多介质环境污染 PPT
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N＝kg(Cg –Csg)=kL (CsL-CL)
• kg气膜中的交换系数［cm/s］ • kL液膜中的交换系数［cm/s］ • Cg化学物在气膜外边界气相中的浓度［g/cm3］ • Csg化学物在气膜内边界气相中的浓度［g/cm3］ • CL化学物在液膜内边界液相中的浓度［g/cm3］ • CsL化学物在液膜外边界液相中的浓度［g/cm3］
从多介质环境的整体效应出发，需要对目前的 污染控制技术从思路到具体方法进行重新认识。 考查一个污染控制技术是否有效，不仅要看污染 控制过程本身是否会成为新的污染源，而且还应 该考虑在制造污染控制设施以及生产这些设施所 需的材料是否已经对环境造成了污染。遗憾的是 传统的环境污染控制技术都未考虑后一种情况， 因而尽管人们已经投入了大量的精力进行污染控 制，但就全球的环境改善而言，其成效甚微。有 人对通过回收利用废纸和废塑料的工艺进行了分 析，认为这种回收工艺直接或者间接造成的环境 污染比新生产同样数量的纸和塑料时所造成的影 响还要大。这些事实启发我们，必须以全新的思 路来寻求环境污染控制的途径和方法。
P H
kL
H' kgkL H'kg kL
• Cw ：污染物在水中的浓度 • P：化学物分压
如果污染物在水中向大气的挥发是一级动力学过程
R Vdd C wtkv C wH P
• RV ：挥发速度 • kv ，P，H，Cw 同上，t是时间（h）
如果污染物在大气中的浓度很低，上式可写成
Rvdd CwtkvCw
ES&T,1986：20(7)，717-725，Sorption Kinetics of Hydrophobic Organic Compounds to Nature Sediments and Soils
环境化学，1993，12（2）：155－159，有机物 在沉积物上吸附与解吸动力学常数的计算与测定。
• 非线性作用：通过界面传输污染物时，污染物通
过界面时传输，相对于它原来所在的介质中的传 输有可能加快或减慢，这就是非线性特征。
• 协同效应
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
9
1.原理
• 经典力学原理 • 统计热力学原理 • 动力学原理 • 系统学原理 • 不确定性原理
从上面的分析不难看出，不论采用多么先进的
技术手段，想从根本上消除人类活动给环境带来 的影响是不可能的，只能将污染效应在时空上分 散而已。解决生态环境问题的根本办法是将人类 的自身数量和活动强度控制在环境自我调节能力 的范围之内，将人类活动对环境的影响减少到尽 可能小的程度。这里特别要强调的是，虽然在经 济和科技高度发达的国家和地区，其污染得到治 理，环境质量得到了改善，但这种改善却是以生 产初级产品和原料的发展中国家和地区的环境恶 化为代价的。因此，要想改善全球环境质量，发 达国家应该承担更多的责任 。
关于水体表面微层的研究，主要集中在表面微 层化学物的富集、生物的毒性效应、光化学反应 以及各种过程的动力学模型，对于水体表面微层 的结构和作用机理的研究还不够。
南开大学进行表面微层的研究较早，我们曾设计了 表面微层采样器，1994年在“环境化学”上发表了 “水体表面微层的环境化学研究”，还研究了 在湖 水表面微层中的富集现象（1994年中国环境科学，11 （1）发表）。还研究了邻苯二甲酸二丁酯（DBP）, 邻苯二甲酸二异辛醇（DEHP）和阴离子表面活性剂在 表面微层中的富集，富集系数在1－11之间，也研究 了酞酸酯在表面微层中的光降解。结果发表在：“环 境化学”99年.18（2），水体表面微层中酞酸酯的光 降解研究，“环境科学”99.20（4），有机污染物在 水体表面微层的富集行为。
