环境学基础.doc
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1、 . 1. 环境科学的研究对象是环境。环境是以人类为主体的外部世界,即人类赖以生存和发展的物质条件的整体,包括自然环境,社会环境,工程环境。自然环境由生物和无机环境组成。社会环境是由政治、经济和文化等要素构成,社会环境是人类活动的产物,反过来又成为人类活动的制约条件,也是影响人类与自然环境关系的决定性因素。工程环境是人类再利用和改造自然环境中创造出来的人工环境。中华人民共和国环境保护法“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整体,包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生动物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等”2. 环境的特征:
2、物质性、生态性、唯一性、有限性、资源性3. 环境的功能:环境是人类生存和发展的最终物质来源;环境承受着人类生活产生的废弃物和各种作用的结果。4. 环境问题:是指由于人类活动作用于人们周围的环境所引起的环境质量变化,以及这种变化反过来对人类的生产、生活和健康的影响问题。包括原生环境问题(自然灾害)和次生环境问题。5. 环境问题的产生及其根源:人类初期以采集狩猎为生,由于过度的采集狩猎,消灭了许多物种,破坏了人们的食物来源,失去了进一步食物来源,使人类的生存受到威胁,这是人类活动产生的第一个环境问题;农业发展时期,人类砍伐焚烧森林,发展农业和畜牧业,反复弃耕一些干旱和半干旱地区,人类不合理盲目的开
3、发及过分强化使用土地,导致土壤破坏,森林破坏及严重的水土流失,这是以土地破坏为特征的人类的第二环境问题;工业革命时期,由于人口剧增和人类盲目的消耗自然资源,破坏生态环境,造成严重的环境污染,如大气污染水污染土壤污染核污染等;信息社会时期,科学技术有利于解决工业发展带来的环境问题,但新技术材料的应用,也会产生相应的环境问题。6. 环境科学:一门研究人类社会发展活动与环境演化规律之间相互作用关系,寻求人类社会与环境协同演化、持续发展途径与方法的科学环境科学的分支:理论环境学;综合环境学;部门环境学7. 环境科学的发生和发展:工业农业及交通运输业发展带来了环境危机,解决环境问题的迫切需要成为推动环境
4、科学发生和发展的巨大力量。环境科学诞生于60年代环境科学初期发展阶段:环境科学分支分别发展,它们用不同理论和方法研究和解决不同性质的环境问题,属于多学科性的,没有形成较完整的体系向整体化发展阶段:运用系统分析和系统组合的方法,强调研究对象的整体性,把人类与环境系统看作具有特定结构和功能的有机整体,进行全面的研究。环境保护工作方针:全面规划,合理布局,综合利用,化害为利,依靠群众,大家动手,保护环境,造福人民。8. 环境科学的基本任务:揭示人类环境系统的实质,研究人类环境系统间的协调关系,掌握其发展规律,调控人类与环境间的物质能量交换,改善环境质量,造福人民,促进人类与环境间的协调发展主要任务:
5、探索全球环境演化的规律,了解人类环境变化的过程、环境的基本特性、环境结构和演化机理等,应用这些认识使环境质量向有利于人类的方向发展,避免对人类不利的变化;揭示人类活动同自然环境间的关系,协调社会经济发展与环境保护的关系,使人类社会和环境协调发展;探索环境变化对人类生存的影响,发挥环境科学的社会功能,探索污染物对人体健康危害的机理及环境毒理学的研究,为人类正常、健康的生活服务;研究区域环境污染综合防治的技术措施和管理措施。9. 环境保护:指人类为解决现实的和潜在的环境问题,维持自身的生存和发展而进行的具体实践活动的总称。10. 大气结构:根据大气温度垂直变化、化学成分、荷电等物理性差异及大气垂直
