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第22章 环境化学的兴起(1)

一、环境中的污染物

(一)氰化物

氰化物是含有氰基(-CN)的一类化合物的总称。分为简单氰化物、氰络合物和有机氰化物三种,简单氰化物最常见的是氰化氢、氰化钠和氰化钾,均易溶于水,进入人体后易解离出氰基,对人体有剧毒。通常所说的氰化物主要指这几种。多种金属均可与氰形成氰络离子化合物,氰络离子的解离度很小不易形成游离的氰基,其毒性也较低。常见的有机氰类环境污染物有丙烯腈、已腈、丁腈等,均有异臭,可溶于水,在氧化剂存在下可释放出游离氰基。氰化物广泛应用于金属电镀、表面硬化、矿石浮选、提取金属、合成橡胶、合成纤维、金属热处理、有机玻璃、制造炸药等领域,亦可用作显影剂和杀虫剂,同时也是化学试验的常用试剂。

由于氰化物的应用很广泛,其对环境的污染主要是引起地面水体的污染。采用氰化物作原料的各种企业排出的都或多或少地含有氰化物。另外氰化物也常作为副产品出现于某些工业废水中。常见的含氰工业废水有电镀废水、煤气废水、钢铁废水、选矿废水、提炼金属以及有机玻璃等工艺排出的废水。氰化物的急性中毒多见于误服,氰化物进入人体后可被迅速吸收入血,在血液中氰化物与红细胞中的氧化型细胞色素氧化酶结合,并阻碍其还原,使生物体内的氧化还原反应不能进行,造成细胞窒息、组织缺氧,出现神经性呼吸衰竭,是氰化物急性中毒致死的主要原因。氰化物的慢性中毒多为吸入性中毒,一方面氰化物使神经系统发生细胞退行性变,产生头痛、头晕、动作不协调等症状,另一方面氰化物的代谢产物硫氰化物在体内蓄积,妨碍甲状腺素的合成,引起甲状腺功能低下。

预防氰化物污染环境应做好以下几点:制定氰化物在外环境中的排放标准作为保护环境、治理“三废”的卫生依据;改革工艺,以无毒或低毒物质代替氰化物;回收和综合利用含氰废水。

(二)酚

酚类化合物是芳烃的含羟基衍生物,根据其挥发性分挥发性酚和不挥发性酚。自然界中存在的酚类化合物大部分是植物生命活动的结果,植物体内所含的酚称内源性酚,其余称外源性酚。酚类化合物都具有特殊的芳香气味,均呈弱酸性,在环境中易被氧化。酚类化合物的毒性以苯酚为最大,通常含酚废水中又以苯酚和甲酚的含量最高。目前环境监测常以苯酚和甲酚等挥发性酚作为污染指标。

环境中的酚污染主要指酚类化合物对水体的污染,含酚废水是当今世界上危害大、污染范围广的工业废水之一,是环境中水污染的重要来源。在许多工业领域,诸如煤气、焦化、炼油、冶金、机械制造、玻璃、石油化工、木材纤维、化学有机合成工业、塑料、医药、农药、油漆等工业排出的废水中均含有酚。这些废水若不经过处理,直接排放、灌溉农田则可污染大气、水、土壤和食品。酚是一种中等强度的化学毒物,与细胞原浆中的蛋白质发生化学反应。低浓度时使细胞变性,高浓度时使蛋白质凝固。酚类化合物可经皮肤粘膜、呼吸道及消化道进入体内。低浓度可引起蓄积性慢性中毒,高浓度可引起急性中毒以致昏迷死亡。

一般来讲,酚类化合物进入人体后机体通过自身的解毒功能使之转化为无毒物质而排出体外。只有当摄入量超过解毒功能时才有蓄积而导致慢性中毒,表现为头晕、头痛、精神不安、食欲不振、呕吐腹泻等症状。

由于酚的用途极为广泛,预防其污染的工作也很困难。在生产和使用酚的工厂必须建立严格的操作制度,谨防酚的外泄。同时要搞好废水的回收利用和生物氧化处理,严禁含酚废水排入渗井、渗坑,以免污染地下水。

(三)农药

农药根据化学结构不同,将其分为有机农药和无机农药。我们常说的农药污染多指有机农药污染,有机农药又分为有机磷农药、有机氯农药、有机汞农药和有机砷农药等,常用的是有机磷农药和有机氯农药两类。施用农药是防治虫害、提高产量的重要措施,广泛应用于农业、林业和畜牧业,此外在工业和卫生方面也较为广泛的应用。

农药在生产和使用过程中,由于管理和使用的不科学而排放到环境中,施用的农药除10%~20%左右附着于作物表面,其余80%以上散落于地面及空气中造成土壤和空气的污染,还可因风吹雨淋而污染水源。另外,生产农药的工厂所排放的废水、废气等也是环境污染的重要因素。由于果树、蔬菜以及其他农作物大量施用农药,农药可被吸收进入果实、蔬菜和其他农产品中,使之受到污染,称作农药残毒。

