巖土工程師：環(huán)境污染化學(xué)簡介

環(huán)境污染化學(xué)是環(huán)境化學(xué)的組成部分，又稱污染化學(xué)。它主要研究環(huán)境污染物在地球大氣圈、水圈、土壤-巖石圈和生物圈中遷移轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律。

環(huán)境污染化學(xué)的研究內(nèi)容包括污染物在環(huán)境中的來源、擴(kuò)散、分布、循環(huán)、形態(tài)、反應(yīng)、歸宿等各個(gè)環(huán)節(jié)。它的研究目的是為環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、分析監(jiān)測(cè)和控制治理等方面的工作提供依據(jù)。

環(huán)境污染化學(xué)是一門新興的學(xué)科，它的范疇還沒有公認(rèn)的明確界限。一般可分為大氣污染化學(xué)、水污染化學(xué)、土壤污染化學(xué)、生態(tài)污染化學(xué)等部分，分別研究大氣、水體、土壤和生態(tài)系統(tǒng)等不同領(lǐng)域中的污染化學(xué)問題。

環(huán)境物質(zhì)歷來是自然科學(xué)的重要研究對(duì)象。環(huán)境污染問題出現(xiàn)后，人們開始研究污染物質(zhì)。

起初，研究工作多集中于調(diào)查污染物的來源和排放狀況，著重于探求處理和控制技術(shù)。從60年代開始，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，污染物進(jìn)入環(huán)境后，環(huán)境對(duì)污染物的作用、污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的效應(yīng)、二次污染物的生成、污染物的遷移轉(zhuǎn)化等等，都會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生全局性影響。這些問題的提出促使環(huán)境污染研究面向自然環(huán)境，以便更深入地掌握污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，這就推動(dòng)了環(huán)境污染化學(xué)的形成和發(fā)展。

環(huán)境污染化學(xué)的主要研究對(duì)象是人類在生產(chǎn)和消費(fèi)活動(dòng)中向環(huán)境排出的污染物，例如硫氧化物、氮氧化物、煙塵、揮發(fā)性烴、耗氧有機(jī)物、氮磷營養(yǎng)素、重金屬、農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、鹵代烴、多氯聯(lián)苯、放射性物質(zhì)等。

自然環(huán)境中有許多非污染性天然物質(zhì)，如無機(jī)鹽類、金屬氧化物、粘土礦物、腐殖質(zhì)等，以及各種物理因素(如光照、輻射)、氣象、水文、地質(zhì)、地理?xiàng)l件等，還可能有污染性的天然物質(zhì)，這是污染物存在的環(huán)境背景。這種環(huán)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(xué)的研究對(duì)象實(shí)際應(yīng)是由污染物及其環(huán)境背景共同構(gòu)成的綜合體系。自然環(huán)境是一個(gè)開放性體系，時(shí)刻有能量流和物質(zhì)流傳送所受的影響因素很多，而且經(jīng)常變化，所以污染化學(xué)的研究對(duì)象是十分復(fù)雜的。

污染物會(huì)在環(huán)境中發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化。遷移包括來源、擴(kuò)散、分布、循環(huán)等環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)化則包括形態(tài)、反應(yīng)、歸宿等環(huán)節(jié)。表面看來，遷移好像只是變換空間位置的物理運(yùn)動(dòng)，而實(shí)際上它同污染物的轉(zhuǎn)化交織在一起，相互依賴，相互促進(jìn)，包含著復(fù)雜的化學(xué)內(nèi)容，同時(shí)，生物對(duì)污染物的遷移和轉(zhuǎn)化所起的作用，也都同化學(xué)反應(yīng)過程密切相關(guān)。

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

盡管這只是硫在環(huán)境中循環(huán)途徑之一，但每一步驟都往往包含有物理化學(xué)或生物化學(xué)的反應(yīng)。大氣中二氧化硫的氧化包含著復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，形成各種激發(fā)態(tài)，進(jìn)行自由基反應(yīng)，并存在非均相的界面吸附和催化過程。

環(huán)境中污染物的循環(huán)常歸納為各種元素的循環(huán)。如碳、氧、氮、硫、磷以及各種金屬等，都是以多變的形態(tài)和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程組成循環(huán)體系，通常稱為生物地球化學(xué)循環(huán)。

在污染化學(xué)研究中有相當(dāng)一部分工作側(cè)重在污染物的形態(tài)和分布方面。污染物的存在形態(tài)包括價(jià)態(tài)、化合態(tài)、結(jié)構(gòu)態(tài)、結(jié)合態(tài)等。不同形態(tài)的污染物在環(huán)境中有不同的化學(xué)行為，并表現(xiàn)出不同的污染效應(yīng)。

例如，六價(jià)鉻有強(qiáng)烈毒性，而三價(jià)鉻毒性較弱；有機(jī)汞如甲基汞的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無機(jī)汞；666有七種異構(gòu)體，而其中γ型有最強(qiáng)殺蟲力；多環(huán)芳烴的致癌活性與其化學(xué)結(jié)構(gòu)有相應(yīng)關(guān)系；痕量污染物與不同載體的結(jié)合態(tài)往往決定其在環(huán)境中的遷移狀況等等。污染物的分布，不只是指在環(huán)境空間的濃度分布，而且還指污染物不同形態(tài)、不同相態(tài)之間的分配。因?yàn)橹桓鶕?jù)污染物的總量，并不能確切掌握環(huán)境污染的實(shí)質(zhì)。

