環境污染化學

環境污染化學是環境化學的組成部分，又稱污染化學。它主要研究環境污染物在地球大氣圈、水圈、土壤-岩石圈和生物圈中遷移轉化的基本規律。環境污染化學的研究內容包括污染物在環境中的來源、擴散、分布、循環、形態、反應、歸宿等各個環節。它的研究目的是為環境質量評價、分析監測和控制治理等方面的工作提供依據。

基本介紹

• 中文名：環境污染化學
• 外文名：Environmental pollution chemistry
• 學科分支：環境化學

研究範疇

環境污染化學是一門新興的學科，它的範疇還沒有公認的明確界限。一般可分為大氣污染化學、水污染化學、土壤污染化學、生態污染化學等部分，分別研究大氣、水體、土壤和生態系統等不同領域中的污染化學問題。

環境污染化學範疇

環境物質歷來是自然科學的重要研究對象。環境污染問題出現後，人們開始研究污染物質。

起初，研究工作多集中於調查污染物的來源和排放狀況，著重於探求處理和控制技術。從60年代開始，人們逐漸發現，污染物進入環境後，環境對污染物的作用、污染物對生態系統的效應、二次污染物的生成、污染物的遷移轉化等等，都會對環境保護產生全局性影響。這些問題的提出促使環境污染研究面向自然環境，以便更深入地掌握污染物在環境中的遷移轉化規律，這就推動了環境污染化學的形成和發展。

研究對象

環境污染化學的主要研究對象是人類在生產和消費活動中向環境排出的污染物，例如硫氧化物、氮氧化物、煙塵、揮發性烴、耗氧有機物、氮磷營養素、重金屬、農藥、多環芳烴、鹵代烴、多氯聯苯、放射性物質等。

環境污染化學的研究對象

自然環境中有許多非污染性天然物質，如無機鹽類、金屬氧化物、粘土礦物、腐殖質等，以及各種物理因素(如光照、輻射)、氣象、水文、地質、地理條件等，還可能有污染性的天然物質，這是污染物存在的環境背景。這種環境背景或者與污染物直接作用，或者給污染物以間接影響。

因此，污染化學的研究對象實際應是由污染物及其環境背景共同構成的綜合體系。自然環境是一個開放性體系，時刻有能量流和物質流傳送所受的影響因素很多，而且經常變化，所以污染化學的研究對象是十分複雜的。

污染物的遷移和轉化

污染物會在環境中發生遷移和轉化。遷移包括來源、擴散、分布、循環等環節，轉化則包括形態、反應、歸宿等環節。表面看來，遷移好像只是變換空間位置的物理運動，而實際上它同污染物的轉化交織在一起，相互依賴，相互促進，包含著複雜的化學內容，同時，生物對污染物的遷移和轉化所起的作用，也都同化學反應過程密切相關。

例如，大氣污染物二氧化硫在大氣中擴散遷移時，可被氧化成為三氧化硫，再遇到氨或金屬氧化物時就會形成硫酸鹽顆粒物。它隨降水落到地面，受徑流沖刷進入水體，成為沉積物。硫酸鹽處於水底缺氧條件下，作為受氫體經硫酸鹽還原菌作用，可以還原為硫化氫，再次進入大氣。

儘管這只是硫在環境中循環途徑之一，但每一步驟都往往包含有物理化學或生物化學的反應。大氣中二氧化硫的氧化包含著複雜的光化學反應，形成各種激發態，進行自由基反應，並存在非均相的界面吸附和催化過程。

污染物的循環

環境中污染物的循環常歸納為各種元素的循環。如碳、氧、氮、硫、磷以及各種金屬等，都是以多變的形態和複雜的化學反應過程組成循環體系，通常稱為生物地球化學循環。

硫的地球生物化學循環

污染物的形態和分布

在污染化學研究中有相當一部分工作側重在污染物的形態和分布方面。污染物的存在形態包括價態、化合態、結構態、結合態等。不同形態的污染物在環境中有不同的化學行為，並表現出不同的污染效應。

例如，六價鉻有強烈毒性，而三價鉻毒性較弱；有機汞如甲基汞的毒性遠遠超過無機汞；666有七種異構體，而其中γ型有最強殺蟲力；多環芳烴的致癌活性與其化學結構有相應關係；痕量污染物與不同載體的結合態往往決定其在環境中的遷移狀況等等。

污染物的分布，不只是指在環境空間的濃度分布，而且還指污染物不同形態、不同相態之間的分配。因為只根據污染物的總量，並不能確切掌握環境污染的實質。以汞為例，大氣中的汞污染物主要來自含汞燃料的燃燒、含汞礦物冶煉和利用汞為原料進行生產的工廠的排放、還有來自土壤或水體中汞的揮發。它們以金屬汞和氯化汞蒸汽、一甲基汞、二甲基汞以及顆粒態汞等形態存在。