6、运动状况,分为:对流层:平均厚度12km,温度随高度增加而下降(每升100m降低0.6);密度大;空气污染层;雨雪雹霜等天气现象层;有垂直对流运动和水平运动;平流层:对流层顶约至50km,下部稳定层温度基本不变,稳定层以上温度随高度的升高而上升,因为有臭氧吸收太阳光短波紫外光,同时在紫外线作用下分解为氧原子和分子氧,重新合成臭氧时释放热量;以水平运动为主,很少天气现象,飞机在平流层;中间层:平流层顶至80km;强烈垂直对流运动;气温随高度增加而下降,最冷层;热成层(电离层和增温层):热成层顶至800km;温度随高度上升剧增;由于太阳和宇宙射线作用,空气分子电离成为较高密度的带电粒子;散逸层:热
7、成层之上,空气稀薄,受地心引力小,温度随高度增加略有增加11. 大气组成:主要成分:N2(78.09%)O2(20.94%)CO2(0.033%)Ar(0.93%)及稀有气体He,Ne,Kr,Xe,上述气体约占空气总量的99.9%以上。可变组分是CO2(0.033%)H2O(0-4%)。大气除去水气和杂质的空气称为干洁空气。12. 大气污染是指大气中一些物质的含量达到有害的程度,以致破坏人和生态系统的正常生存和发展,对人体、生态和材料造成危害的现象。13. 大气污染类型:按照污染范围:局地性大气污染(厂区,城市);区域性大气污染(跨越城市或国家);全球性大气污染(臭氧层破坏,温室效应);根据污
8、染物的性质:还原型(煤炭型,污染物SO2,CO,颗粒物,伦敦烟雾);氧化型(汽车尾气型,污染物来源汽车排气燃油锅炉石油化工生产,次污染物CO,氮氧化物和碳氢化合物,洛杉矶光化学烟雾);根据燃料性质和大气污染物的组成划分:煤炭型(煤炭燃烧释放的烟气粉尘二氧化硫等一次污染物,及一次污染物生成的硫酸,硫酸盐类气溶胶等二次污染物,污染源为工业企业烟气排放);石油型(汽车排气、石油冶炼及石油化工厂排放的氮氧化物,烯烃等碳氢化合物);混合型(以煤为燃料排出的污染物以石油为燃料排出的污染物,从工厂排出的各种化学物质);特殊型(有关工厂排出的特殊气体,如生产磷的工厂周围大气的氟污染)14. 大气污染源:向大气
9、中排放有害物质或对大气产生有害影响的场所、设备和装置。天然源:火山喷发(SO2、H2S、CO2、CO、HF及火山灰等颗粒物);森林火灾(CO、CO2、SO2、NO2、HC);自然尘(风沙土);森林植物释放(萜烯类碳氢化合物);海浪飞沫(硫酸盐和亚硫酸盐颗粒物)人为源:燃料燃烧(煤石油天然气);工业生产排放(石油化工、金属冶炼);交通运输过程中排放(汽车、飞机、轮船);农业活动排放(农药及化肥的使用)。15. 硫氧化合物(SO2,SO3):SO2作为重要的大气污染物原因在于参与了硫酸烟雾和酸雨的形成,来源含硫燃料(煤的含硫量0.5%-6%,石油0.5%-3%)的燃烧以及硫化合物矿石的焙烧、冶炼。
10、50%SO2转化为硫酸或硫酸根,另50%通过干湿沉降从大气中去除。SO2的危害:刺激人体呼吸道并增加呼吸阻力,造成呼吸困难;植物长期接触SO2会造成缺绿病或黄萎;SO2参与硫酸烟雾和酸雨的形成,对建筑等造成腐蚀并污染水体等。特征:SO2的本底值有明显的地区变化和高度变化;停留时间3-6.5天;体积分数与风速成反比;白天O2污染得到减轻(夜间辐射逆温(平静晴朗的夜晚,由于上面的空气比下面的空气冷却的慢形成逆温)和小风或是静风同时出现时,湍流混合作用最弱,水平运动几乎处于静止状态,稀释扩散作用和水平运输作用很弱,SO2极易造成在低空中堆积,出现SO2浓度峰值;白天日出之后,辐射逆温消散,湍流活动加