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(jìn)行生產(chǎn)的工廠的排放、還有來自土壤或水體中汞的揮發(fā)。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(tài)汞等形態(tài)存在。

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

為了掌握污染物在環(huán)境中轉(zhuǎn)化的機(jī)理，需要闡明其化學(xué)的反應(yīng)過程。自然環(huán)境中的影響因素復(fù)雜多變，只用一般的化學(xué)規(guī)律很難揭示反應(yīng)的實(shí)質(zhì)和全貌，在污染化學(xué)發(fā)展過程中，已陸續(xù)提出和探索了許多新的課題。例如，大氣中的光化學(xué)反應(yīng)和二次污染物的生成以及酸雨的形成，水體中溶液化學(xué)平衡和不平衡體系土壤和底泥中的界面化學(xué)反應(yīng)，有機(jī)污染物在環(huán)境中的降解和生物氧化，有毒污染物在生物體內(nèi)的酶化學(xué)反應(yīng)等。污染物在均相或多相的環(huán)境體系中轉(zhuǎn)移，經(jīng)歷各種物理化學(xué)過程，例如擴(kuò)散、蒸發(fā)、凝結(jié)、吸附、離子交換、凝聚、絮凝、沉積、生物濃縮等，這些過程對(duì)污染物的空間位置或相態(tài)的變化都發(fā)生重要作用。

在環(huán)境這個(gè)開放性體系中，污染物和背景物大多并不處于平衡狀態(tài)，至多處于一種穩(wěn)態(tài)，因而只用化學(xué)熱力學(xué)是不能確切描述它們的反應(yīng)過程的。

化學(xué)動(dòng)力學(xué)是污染化學(xué)的重要基礎(chǔ)，大氣中氮氧化物向硝酸鹽氣溶膠的轉(zhuǎn)化，農(nóng)藥和有機(jī)化學(xué)品的化學(xué)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(wěn)和絮凝等，都涉及化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程或催化過程。

環(huán)境污染物的反應(yīng)常在空氣和水這些流動(dòng)介質(zhì)中進(jìn)行，不可避免要受到流體狀態(tài)的影響。近年來出現(xiàn)了一門新的學(xué)科——環(huán)境化學(xué)動(dòng)態(tài)學(xué)，專門研究污染物在環(huán)境流體中的遷移轉(zhuǎn)化歷程，標(biāo)志著污染化學(xué)日益走向理論化和模式化。

污染化學(xué)的研究方法主要有直接測(cè)定、理論推算、模擬實(shí)驗(yàn)三種，每一種方法都不能充分反映環(huán)境體系的真實(shí)狀況，因而總是互相補(bǔ)充，綜合運(yùn)用。污染化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，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(huán)境污染研究初期，主要關(guān)心的是含量較多的污染物。隨著對(duì)污染效應(yīng)的認(rèn)識(shí)不斷深入，注意力逐漸轉(zhuǎn)向微量和痕量污染物，如化學(xué)致癌物、重金屬、農(nóng)藥、富營養(yǎng)化物質(zhì)等。

對(duì)污染物的微觀研究，是在原子、分子水平上進(jìn)行鑒定、分析、觀察，探索其形態(tài)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理、轉(zhuǎn)化過程和中間產(chǎn)物等。對(duì)污染效應(yīng)的研究，是在分子生物學(xué)水平上，從分子結(jié)構(gòu)方面以量子化學(xué)方法定量判斷污染物的毒性或致癌規(guī)律。在微觀研究中，廣泛采用了紅外光譜、x射線衍射、氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用、電子顯微鏡、電子能譜、激光探測(cè)等手段。

研究表明，微量、痕量污染物大都是同環(huán)境中微細(xì)顆粒物(微粒)相結(jié)合，以微粒為載體而遷移，在微粒表面上轉(zhuǎn)化。環(huán)境微粒物質(zhì)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(zhì)、水藻、細(xì)菌等，構(gòu)成各種分散體系。對(duì)這些微粒與微量污染物的相互作用進(jìn)行界面膠體化學(xué)研究，成為污染化學(xué)的重要方面。

近年來，對(duì)環(huán)境污染現(xiàn)象的宏觀綜合研究，首先是建立某種模型，把內(nèi)在作用的化學(xué)機(jī)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(guān)系，可據(jù)以判斷環(huán)境污染現(xiàn)象的方向趨勢(shì)，如果進(jìn)一步用數(shù)學(xué)定量關(guān)系表達(dá)出來，就成為模式。

污染化學(xué)模式除了用污染物濃度和環(huán)境條件等一般參數(shù)外，還常用分配系數(shù)、平衡常數(shù)、電化學(xué)位能、生成自由能、動(dòng)力學(xué)常數(shù)等實(shí)驗(yàn)求定值。大氣化學(xué)模式和水質(zhì)化學(xué)模式的研究都已取得很大進(jìn)展，成為污染化學(xué)研究的重要方向。

為了確證提出的模型和模式，除直接觀測(cè)外，還大量采用了模擬研究方法，主要有實(shí)驗(yàn)室模擬和電子計(jì)算機(jī)模擬