有机氯农药的急性中毒主要表现为对中枢神经系统的作用,患者出现肌肉颤动、抽搐,严重者可因全身麻痹而死亡。慢性中毒主要表现为对肝、肾的损害。有机氯的长期刺激使中枢神经系统的应激性增加。有机氯在体内抑制多种ATP酶使体内代谢紊乱。另外,动物试验证实有机氯农药有致癌、致畸和致突变作用。有机磷农药为神经毒性剂,进入体内后主要抑制胆碱酯酶的活性,使体内胆碱酯酶蓄积引起神经传导功能紊乱严重者可发生呼吸衰竭而死亡。有机磷农药排泄较快,一般不引起后遗症。

要减轻环境污染、预防农药中毒的发生必须加强对农药的管理,禁止或限制某些农药的使用,合理使用农药,加强农药厂废水、废气处理和综合利用,研制高效低毒的新型农药,同时应加强农药对环境污染的监测。

(四)烟气

烟气是气体和烟尘的混合物,是污染居民区大气的主要原因。烟气的成分很复杂,气体中包括SO2、CO、CO2、碳氢化合物以及氮氧化合物等,烟尘包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高温裂解产物等。因此烟气对环境的污染是多种毒物的复合污染。烟尘对人体的危害性与颗粒的大小有关,对人体产生危害的多是直径小于10微米的飘尘,尤其以1~5微米的飘尘危害性最大。

烟尘对空气的污染与气象条件关系密切,风、大气稳定度、湍流等与大气污染状况关系密切,此外光化学、生物化学对烟气的污染亦有一定影响。

烟气污染物对人体的危害一方面取决于污染物质的组成、浓度、持续时间及作用部位;另一方面取决于人体的敏感性。烟气浓度高是可引起急性中毒,表现为咳嗽、咽痛、胸闷气喘、头痛、眼睛刺痛等,严重者可死亡。最常见的是慢性中毒,引起刺激呼吸道黏膜导致慢性支气管炎等。1957年日本的四日市哮喘即是烟气慢性毒害的典型例子。另外烟气尚含有苯丙芘等强烈致癌物质。

为预防环境污染,可通过改造锅炉结构、更换燃料、改进燃烧方法等促进燃料充分燃烧,发展区域集中供暖,适当增加烟囱高度。此外还应加强环境污染的管理。

(五)汽车废气

20世纪50年代以来,由于社会化大生产和人类生活节奏的加快,汽车被人们大量使用。汽车在给人们生活带来方便的同时也带来了严重的环境污染,给人类的健康造成了巨大的威胁。目前世界上约有5亿辆汽车,每年排出4亿吨一氧化碳,8000万吨碳氧化合物和5000万吨一氧化氮。据统计美国的空气污染约有60%为交通运输工具引起,在日本大约85%是由汽车引起的,我国的形势也不容乐观。当前汽车废气已成为世界城市污染的罪魁祸首。

汽车在发动和行驶过程中排出的污染物主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物及颗粒物质。汽车废气的组成和排放量与发动机的种类及燃料有关,一般来说,柴油发动机废气中一氧化碳和碳氢化合物的浓度都远低于汽油发动机,氮氧化合物的浓度几乎相等,然而柴油发动机排出大量的黑烟的臭气令人反感。碳氢化合物与氮氧化合物在强烈的紫外线照射下发生光化学反应,生成光化学烟雾。

目前,还没有足够的资料说明汽车废气中各种有害成分对人类及其他哺乳动物健康危害的综合作用,多借助个别成分的毒性作用来评价其危害。一氧化碳主要通过与血红蛋白结合使之丧失携氧功能,严重时可引起死亡。氮氧化合物吸入后刺激呼吸道黏膜,引起肺炎。碳氧化合物主要是一些多环芳烃,除具有致癌作用外,还可刺激皮肤、黏膜,尤其是与氮氧化合物形成光化学烟雾,刺激性更强,重者可危及生命。此外汽车废气中含有铅,可导致慢性铅中毒。

要预防其污染可通过以下途径:改革燃料,推广无铅汽油以及寻找石油代用品等;改进汽车发动机构造,使燃料尽可能充分燃烧;同时应加强城市街道环境的监测。

(六)光化学烟雾

光化学烟雾是以汽油作为动力燃料以后出现的一种新型大气污染。它是大气中存在的烃类和氮氧化物等污染物在强烈日光作用下,经过一系列光化学反应而生成的二次污染物蓄积于大气中而生成的一种浅蓝色烟雾,其中主要含有臭氧、过氧酰基硝酸酯、醛类、酮类、过氧化氢等高分子有机化合物所形成的气溶胶颗粒。这种大气污染历史上曾多次发生,其中以洛杉矶和伦敦发生最多,我国1974年在兰州西固化工区也发生过类似的光化学烟雾污染事件。

光化学烟雾的特征是烟雾弥漫,大气能见度降低,一般发生在大气相对湿度较低、气温为24℃~32℃的夏季晴天,污染高峰出现在中午或稍后。光化学烟雾的形成过程极其复杂,目前已初步明确是碳氢化合物和氮氧化合物在强烈的紫外线存在条件下发生一系列的光化学反应而形成的二次污染物。光化学烟雾成分复杂,但是对动植物有害的主要是臭氧、过氧酰基硝酸酯、丙烯醛和甲醛等,其对健康的危害主要是对眼睛和呼吸道的刺激,表现为眼红肿、流泪、头痛、咳嗽、气喘、呼吸困难等症状。严重者可引起急性死亡。