多介质环境污染 Pollutants in A Multimedia
Environment
二、多介质环境概念
见图 2
• 环境:
环境一般是指围绕人群的空间及其中可以 直接或间接影响人类生存和发展的各种因 素的总体，是一个非常复杂的系统。
• 环境介质:
具体的环境单元世界，应当看作是由物质、 能量和信息三部分。将其中的物质部分称 之为环境介质，将能量和信息部分称之为 环境因素。
影响因素：
➢土壤性质：土壤类型，团粒结构，孔隙度及有机
质含量等
➢污染物性质：蒸汽压，水溶度和辛醇/水分配系数
等
➢环境条件：温度，大气流速和地形特征等
总之影响污染物从土壤挥发的主要因素有：
➢吸附 ➢化学物的蒸汽密度，（最大浓度称该化学物在空
气中的饱和蒸汽压）
➢土壤水的含量，土壤水越高时，污染物极性越大，
挥发越小，污染物极性越小，越容易挥发
➢温度，温度增加，增大挥发速率 ➢空气流动，土壤表面上部空气流速越大，越有利
于挥发
为了简单起见，这里我们只介绍如下图所示的一
种关于污染物从土壤挥发速率测定的装置 （Burkhard et al.,1981）。在该图中，A为控温 箱；B为含有蒸馏水的洗气瓶，使进入挥发箱的 空气预先含有一定的水分（一般应达到饱和程 度）；C为挥发箱，内装含有实验污染物的土壤； D为装有吸收剂的气体洗涤瓶，用来吸收已挥发 的污染物；E为气体流量计，用来测定所通气体 的流量 ；F为针型阀，用来控制调节所通气体 的流量
四、介质环境中的转化过程
大气
水体 环 境 介 质
沉积物
水生物
光解反应
生物降解反应 转 化 过 程
水解反应
氧化还原反应
五、多介质环境与污染控制
从多介质环境的观点来考察传统的污染控制措施， 我们会发现许多困扰和难以解决的问题。如我们目前所 见的污染控制设施本身就可能成为环境污染物的重要来 源，特别是将污染物从环境的某一介质驱赶到另一个介 质的方法，这种现象表现尤为突出。
• A：水体表面积[m2] • f：O2在水－气界面的交换系数[m/h]
实践中，f 的值用经验公式
比如
f 0.23U 50.96H 91.673
• u ：水体平均流速[m/h] • H：水体平均深度[m]
在应用时，风的影响，水温，二次环流和水体污染 对 f 都有影响，应注意校正 。
水体表面微层是水体与大气相互作用的重要界 面，其厚度一般认为是几十到几百微Βιβλιοθήκη Baidu。它对大 气与水体之间通过水体界面进行的物质，能量和 信息交换产生明显的影响。
假定污染物从土壤的挥发过程遵守一级动力学规律， 则有
dC KC dt
解上述微分方程，有 lnC=Kt +m (m是积分常数)
当 t时 CC0
从而有
lnC=lnC0+Kt
除此还有大气向土壤中的传输，比如大气中气体 污染物的雨水淋洗大气中束缚在颗粒物上的污染物的 雨水淋洗，干沉降大气污染物到地面的迁移；污染物 在水－沉降物界面的行为是热点课题之一，有代表性 的研究方法和成果可参考：
为了比较人类的各种活动对环境产生的影响，
首先需要有一种能衡量这种影响的统一尺度。这种 尺度应当适用于宇宙所有物质和人类的所有活动。 包括污染物对环境的影响在内，自然界的一切物质 变化和人类社会的所有活动，都伴随着能量的转化 与流动。根据耗散结构理论，环境的污染实质是由 于环境系统的总熵增加、无序性变高、信息量减少 的结果。所以说环境污染本身是一种能量的行为过 程。
2. 研究情况简介
<1> 水－气介质中物质的传输
• 污染物从水中挥发——双膜理论
双膜理论的基础时假定污染物通过液相边界层的 物质通量和通过水－气界面的通量相等。根据 费克（Fick）定律，污染物从水中挥发出来的质 量 通量可表达为
N=kΔC
• N质量通量 ［g/cm2.s］ • k一级交换常数［cm/.s］ • ΔC化学物跨过膜的浓度差［g/cm3］