氮的地球生物化學循環

水體中的水溶性汞，不但有不同價態，而且能同多種無機和有機配位體形成絡合物，在一定條件下又會生成硫化汞等沉澱物。汞還能同粘土礦物、腐殖質、金屬水合氧化物等結合為顆粒態汞。在微生物或物理化學作用下，無機汞可轉化為甲基汞。水生生物還能在體內蓄積汞，各種生物高分子常以巰基與汞結合。環境中汞的總量按一定比例在各種形態之間分配。闡明汞在環境中的分布，往往要涉及十幾種甚至幾十種不同的形態。

污染物在環境中轉化的機理

為了掌握污染物在環境中轉化的機理，需要闡明其化學的反應過程。自然環境中的影響因素複雜多變，只用一般的化學規律很難揭示反應的實質和全貌，在污染化學發展過程中，已陸續提出和探索了許多新的課題。例如，大氣中的光化學反應和二次污染物的生成以及酸雨的形成，水體中溶液化學平衡和不平衡體系土壤和底泥中的界面化學反應，有機污染物在環境中的降解和生物氧化，有毒污染物在生物體內的酶化學反應等。污染物在均相或多相的環境體系中轉移，經歷各種物理化學過程，例如擴散、蒸發、凝結、吸附、離子交換、凝聚、絮凝、沉積、生物濃縮等，這些過程對污染物的空間位置或相態的變化都發生重要作用。

在環境這個開放性體系中，污染物和背景物大多並不處於平衡狀態，至多處於一種穩態，因而只用化學熱力學是不能確切描述它們的反應過程的。

化學動力學是污染化學的重要基礎，大氣中氮氧化物向硝酸鹽氣溶膠的轉化，農藥和有機化學品的化學氧化和光氧化，重金屬在還原性水體中的甲基化，氣溶膠和水溶膠的脫穩和絮凝等，都涉及化學動力學過程或催化過程。

環境污染物的反應常在空氣和水這些流動介質中進行，不可避免要受到流體狀態的影響。出現了一門新的學科——環境化學動態學，專門研究污染物在環境流體中的遷移轉化歷程，標誌著污染化學日益走向理論化和模式化。

研究方法

主要有直接測定、理論推算、模擬實驗三種，每一種方法都不能充分反映環境體系的真實狀況，因而總是互相補充，綜合運用。污染化學的發展趨勢，在深入分析方面可歸納為微量、微觀、微粒，在綜合推斷方面可歸納為模型、模式和模擬。

環境污染研究初期，主要關心的是含量較多的污染物。隨著對污染效應的認識不斷深入，注意力逐漸轉向微量和痕量污染物，如化學致癌物、重金屬、農藥、富營養化物質等。

對污染物的微觀研究，是在原子、分子水平上進行鑑定、分析、觀察，探索其形態結構、反應機理、轉化過程和中間產物等。對污染效應的研究，是在分子生物學水平上，從分子結構方面以量子化學方法定量判斷污染物的毒性或致癌規律。在微觀研究中，廣泛採用了紅外光譜、x射線衍射、氣相色譜—質譜聯用、電子顯微鏡、電子能譜、雷射探測等手段。

研究表明，微量、痕量污染物大都是同環境中微細顆粒物(微粒)相結合，以微粒為載體而遷移，在微粒表面上轉化。環境微粒物質在大氣中的如飄塵、金屬粉末，在水體中的如粘土礦物、金屬水合氧化物、腐殖質、水藻、細菌等，構成各種分散體系。對這些微粒與微量污染物的相互作用進行界面膠體化學研究，成為污染化學的重要方面。

對環境污染現象的巨觀綜合研究，首先是建立某種模型，把內在作用的化學機理以物理圖象或方框圖簡明地表述出來。模型反映出的是定性關係，可據以判斷環境污染現象的方向趨勢，如果進一步用數學定量關係表達出來，就成為模式。

污染化學模式除了用污染物濃度和環境條件等一般參數外，還常用分配係數、平衡常數、電化學位能、生成自由能、動力學常數等實驗求定值。大氣化學模式和水質化學模式的研究都已取得很大進展，成為污染化學研究的重要方向。

為了確證提出的模型和模式，除直接觀測外，還大量採用了模擬研究方法，主要有實驗室模擬和電子計算機模擬，有時也進行現場模擬實驗。為模擬實驗已研製出各種設備儀器系統、感知元件，並利用同位素示蹤、螢光顯示、雷射測試等技術。

此外，光化學煙霧室、環境風洞、水體水質模擬系統，以及綜合的微宇宙生態系模擬實驗場等成套設施均已問世。計算機模擬也提出了以漸近法綜合求解多種物理化學反應的固定模擬程式。環境污染體系的模擬研究已成為十分活躍的領域