控制光化学烟雾的污染同控制其他污染一样,首先是控制污染源,减少汽车废气的排放,改善汽车发动机的工作状态,改进燃料供给等。此外还应加强对环境污染的监测和管理,以防止光化学烟雾的形成和危害。

(七)酸雨和酸雾

酸雨是指pH值小于5.6时的雨雪或其他形式的大气降水,是大气受污染的一种表现。当大气受到污染时,大气中的酸性气体如二氧化硫、氮氧化物浓度增高,溶于雨雪中生成亚硫酸、硝酸使降水的pH值降低谓之酸雨。大气中水分饱和或接近饱和时,酸性物质溶于雾中形成酸雾。

酸雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理现象。煤和石油燃烧以及金属冶炼等过程释放到大气中的二氧化硫,通过一系列的气相或液相氧化反应生成硫酸。高温燃烧生成的一氧化氮排入大气中大部分转化为二氧化氮,遇水生成硝酸和亚硝酸。大气颗粒物中的铁、铜、镁、钒等是成酸反应的催化剂,大气光化学反应生成的臭氧和过氧化氢是二氧化硫氧化的氧化剂。

空气中存在酸雾,可随人的呼吸进入肺部组织,严重时可能引起肺部炎症及肺水肿,特别对婴、幼儿的影响更大,甚至有可能诱发婴儿死亡综合症。酸雨除对人群造成危害之外,对整个生态系统都有影响,酸雨降落地面后可使土壤、湖泊、河流酸化。水体酸化后使水生生物受到严重影响;土壤酸化后使其中的有机物的分解和氮的固定受到抑制,引起土壤贫瘠化;酸雨伤害植物的新生芽叶,影响其水肿发育;酸雨对建筑物的腐蚀作用业很明显致使表层脱落甚至影响其安全。

控制酸雨的根本措施在于减少二氧化硫和氮氧化物的人为排放。对已酸化的土壤的水体中添加石灰在短期内可取得较好的效果。

(八)噪声

噪声是指人们主观上不需要、给人们生活带来不愉快的声音,像排放到环境中的化学物质一样,是环境中的污染物,当前环保工作已把它列为管制对象,规定了噪声的排放标准和环境允许水平。环境噪声污染是指环境中噪声超过了人们所能接受的程度。与化学污染物相比,噪声污染范围广泛,噪声源停止后噪声亦随之停止,无残留、无蓄积。

环境中噪声来源主要包括火车、汽车、飞机等交通工具产生的交通噪声、各种工矿企业产生的工业噪声、建筑工地产生的施工噪声以及人为活动所产生的各种社会噪声等。其中交通噪声占城市噪声的70%左右,是城市噪声污染的主要来源。

反复、长时间、超负荷的噪声刺激可引起中枢神经系统损害,表现为条件反射异常、脑血管功能紊乱,脑电位发生变化以及头痛、头晕、耳鸣等神经衰弱症候群。累及心血管系统表现为心跳加速、心律不齐、血压升高、心脏排血量减少而使心肌缺血、缺氧,严重者可导致心肌梗塞;累及内分泌生殖系统可引起性周期紊乱、受精迟缓,并可引起染色体突变而致畸胎的发生;另外长时间生活于噪声环境中可使听力下降,甚至耳聋。

控制环境噪声污染的措施有:改进设备结构,提高部件的加工精密度和装配质量;采用合理的操作方法,降低声源的噪声发射功率;利用声的吸收、反射和干涉等特性,采用吸声、隔声、隔振等技术以及安装消声器以控制噪声的辐射。此外还应对噪声的管理。

(九)光污染

光污染是指过量的光辐射对人类的生活和生产环境造成不良影响的现象,主要指可见光污染,又叫噪光。可见光污染比较多见的是眩光,如汽车头灯等。目前由于城市中高楼建筑大量使用玻璃幕墙而使市区内到处充斥着炫目的噪光。光污染的另外一种形式——视觉污染,指城市环境中杂乱的视觉环境,如杂乱的电线、电话线、垃圾废物、乱七八糟的货摊以及五颜六色的广告招贴等。激光污染也是光污染的一种特殊形式,近年来由于激光在医学、生物学、物理学、化学、环境监测、天文学以及工业等多方面的应用日益广泛激光污染也越来越受到人们的重视。

光污染主要损伤人体的视觉系统,长期暴露于强光下,使视觉敏锐度降低、视力下降。其中以激光对眼睛的损伤最大,可累及眼结膜、虹膜和晶状体甚至损伤深层组织和神经系统。此外,视觉污染可使人情绪低落、心情烦闷等从而影响身心健康。

光污染的防护主要有:加强城市规划和管理减少光污染的来源;加强对激光的管理,采取必要的防护措施;搞好个人防护等等。

(十)非电离辐射

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