11、强,混合层厚度大大增加,同时风速增加,扩散稀释作用和水平运输作用都加强。)16. 大气中污染物的迁移:是指有污染源排放出来的污染物由于空气的运动使其传输和分散的过程。迁移过程可是污染物浓度降低。影响大气污染物迁移的因素:风和大气湍流的影响(风可以使污染物向下风向扩散,湍流可使污染物向各个方向扩散,浓度梯度可是污染物发生质量扩散);天气形势和地理形势的影响。影响大气污染的气象因子:大气稳定度:指在垂直方向上大气稳定的程度;风:输送作用和冲淡作用;湍流:湍流的尺度和烟团尺度相仿时,有利于烟团的扩散;辐射和云:辐射增强,不稳定;天气形式:气团、气压。17. SO2在大气中的化学转化:SO2的直接光氧
12、化:在低层大气中,SO2光化学过程是形成激发态SO2分子,而不直接解离。SO2吸收阳光中一个在290nm处,一个在384nm处的吸收光谱,进行两种电子允许跃迁,产生强弱吸收带,但不发生光解:SO2 + hv(290-340nm) 1SO2(单重态) ;SO2+ hv(340-400nm) 3SO2 (三重态)能量较高的单重态分子,可按以下过程跃迁到三重态或是基态:1SO2 + MSO2+ M; 1SO2 + M3SO2+ MMM在大气条件下,激发态二氧化硫,主要是以三重态形式存在,单重态不稳定会转化为三重态。在空气中SO2光解成为 SO3的机制是:3SO2 +O2 SO4 SO3+O 或SO4
13、 +O22SO3 也存在激发态SO2的猝灭反应:3SO2+ M(N2、O2、CO、CO2等)SO2+M SO2的间接光氧化:气态SO2在光化学反应活跃到的大气中能与强氧化性自由基反应而被氧化,称为SO2的自由基氧化。这些自由基主要来自与大气中一次性污染物NOx和活性炭氢化合物相互作用过程的中间产物,也来自光化学污染物及产物。SO2与OH的反应:OH + SO2OHSO2 ;OHSO2 + O2HO2 + SO3 ;SO3 + H2OH2SO4 。SO2与HO2、CH3O2、CH3COO2、O的反应:HO2 + SO2OH + SO3 ;CH3O2 + SO2CH3O+ SO3 ;CH3COO2
14、 + SO2CH3COO + SO3 ;催化SO2的催化氧化:SO2被气溶胶中的水滴吸着,氧化为SO42-,在有金属盐(铁锰)存在时被溶解氧化成硫酸,总反应为:2SO2 + 2H2O +O22 H2SO4 反应中的催化剂包括金属盐,例如锰和铁的硫酸盐和氯化物,他们作为悬浮的微粒物质存在于空气中。在湿度较高时,这些粒子可称为凝聚核或水合成液滴。液体气溶胶可吸收SO2和O2,并在液相中发生化学反应。当液滴的酸性变高时,由于SO2的溶解度减小了,氧化作用会显著减缓,若大气中有足够的NH4+存在时,SO2的氧化速率会增加。锰的硫酸盐催化氧化效率最高。18. 脱硫:燃料脱硫,燃烧过程中脱硫,烟气脱硫燃料
15、脱硫:煤炭的重力分选(含硫量降低40%-90%);煤炭气化或液化;重油脱硫(选用抗中毒性能好的催化剂,将重油直接引入装有催化剂的反应塔高压加氢脱硫,脱硫重油含硫量下降到1%)燃烧脱硫:烟气脱硫分为湿法和干法,石灰/石灰石洗涤;氨法(以氨作为SO2吸收剂);喷雾干燥吸收法烟气脱硫流化床燃烧脱硫:低温燃烧,脱硫剂为石灰石/白云石低浓度SO2的吸附净化:当烟气中含有足量的水蒸气和氧时,SO2在活性炭表面发生化学反应,SO2氧化成SO3并与水反应生成硫酸,脱硫率可达90%19. 氮氧化物(NO、NO2):人为源:燃料的燃烧,2/3来自汽车等流动燃烧源的排放,1/3来自固定燃烧源的排放。燃烧产生的氮氧化