污染物在水生生物链的迁移与归趋是多介质 环境物质迁移的重要途径之一，其主要要了解 BAF(Bioaccumulation Factor) 生物积累因子， BCF(Bioconcentration Factor) 生物浓缩因子以 及食物链的生物放大作用（指元素和难分解化 合物在生物机体中的浓度随营养级的提高而逐 级增高的现象）。
解上述微分方程有
Cw Cw0ekvt
• CW0 ：污染物在水中的初始浓度；可以利用测定
初始浓度和各不同时刻CW来求出 kv
< 2 > 大气复氧
氧气由大气进入水体的过程称之为大气复氧过程， 是水－气界面物质迁移的过程
大气复氧速率
R0 = f (Cs—C)A
• R0 ：大气复氧速率[g/h] • Cs：O2在水中的饱和浓度[g/h] • C：水中O2 的浓度[g/h]
我们几乎可以到处看到污染物控制的跨介质问题， 一般的城市污水二级生物处理 厂中，由于曝气而使挥 发性有机污染物从水体转移到土地中，从而引起土壤和 地下水的污染。应用麻石水膜除尘技术来处理烟道气中 的灰尘时，会将污染物从气相转移到水相，当这些水排 出之后又会导致地表水的污染 。
上面列举的这些问题并不是说所有的污染控 制措施都是无效的，它们至少可以使局部环境得 到改善，但这种改善常常是以牺牲其它部分的环 境质量为代价的。到目前为止，人们所能想出的 污染控制的最好方法是在生产工艺过程中减少污 染物的 产生或循环利用物料，在考虑到污染物的 跨介质迁移、转化和降解前提下，可以获得处理 污染物的最小风险的途径，但绝对不是消灭污染 的方法 。
引入亨利定律常数H和H’（有量纲和无量纲）可推 导出；
kv
1 L
1 kL
R T Hkg
同时
kL 23.51(VL00..697639)
32 M
cm/h
kg 113.75(V1V)
18 M
cm/h
在上述中：
• V：河水流速[m/s]
• V1：风速[m/s] • M：化合物分子量
N
kLCw
• kg气膜中的交换系数［cm/s］ • kL液膜中的交换系数［cm/s］ • Cg化学物在气膜外边界气相中的浓度［g/cm3］ • Csg化学物在气膜内边界气相中的浓度［g/cm3］ • CL化学物在液膜内边界液相中的浓度［g/cm3］ • CsL化学物在液膜外边界液相中的浓度［g/cm3］
从多介质环境的整体效应出发，需要对目前的 污染控制技术从思路到具体方法进行重新认识。 考查一个污染控制技术是否有效，不仅要看污染 控制过程本身是否会成为新的污染源，而且还应 该考虑在制造污染控制设施以及生产这些设施所 需的材料是否已经对环境造成了污染。遗憾的是 传统的环境污染控制技术都未考虑后一种情况， 因而尽管人们已经投入了大量的精力进行污染控 制，但就全球的环境改善而言，其成效甚微。有 人对通过回收利用废纸和废塑料的工艺进行了分 析，认为这种回收工艺直接或者间接造成的环境 污染比新生产同样数量的纸和塑料时所造成的影 响还要大。这些事实启发我们，必须以全新的思 路来寻求环境污染控制的途径和方法。
P H
kL
H' kgkL H'kg kL
• Cw ：污染物在水中的浓度 • P：化学物分压
如果污染物在水中向大气的挥发是一级动力学过程
R Vdd C wtkv C wH P
• RV ：挥发速度 • kv ，P，H，Cw 同上，t是时间（h）
如果污染物在大气中的浓度很低，上式可写成
Rvdd CwtkvCw
ES&T,1986：20(7)，717-725，Sorption Kinetics of Hydrophobic Organic Compounds to Nature Sediments and Soils
环境化学，1993，12（2）：155－159，有机物 在沉积物上吸附与解吸动力学常数的计算与测定。
