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环境化学课程论文—重金属在大气中、水体中和生物圈中的迁移与转化.doc

发布:2018-11-22约6.16千字共5页下载文档
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重金属在大气中、水体中和生物圈中的迁移与转化 土壤重金属污染问题是环境和土壤科学研究者关注的热点问题。重金属是指相对密度等于或大于5.0的金属元素。重金属一般不易随水淋滤,不能被土壤微生物分解,但能吸附于土壤胶体而被土壤微生物和植物所吸收,通过食物链或其他方式转化为毒性更强的物质,严重危害人体健康。土壤中重金属主要来自于大气沉降物和随固体废弃物、污水、农用物资进入土壤的重金属。土壤中重金属积累的初期,不易被人们觉察和关注,属于潜在危害,但土壤一旦被重金属污染,就会造成土壤生态系统退化、植物难以生长等问题,很难彻底消除,所以土壤中重金属的污染问题比较突出。土壤重金属污染物的迁移转化过程分为物理迁移、化学迁移、物理化学迁移和生物迁移。其迁移转化是多种形式的错综结合。[19-20] 重金属进入土壤后,在土壤中发生累积,在一定条件下可向下迁移,污染地下水,对饮用水安全构成威胁;也可通过食物链将污染物从土壤转移到生物体中,并最终威胁人体健康[6]。 1重金属在大气中的迁移 1.1汞在大气中的迁移 无机汞盐通常有一价和二价2种存在形式,同时还可以形成有机汞化合物。有些汞化合物基本上是无毒的,可以用作药物;而另一些化合物特别是有机汞,如甲基汞和二甲基汞等,毒性极强。 汞是煤中最易挥发的重金属元素之一,由于汞的剧毒性、积累性、在大气中停留时间长,Hg污染对人类健康和环境有明显危害,Hg及其化合物可通过呼吸道、皮肤和消化道等不同途径侵入人体,造成神经性中毒和深部组织病变[15],所以,燃煤电厂烟气中的汞如果不能得到及时去除,将会对人类及环境造成极大的危害[12-13]。 郑楚光[11]在对燃煤痕量元素迁移转化机理及细微颗粒物中富集规律的研究中,应用量子化学从头计算QCISD的方法,对于Hg,选用Stevens基组;对于非金属元素Cl,H,O,N,选用6-311++G(3df,3pd)基组,优化得到反应途径上各稳定点(反应物、产物、过渡态和中间体)的几何构型。对由35个组分、107个反应组成的反应体系的汞的均相反应动力学进行模拟,得到了与实验结果相一致的结果,并进行了敏感性分析,发现了汞氧化的一个新的反应通道:Hg0→HgO→HgCl→HgCl2。笔者以简单基元反应HgCl+HCl HgCl2+H为例,进行详细反应机理介绍。 图1给出了HgCl+HCl HgCl2+H的反应过程分析。其反应过程为: HgCl+ HCl→TS(ClHgClH)→HgCl2+H 。 即HgCl的Hg原子和HCl的Cl原子结合生成过渡态TS,然后生成产物HgCl2和H,反应无中间体生成,只存在过渡态,是一步反应过程。在反应过程中:Hg-Cl键的距离逐渐减少(∞→0.237 76 nm→0.230 03 nm,∞表示距离超过了成键范围);相邻的Cl-H键距离逐渐增长(0.127 39 nm→1.7803nm→∞),反映Hg-Cl键的形成;而与之相邻的Cl-H键断裂的情况。反应过程中分子结构的变化反映出反应的微观过程。 1.2锌在大气中的迁移 绝大多数元素都和矿物质具有较好的相关性。Zn的R2达到0.96,相关性最好[11]。这说明Zn通过燃煤的形式进入大气的过程,与矿物质本身的性质有很大的关系。矿物质中Zn含量越高,排放到大气中的Zn含量越高。 烟气中的痕量元素快速释放,浓度迅速达到峰值,蒸发动力学符合有机物质的燃烧速率。Zn释放比Pb和Cd要慢,这可能是因为煤颗粒在燃烧时内部形成的还原条件。实际上,根据热力学分析[17,18],蒸发形态以元素态Zn(g)形式存在,而不是ZnCl2(g)。痕量元素与飞灰颗粒在高温下反应生成ZnO·Al2O3、CdO·Al2O3等稳定化合物,从而抑制了痕量元素Zn的释放[11]。 2重金属在水体中的迁移 重金属进入水生生态系统后,分布于水生生态系统的各个组分中,对生态系统各组分产生影响(即生态效应)。当生物体内重金属积累到一定数量后,就会出现受害症状,生理受阻、发育停滞,甚至死亡,整个水生生态系统结构、功能受损,崩溃[5]。 水体中重金属对人体的危害,一方面通过直接饮用造成重金属中毒而损害人体健康;另一方面,间接污染农产品和水产品,通过食物链对人体健康构成威胁,并造成土壤的二次污染。 重金属元素通过阻碍生物大分子的重要生理功能,取代生物大分子中的必需元素,影响并改变了生物大分子所具有的活性部位的构象,这三条途径致使生物体的生长发育和生理代谢受到影响[18]。 分析沉积物重金属污染问题时,对水体中的重金属进行分级提取,可以将其分为六级,分别是水溶态、可交换态、碳酸盐结合态、Fe-Mn氧化物态、有机态、残渣态。分析各形态中的各组分含量和分布规律,进而讨论沉积物中重金属污染物的污染性质、转化机理以及对水体的潜在污染等问题[2,3]。
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