化学与环境

化学与环境 摘要：环境问题已经成为21世纪人类面临的主要问题，如何阐明这些环境问题的化学机理并为解决问题提供科学依据已成为化学工作者的一个特殊使命。化学的触觉几乎已经深入环境问题的各个方面。环境化学与环境材料也应运而生，并在环境治理中扮演着重要的角色。 关键词：环境化学、环境材料、环境工程材料、环境净化材料，环境与化学的关系 环境：人类本身以外的而又和人类生活密切相关的一切物质，由自然环境和社会环境两部分组成。自然环境是人类和其他生命赖以生存和发展的物质基础。人类的进化和发展与自然环境的变化密切相关，为了生存，人和其他生物都尽其最大努力去适应环境的变化。然而人与其他生物有着本质的不同，人类并不是消极的适应环境，而是通过劳动能动地控制环境，改造环境，利用环境来为人类服务。人类对环境的影响程度和改造力随着人类本身的进化和生产力的不断发展而逐渐提高。人与自然环境是相互依存，相互影响的对立统一体。因此，人类对自然的改造的能力越强，自然环境对人类的反作用也就越大。目前，所谓的环境问题就是这种反作用的必然结果。环境污染不仅干扰了人类的的正常生活条件，更对人类的健康产生了直接或间接甚至潜在的不利影响。 环境污染可分为物理污染，化学污染和生活污染三类。其中化学污染是主要因素。因此，无论是预防污染还是治理污染，化学都是中流砥柱，而且化学作为环境的朋友，环境决策的参谋和污染治理的主力军，更是在污染治理中扮演着重要的角色。目前，许多化学家在积极开展污染治理的研究，寻求控制治理环境污染的方法。在这一过程城中，化学吸取了许多学科的研究方法和手段，逐渐形成了一些有别于原化学学科的新观点，新方法，诞生了以化学物质（主要指污染物）引起的环境问题为研究对象，以解决环境问题为目标的多学科交叉的新兴学科——环境化学（于20世纪60年代后期诞生了）。 环境化学的发展趋势：从单项的、单介质的研究转向多项的、多介质的系统的研究；研究范围日益扩大，全球性的、跨国界的区域性环境化学问题成为首要研究对象；国际合作日益加强，相关实用技术向高新技术方向发展；由于自然、社会环境的复杂性、系统性，环境化学不断与其他学科交叉渗透，与环境科学其他方面朝一体化方向发展，宏观与微观相结合，静态与动态相结合，简单与复杂相结合。 因世界人口的大量激增，导致对自然环境的压力仍很巨大。发达国家为保护本国利益，选择将高污染产业转移到发展中国家，加剧了全球性的环境问题，高速发展的经济使得人们收入增加，人们开始对室内居住条件提出更高的要求，城市环境问题开始转向室内。而发展中国家为了谋取经济的高速发展，加速对自然资源的消耗，以牺牲环境换取经济发展，沿袭发达国家先污染后治理的老路，进一步加剧了环境污染。我国在经历不断的探索与研究后，提出了可持续发展战略，从又快又好发展转变为又好又快发展，用科学发展观指导经济的建设。从前几年国家花大力气整顿中小型发电厂，煤矿采集场，可以看出国家对环境保护的极度关注。 环境的治理刻不容缓，而在治理环境中的过程中大量应用的环境材料也越来越受到人们的关注。 环境材料的英文名称Ecomatarial,它是Environment Conscious Material或者Ecological Material的缩写 环境材料：最初是由日本的山本良一教授提出的，包含三个指标①先进性：即环境材料首先你应该具有优良的使用性能，能为人类开拓更为广阔的活动范围与环境②协调性：在材料的生产环节中资源和能源的耗用少，工艺流程有害物质排放少，废弃后能以生物降解的废弃物形式存在与环境中，即材料在合成加工流通使用和废弃的全过程中保持与生态环境的协调，减轻地球环境的负担或者实现枯竭性资源的完全循环利用③舒适性：要求使用材料时感觉舒服，是人类生活的环境更加舒适，即人们乐于接受和使用。环境协调性是环境材料最优先的目标，也是最重要的内容。 种类：环境材料主要包括环境友好材料，环境工程材料，环境相容材料，环境可降解材料，环境可降解材料和固体废物综合利用材料。 环境工程材料（污染控制材料） 定义：一般指在环境污染控制过程中所需要的材料总称。 特征：①材料在使用过程中具有净化、治理、修复环境的功能②材料在使用过程中不会形成二次污染③材料本身具有易于回收或再生的特性。 分类：①根据污染物的不同⑴大气污染控制材料⑵水污染控制材料⑶土壤污染控制材料以及固体废弃物控制材料②根据污染控制的机理⑴环境净化材料⑵环境替代材料⑶环境修复材料 环境净化材料：可以对污染物发生物理、化学、生物反应使污染物转变为无污染的物质，或使排放的污染物达到国家规定的排放污染标准的一类化合物。这类化合物可以是无机化合物，有机化合物，高分子化合物，也可以是微生物，天然矿物质等等。 分类： ㈠按使用材料的作用不同，可分为①吸附过滤材料②催化转化材料③沉淀分离材料④其他污染控制材料（物理污染：噪音，电磁波辐射污染等等） ㈡按作用对象（治理的废弃物）的不同可分为①水污染净化材料②大气污染净化材料③噪声和电磁辐射等物理污染控制材料 背景：长期以来，在现代化生产与生活中工业三废（废水废渣废气）与城市生活三废的大量排放导致了随处可见的严重污染，为了治理这些已经存在的污染，各种环境净化技术和净化材料也应运而生。 水污染净化材料:对于水中污染物的去除，众多的氧化还原材料、沉淀分离材料、固液分离材料等在污水与给水处理中发挥着重要的作用。 Ⅰ氧化还原材料： 原理：通过在废水中投加氧化剂和还原剂，是废水中溶解的有机的或无机的污染物与之发生氧化还原反应，从而使废水中的有毒污染物转化成为无毒或微毒的物质，起到净化水源的作用。 ⑴ 氧化剂： ①空气（比较常用的氧化剂） 利用空气中的氧或纯氧处理废水中的有机污染物，是一种环境友好型的污水处理方法。在空气氧化的基础上，发展形成了湿式氧化法。 湿式氧化法：在较高的温度和压力下，用空气中的氧来氧化废水中的溶解和悬浮的有机物和还原性无机物的一种方法。 特点：适用范围广，处理效率高，二次污染低，氧化速度快，装置小，可回收能量和有用物料等 缺点：用空气中的氧进行氧化反应时活化能很高，反应速度很慢，高压操作难度大 ②臭氧 理想的环境友好型水处理氧化剂，氧化性很强，对水中的有机污染物有较好的氧化分解作用。 常用来进行杀菌消毒，除臭，除味，脱色等等，在饮用水处理中有着广泛的应用。 限制：臭氧的发生成本高，利用率偏低，导致臭氧处理的费用变高。臭氧与有机物的反映选择性较强，在低剂量和短时间内抽样不可能完全矿化污染物，且分解生成的中间产物会阻止臭氧的进一步氧化。因此，提高臭氧的利用率和氧化能力成为臭氧高级氧化法的研究热点。 ③高锰酸盐氧化剂：常用的是高锰酸钾，其氧化性随pH值降低而增强。常用来去除酚，氰，硫化物等有害污染物。 优点：出水无异味，易于投配和监测且 易于利用原有水处理设备。 缺点：成本高，缺乏废水处理的运行经验。 ④过氧化氢 ⑤氯系氧化剂 ⑵还原剂 ①某些电极电位较低的金属，例如：铁屑，锌粉 ②某些带负电的离子 ③某些带正电的离子 Ⅱ沉淀分离材料 ⑴混凝沉淀剂 混凝是一种应用最广泛，最经济简便的水处理技术之一。 ⑵化学沉淀剂 采用沉淀分离的方法，可以去除水中的重金属离子，碱土金属 Ⅲ分离材料 ⑴过滤材料 ①颗粒滤料：可用于水中悬浮物的过滤，也可用用废气中粉尘的过滤。通过粒状介质层分离不溶性污染物的方法称为粒状介质过滤。可用于活性炭吸附和离子交换等深度处理过程之前作为预处理过程，也可用于化学混凝和生化处理之后作为后处理过程。 ②纤维滤料：纤维状的过滤材 特点：堆积空隙较大，密度较小，滤速很大，床层阻力小，反冲洗性能较好。