16、物中NO占90%以上。天然源为生物源(由生物机体腐烂形成的硝酸盐,经细菌作用产生的NO及随后缓慢氧化形成的NO2;生物源产生的氧化亚氮氧化形成NOx;有机体中氨基酸分解产生的氨经OH自由基氧化形成NOx)。大气中的氮氧化物最终转化为硝酸和硝酸盐微粒经湿沉降和干沉降从大气中去除。氮氧化物的环境本底值随地理位置不同而不同,冬季浓度最高,夏季最低,停留时间小于一月。危害:NO能与血红蛋白结合,从而减弱血液的输氧能力;高浓度的NO2会严重危害人类健康;氮氧化物是导致光化学污染的重要污染物。20. 氮氧化物的转化:NO2光化学转化:NO2 + hvNO+ O ;O + O2 +MO3+M ;O3 + N
17、ONO2 + O2 ;NO2的化学反应:NO2 + OH HNO3 ;NO2 + O3 NO3 + O2NO+2O2 ;NO2 + NO3 N2O5 ;HNO2的化学反应:NO+ OH HNO2 ;HNO2+ OH NO2 + H2O ;NO+NO2 + H2O 2HNO2 ;2NO2 + H2O HNO2 +HNO3 HNO3 的化学反应:HNO3 + OH H2O+ NO3 ;HNO3 + NH3 NH4NO321. 汽车尾气的催化净化:第一步还原氮氧化物,利用尾气中的CO和CHX作还原剂,调整空燃比(空气质量和燃料质量之比),净化氮氧化物,同时除去部分CO和CHX,剩下CO和CHX在第二
18、步中被催化燃烧。22. 光化学烟雾的控制对策:控制反应活性高的有机物的排放;控制臭氧的浓度;安装汽车尾气净化装置;使用替代能源23. 大气污染综合防治:从区域环境整体出发,综合运用各种防治大气污染的技术措施的对策,充分考虑区域的环境特征,对影响大气质量的多种因素进行综合系统分析,提出最优化对策和控制技术方案,以期达到区域大气环境质量控制目标。全面规划、合理布局;选择有利于污染物扩散的排放方式(高烟囱扩散和集合式烟囱排放);区域集中供暖供热;改变燃料结构;绿化造林;大气污染控制工程(采用无污染或少污染的工艺,安装废气净化装置)24. 硫酸烟雾(伦敦烟雾)和洛杉矶光化学烟雾:硫酸烟雾是由于燃煤排放
19、出来的的SO2,颗粒物以及由SO2氧化所形成的硫酸盐颗粒物所造成的大气污染现象,气候条件:冬季,低温,湿度较高,日光较弱,臭氧浓度较低,白天夜间持续发生,对呼吸道有刺激作用,严重时导致死亡;含有氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物的大气,在阳光照射下发生光化学反应而产生二次污染物,这种由一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象称为光化学污染,主要是来源是汽车尾气,烟雾呈蓝色,具强氧化性,白天生成,傍晚消失,气候条件:夏季,高温度,低湿度,强阳光照射,臭氧浓度高,对眼和呼吸道有强刺激作用,臭氧等氧化剂有强氧化破坏作用,严重时可导致死亡25. 光化学烟雾的形成机制:26. 大气颗粒物:天然源
