着重要作用。工厂的废渣废料,污水排放,农药喷洒,化肥施用,生活垃圾等等都会对土壤产生危害,会将含Hg、Cd、Pb .Cr. As、F、Cl、P、S等元素的无机污染物及有机污染物,如酚、氰、农药等引入土壤。土壤污染又会造成大气污染、水污染,使污染物通过呼吸、饮水和食物链进入人体,影响健康。土壤的沙漠化也是一个严重的问题,被称为“地球溃疡症”。造成土壤沙漠化的因素既有自然的也有人为的。人为的因素如砍伐森林、盲目垦荒、过度放牧、水资源的不合理利用等。环境是人来赖以生存和发展的基础,正是大自然的支撑人类奠定了自己在自然界中万物之灵的位置。但是,人类应该清醒地认识到,人类只是自然界中的一员,应该和自然界和谐共处,不应再满足于“万物皆备于我”的法则,也必须摒弃所谓的“人定胜天”的痴想,应该考虑为保护环境做些什么,使社会与经济、人口与资源环境与发展协调进行,走出一条“可持续发展”的道路。


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