图示： 卷缩纤维中心结扎 彗星式纤维过滤材料

实心纤维球 纤维束过滤材料 下图为典型的两种经改进后的滤料形态： ⑵吸附分离材料 水处理中常用的吸附分离材料比较

吸附剂 吸附机理 吸附物质 去除效率 特点

腐殖酸类吸附剂 化学吸附（离子交换，络合等） 各种金属离子 可达80% 来源广泛，价格低廉 碳类吸附剂 物理吸附 无选择性 很高 价格较高 矿物吸附剂

沸石 离子交换 各种金属离子 较高 储量丰富，廉价易得

黏土 净负电荷作用 各种金属离子 可达90% 储量丰富，廉价易得

高分子吸附剂

离子交换纤维 离子交换 各种金属离子及有

机物 — 可用于深度处理

壳聚糖 螯合 重金属离子 较高 处理特定的工业废水 生物材料吸附剂 微生物 表面络合反应以及向细菌内部缓慢扩散 不同菌种针对特定的金属离子 —

成本低，处理效率好，吸

附机理复杂 藻类 化学吸附 有毒金属离子 — 成本低 ⑶膜分离材料㈠按膜存在物质形态可分为固膜、液膜、气膜㈡按溶质或溶剂透过膜的推动力不同，以电动势为推动力的电渗析、以浓差为推动力的扩散渗析、以压力为推动力的微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）。 膜分离的主要优点：①膜分离过程中不发生相变化，能量的转化率高。②一般不需要投加其他物质，可以节省原材料和化学药剂。③在膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，能回收有价值的原料。④根据膜的选择性和膜孔径的大小，既可以将不同大小的物质分离开来，也可以使物质得到纯化，且不改变其原有属性。⑤膜分离过程在常温下进行，不会破坏热敏感和对热不稳定的物质。⑥膜分离法适应性很强。 Ⅳ物理污染控制材料： ⑴噪声污染控制材料：当你聆听美妙的音乐时是一种享受，但当音乐的声音很高，超过了所能承受的极限，再美妙的音乐也只会觉得难听，更不用说杂乱无章的声音肆虐泛滥时的痛苦了。为了减少噪声污染对人们身心健康的危害，控制噪声污染的材料被大量使用。常用的是多孔吸声材料、隔声材料、阻尼降噪材料 ①多孔吸声材料：现在很多电影院，体育馆的墙壁上这种材料很常见。其吸收性能主要受材料的流阻、孔隙率、结构因子、厚度、堆积度、材料背后的空气层、材料表面的装饰处理以及使用的外部条件等的影响。 ②隔声材料，与吸声材料不同，隔声材料最后总要的是材料本身的密实性（不透气性）。通过在噪声传播的途径上设置隔声罩、隔声室、隔声屏、隔声棚等阻碍噪声传播的媒介，使