环境科学中的化学平衡问题

环境科学中的化学平衡问题 摘要：从化学平衡的角度阐述了环境科学成因与机理.从化学平衡 的角度来剖析各种污染的内在成因。掌握大气污染和水污染的防治方法， 进一步树立环保意识。 关键词：环境科学化学平衡大气污染水体污染 环境科学是研究人类生存的环境质量及其保护与改善的科学。环境科 学研究的环境，是以人类为主体的外部世界，即人类赖以生存和发展的物 质条件的综合体，包括自然环境和社会环境。 人类出现后，通过生产和消费活动，从自然界获取生存资源，然后又 将经过改造和使用的自然物和各种废弃物还给自然界，从而参与了自然界 的物质循环和能量流动过程，不断地改变着地球环境。人类在改造环境的 过程中，地球环境仍以固有的规律运动着，不断地反作用于人类，因此常 常产生环境问题。 一、大气层污染问题 人类的生产和生活活动使大气中增加了其他成分，当大气成分的变化 增加到环境所能允许的极限时，会使空气质量发生恶化，这种现象就是大 气污染。大气污染的形成与治理都是一个平衡的过程。应用化学平衡的原 理剖析大气污染的成因以及提出治理大气污染的方法与措施，是每一个化 学工作者要深入研究与学习的问题。 1. 臭氧层空洞 平流层中有一层臭氧层，其浓度为10%,厚度为30公里，大量吸收来 自宇宙的辐射，其中99%的太阳紫外线被它吸收，从而使地球上的生物免 受伤害。平流层中发生着这样的反应：02在紫外线的辐射下生成03,形 成厚约20公里臭氧层。臭氧层能吸收波长〈300皿 的太阳辐射，臭氧层附 近的大气层中的物质极少上下对流扩散，主要随地球自转而平移。这种特 殊的运动形式对地球环境的影响一是因为02= 20, 202=0+03,所以臭氧层 能阻止过多的紫外线照射到地面。随着近代科学技术的发展，导致平流层 中的污染物增加，这些污染物使得20 =0+03平衡向左移动，大量的03转 化成02造成臭氧层衰竭，以至于形成臭氧层空洞。 2. 酸雨 上世纪50年代，R. A. Smith最早观察到酸雨，并提出“酸雨”这一名 词。酸雨中的酸性物质主要是H2S04和HN03o煤和石油中均含有硫，每一 份重量的硫就会产生双份重的S02,硫化物在冶炼或制H2S04时也会放出 大量的S02。这些S02通过气相或液相的氧化反应生成H2S04。酸雨中的 硝酸成份来自高温燃烧，在高温燃烧区，助燃空气中的N2、02会结台成 N0,燃料中的含氮化合物也会燃烧转化为N0。排入大气中的NO绝大部分 转化为N02,遇水则歧化为硝酸和亚硝酸。当酸性气体排放较多，超出自 然界的抵御能力，使大气平衡大幅度移动，酸碱平衡不能将酸性气体调节 到正常范围，酸性气体成份偏高，从而形成酸雨，以致于各圈层的平衡移 动造成环境荷染。目前酸雨的酸度不断增加，范围日益扩大。减少和防止 酸雨的形成，主要应从污染源着手。 3. 光化学烟雾 由各种燃烧设备，特别是汽车排出废气中的碳氢化合物和氮氧化物等 一次污染物，在空气中经太阳光(紫外光)照射后，各种污染物之间发生 相应反应，生成臭氧、醛类、过氧乙酰硝酸脂等二次污染物，它们在大气 中是一种具有刺激性的浅蓝色烟雾(其中有气体污染物，也有气溶胶)， 称为光化学烟雾。发生此现象的原始成份是NOx和炷类。它们在日光照射 下发生一系列的化学平衡。光化学烟雾就是上述各种成份的混合物，若毒 雾在大气中含量较高，难以扩散，在局部地区较富集，大气正常平衡组成 改变，生物圈中的人就会感到强烈刺激，流泪、眼红、呼吸困难，并诱发 其它病症。 二、水环境问题 水体污染沉积物最常用的方法是挖掘清除，但这是工程量浩大、经 济负担很重的方式，而且如果措施不当反会造成污染扩散的后果。因此, 在实施挖掘以前，必须对所在水域进行慎密的评估平衡分配法(EqP)是 应用表层沉积物固相与孔隙水中污染物的平衡浓度(C s与C rw )求得 平衡常数K p ,再联系当地水质基准WQCo例如重金属可按以下公式计 算。 K p = C sCrw SQC = K plWQC + [M e ]AV S + [M e ]R 式中，[Me]AVS为酸可挥发性硫化物，[Me]R为残渣态金属量，此 两项为校正项。在用水与废水的水质净化工艺中，几乎每种技术都涉及 到各门化学和微界面配合过程，化学水处理工艺则是其中最主要的组成部 分。在净化技术中普遍应用的则是各类药剂和材料，其中用量最大、作 用最重要的应属混凝剂或絮凝剂。无机高分子絮凝剂是一类新型的水处理 药剂，它们都是铝、铁盐的水解过程中间产物与硅酸等不同阴离子的结 合体，即羟基多核络合物或无机高分子化合物。 针对A 113的凝聚絮凝定量计算模式，包括以下步骤： 步骤1：表面吸附，A 113吸附到颗粒表面 S[mOH]m - + nA112A104 (OH) 24 步骤2：电中和凝聚，A 113的正电与颗粒表面负电中和并趋近零电 荷 S[nA112A104(0H)24+m] (m-7n) — S [nA112A104 (OH) 24+m] (m=7n) + 0 步骤3：表面沉淀，A113结合表面及溶液中0H-而趋向氢氧化铝沉 淀 S[nAl (OH) 3], S[nA112A104 (OH) 24+ m] (m=7 n) + 0 步骤4：颗粒絮凝，各颗粒由氢氧化铝及A 113架桥絮凝 S[nAl (OH) 3]+S[nAl (OH) 3] + S[nA112A104 (OH) 24+ m] (m=7 n) + 0 这一作用机理的最后证实需要应用表面结构与形态鉴定的现代仪器 予以确认。 三、结语 上述只反映了环境中诸多化学问题的几个侧面。当代全球存在着十大 环境问题，它们分别是大气污染、臭氧层破坏、全球变暖、海洋污染、淡 水资源紧张和污染、土地退化和沙漠化、森林锐减、生物多样性减少、环 境公害、有毒化学品和危险废物。由于这些问题直接或间接地与化学物质 平衡有关，因而要利用化学分析的手段去研究环境污染物的种类和成分， 并对它们作定性、定量和结构分析。分析化学平衡问题在解决环境中的化 学问题时起关键作用，在认识环境过程和保护环境中起核心作用，具有重 要的实践意义。 参考文献 [1] 汤鸿霄.环境科学学报(Acta Sci. Circum stantiae) . 2000, 20 (1)： P2-P9 [2] 汤鸿霄，钱易，文湘华等.水体颗粒物与难降解有机物的特性 及控制技术原理.环境科学出版社.2000 [3] Huang C P, O Melia C R, Morgan J J. A quatic Chemistry. Interfacial and Interspecies Processes. A CS 244, American Chemical Society. 1995 [4] Stumm W. Chemistry of the Solid 2 Water Interface, Wiley Interscience. 1992 [5] Wen X H, Du Q , Tang H X. Environ. Sci & Technol. 1998： P32, P870-P875 [6