• 非线性作用：通过界面传输污染物时，污染物通
过界面时传输，相对于它原来所在的介质中的传 输有可能加快或减慢，这就是非线性特征。
• 协同效应
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
9
1.原理
• 经典力学原理 • 统计热力学原理 • 动力学原理 • 系统学原理 • 不确定性原理
从上面的分析不难看出，不论采用多么先进的
技术手段，想从根本上消除人类活动给环境带来 的影响是不可能的，只能将污染效应在时空上分 散而已。解决生态环境问题的根本办法是将人类 的自身数量和活动强度控制在环境自我调节能力 的范围之内，将人类活动对环境的影响减少到尽 可能小的程度。这里特别要强调的是，虽然在经 济和科技高度发达的国家和地区，其污染得到治 理，环境质量得到了改善，但这种改善却是以生 产初级产品和原料的发展中国家和地区的环境恶 化为代价的。因此，要想改善全球环境质量，发 达国家应该承担更多的责任 。
关于水体表面微层的研究，主要集中在表面微 层化学物的富集、生物的毒性效应、光化学反应 以及各种过程的动力学模型，对于水体表面微层 的结构和作用机理的研究还不够。
南开大学进行表面微层的研究较早，我们曾设计了 表面微层采样器，1994年在“环境化学”上发表了 “水体表面微层的环境化学研究”，还研究了 在湖 水表面微层中的富集现象（1994年中国环境科学，11 （1）发表）。还研究了邻苯二甲酸二丁酯（DBP）, 邻苯二甲酸二异辛醇（DEHP）和阴离子表面活性剂在 表面微层中的富集，富集系数在1－11之间，也研究 了酞酸酯在表面微层中的光降解。结果发表在：“环 境化学”99年.18（2），水体表面微层中酞酸酯的光 降解研究，“环境科学”99.20（4），有机污染物在 水体表面微层的富集行为。
多介质环境污染 Pollutants in A Multimedia
Environment
二、多介质环境概念
见图 2
• 环境:
环境一般是指围绕人群的空间及其中可以 直接或间接影响人类生存和发展的各种因 素的总体，是一个非常复杂的系统。
• 环境介质:
具体的环境单元世界，应当看作是由物质、 能量和信息三部分。将其中的物质部分称 之为环境介质，将能量和信息部分称之为 环境因素。
影响因素：
➢土壤性质：土壤类型，团粒结构，孔隙度及有机
质含量等
➢污染物性质：蒸汽压，水溶度和辛醇/水分配系数
等
➢环境条件：温度，大气流速和地形特征等
总之影响污染物从土壤挥发的主要因素有：
➢吸附 ➢化学物的蒸汽密度，（最大浓度称该化学物在空
气中的饱和蒸汽压）
➢土壤水的含量，土壤水越高时，污染物极性越大，
挥发越小，污染物极性越小，越容易挥发
➢温度，温度增加，增大挥发速率 ➢空气流动，土壤表面上部空气流速越大，越有利
于挥发
为了简单起见，这里我们只介绍如下图所示的一
种关于污染物从土壤挥发速率测定的装置 （Burkhard et al.,1981）。在该图中，A为控温 箱；B为含有蒸馏水的洗气瓶，使进入挥发箱的 空气预先含有一定的水分（一般应达到饱和程 度）；C为挥发箱，内装含有实验污染物的土壤； D为装有吸收剂的气体洗涤瓶，用来吸收已挥发 的污染物；E为气体流量计，用来测定所通气体 的流量 ；F为针型阀，用来控制调节所通气体 的流量
四、介质环境中的转化过程
大气
水体 环 境 介 质
沉积物
水生物
光解反应
生物降解反应 转 化 过 程
水解反应
氧化还原反应
五、多介质环境与污染控制
从多介质环境的观点来考察传统的污染控制措施， 我们会发现许多困扰和难以解决的问题。如我们目前所 见的污染控制设施本身就可能成为环境污染物的重要来 源，特别是将污染物从环境的某一介质驱赶到另一个介 质的方法，这种现象表现尤为突出。