20、如地面扬尘,海浪溅出的浪沫,火山爆发所释放出来的火山灰,森林火灾的燃烧物,宇宙陨星尘以及植物的划分、孢子等。人为源主要是燃料燃烧过程中形成的煤烟、飞灰等,各种工业生产过程所排放出来的原料或产品微粒,汽车排放的含铅化合物,矿物燃料燃烧所排放出来的二氧化硫在一定条件下转化为硫酸盐粒子等。大气颗粒物的消除与颗粒物的浓度、化学性质有关,干沉降(重力作用下沉降)和湿沉降(降雨降雪)去除。PM2.5(空气动力学直径小于2等于.5m),汽车排放尾气是主要来源,PM2.5对人类健康有着严重影响,大气能见度大幅降低。27. 除尘措施:改变燃料结构减少颗粒物的形成;采用控制设备除尘。机械式除尘装置【重力沉降室:气
21、体中大粒径的粉尘借助重力沉降;旋风除尘器:利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离,尘粒在离心力作用下移向外壁,在重力和气流共同作用下外壁上的尘粒沿壁面落入灰斗;惯性除尘器:使含尘气体与挡板相撞,或使气流急剧地改变方向,利用粉尘粒子的惯性力使离子分离并捕集的装置】;袋式除尘装置【含尘气流从下部进入圆筒形滤袋,通过滤料的缝隙,粉尘被滤料捕集,清洁气体由上排出口排出,滤料由棉毛人造纤维织物加工】湿式除尘装置【使含尘气体与液体(水)密切接触,利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其他作用捕集尘粒或使粒径增大的装置】;电除尘装置【含尘气体通过高压电场进行电离的过程中,使尘粒荷电,在电场力的作用下使尘粒沉积在集尘
22、板上,达到除尘目的】28. CO:化石燃料的燃烧;甲烷转化,海水中CO的挥发;植物排放,森林火灾,农业废物焚烧。通过土壤吸收和与OH自由基反应去除大气中的CO,停留时间较短危害:阻碍人体氧气输送;参与光化学烟雾的形成;导致温室效应。29. CO2:人为源:矿物燃料的燃烧;天然源:海洋脱气,甲烷转化,动植物呼吸,腐败作用,燃烧作用。去除:进入海洋,是海洋变酸;进入生物圈;停留在大气圈。危害:造成温室效应,使近地面大气变暖。30. CH4:厌氧细菌的发酵过程,燃烧过程和原油天然气的泄露水稻田是我国甲烷最大的排放源。去除:与OH自由基反应。CH4是温室气体,吸收7.7m的红外辐射,并转化为能量,使地
23、表温度增加,导致温室效应的能力比CO2大31. 减轻地面烟气浓度:一是提高排烟温度;二是增加烟气的喷出速度;三是增加烟气的排出量32. 水体污染:当污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后,其含量超过了水体的自净能力,使水体的水质和水体底质的物理化学性质或生物群落组成发生变化,从而降低了水体的使用价值和使用功能的现象。33. 水体污染分类:根据污染物性质,物理性污染:1.感观污染(色度;嗅和味;浊度);2.热污染(温度升高,溶解氧减少);3.悬浮固体污染;4.油类污染;无机物污染:1.酸碱污染;2.无机毒物污染(重金属毒物污染;非金属毒物污染);有机物污染:1.好氧有机物污染(溶解氧耗尽,水
24、中有机物腐烂,水体发黑变臭。指标:生化需氧量BOD,化学需氧量COD,总有机碳TOC,总需氧量TOD);2.有机毒物污染(酚类、苯胺类、硝基苯类、DDT、666);营养盐污染与水体富营养化(生活污水和工业废水中的氮磷等营养物质排入湖泊水库港湾内海等水流缓慢的水体,造成藻类大量繁殖,溶解氧下降,鱼类大量死亡的现象,即“富营养化”);生物污染(细菌总数;总大肠杆菌群数);放射性污染34. 水体污染的危害:危害人体健康;降低农作物的产量和质量;影响渔业生产的产量和质量;制约工业的发展;加速生态环境的退化和破坏;造成经济损失35. 水污染源:工业废水;生活污水;农业退水(农作物栽培、牲畜饲养、食品加工
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