• A：水体表面积[m2] • f：O2在水－气界面的交换系数[m/h]
实践中，f 的值用经验公式
比如
f 0.23U 50.96H 91.673
• u ：水体平均流速[m/h] • H：水体平均深度[m]
在应用时，风的影响，水温，二次环流和水体污染 对 f 都有影响，应注意校正 。
水体表面微层是水体与大气相互作用的重要界 面，其厚度一般认为是几十到几百微Βιβλιοθήκη Baidu。它对大 气与水体之间通过水体界面进行的物质，能量和 信息交换产生明显的影响。
假定污染物从土壤的挥发过程遵守一级动力学规律， 则有
dC KC dt
解上述微分方程，有 lnC=Kt +m (m是积分常数)
当 t时 CC0
从而有
lnC=lnC0+Kt
除此还有大气向土壤中的传输，比如大气中气体 污染物的雨水淋洗大气中束缚在颗粒物上的污染物的 雨水淋洗，干沉降大气污染物到地面的迁移；污染物 在水－沉降物界面的行为是热点课题之一，有代表性 的研究方法和成果可参考：
为了比较人类的各种活动对环境产生的影响，
首先需要有一种能衡量这种影响的统一尺度。这种 尺度应当适用于宇宙所有物质和人类的所有活动。 包括污染物对环境的影响在内，自然界的一切物质 变化和人类社会的所有活动，都伴随着能量的转化 与流动。根据耗散结构理论，环境的污染实质是由 于环境系统的总熵增加、无序性变高、信息量减少 的结果。所以说环境污染本身是一种能量的行为过 程。
2. 研究情况简介
<1> 水－气介质中物质的传输
• 污染物从水中挥发——双膜理论
双膜理论的基础时假定污染物通过液相边界层的 物质通量和通过水－气界面的通量相等。根据 费克（Fick）定律，污染物从水中挥发出来的质 量 通量可表达为
N=kΔC
• N质量通量 ［g/cm2.s］ • k一级交换常数［cm/.s］ • ΔC化学物跨过膜的浓度差［g/cm3］
污染物在水生生物链的迁移与归趋是多介质 环境物质迁移的重要途径之一，其主要要了解 BAF(Bioaccumulation Factor) 生物积累因子， BCF(Bioconcentration Factor) 生物浓缩因子以 及食物链的生物放大作用（指元素和难分解化 合物在生物机体中的浓度随营养级的提高而逐 级增高的现象）。
解上述微分方程有
Cw Cw0ekvt
• CW0 ：污染物在水中的初始浓度；可以利用测定
初始浓度和各不同时刻CW来求出 kv
< 2 > 大气复氧
氧气由大气进入水体的过程称之为大气复氧过程， 是水－气界面物质迁移的过程
大气复氧速率
R0 = f (Cs—C)A
• R0 ：大气复氧速率[g/h] • Cs：O2在水中的饱和浓度[g/h] • C：水中O2 的浓度[g/h]
我们几乎可以到处看到污染物控制的跨介质问题， 一般的城市污水二级生物处理 厂中，由于曝气而使挥 发性有机污染物从水体转移到土地中，从而引起土壤和 地下水的污染。应用麻石水膜除尘技术来处理烟道气中 的灰尘时，会将污染物从气相转移到水相，当这些水排 出之后又会导致地表水的污染 。
上面列举的这些问题并不是说所有的污染控 制措施都是无效的，它们至少可以使局部环境得 到改善，但这种改善常常是以牺牲其它部分的环 境质量为代价的。到目前为止，人们所能想出的 污染控制的最好方法是在生产工艺过程中减少污 染物的 产生或循环利用物料，在考虑到污染物的 跨介质迁移、转化和降解前提下，可以获得处理 污染物的最小风险的途径，但绝对不是消灭污染 的方法 。
引入亨利定律常数H和H’（有量纲和无量纲）可推 导出；
kv
1 L
1 kL
R T Hkg
同时
kL 23.51(VL00..697639)
32 M
cm/h
kg 113.75(V1V)
18 M
cm/h
在上述中：
• V：河水流速[m/s]
• V1：风速[m/s] • M：化合物分子量
N
kLCw