《高等环境化学》试题答案.doc

研究生课程《高等环境化学》试题

专业 学号 姓名 成绩

一、 名词解释：（40分）
POPs、选择规则、环境效应、红移、Kow、Koc、VOCs、Eds、源与汇、盐基饱和度
POPS：持续性有机污染物（POPS）是指通过各种环境介质（大气、水、生物体等）能够长距离迁移并长期存在于环境，具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性，对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质。
选择规则：选择规则(selective rule)，即原子或分子在改变状态时发射或吸收光线的过程中所遵守的规则。在原子光谱中，只要主量子数，就可发生吸附或发射光谱，为电子跃迁的选择规则。在分子的转动光谱中，除掉非极性分子没有转动光谱外，对极性分子只有转动量子数的差为，才符合选择规则，给出相应的转动光谱；对于振动能阶，只要振动量子数的差为……时，原子发生振动光谱。
环境效应：自然过程或人类的生产和生活活动会对环境造成污染和破坏，从而导致环境系统的结构和功能发生变化，谓之环境效应，并可分为自然环境效应和人为环境效应。
红移：当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、卤素、硫等杂原子取代时，由于这类原子中有n电子，n电子较σ键电子易于激发，使电子跃迁所需能量减低，吸收峰向长波长方向移动，这种现象称为深色移动或称红移。
KOW：即辛醇—水配系数，即化学物质在平衡状态时在辛醇中的浓度和水中浓度之比。KOW反映了有机物的疏水性或脂溶性大小：KOW越大，表明化合物越容易溶于非极性介质中，越容易被生物体细胞吸收。
KOC：即标化的分配系数，沉积物—水分配系数，是以有机碳为基础表示的分配系数，是化合物在水和沉积物—土壤两相中的平衡浓度关系，它也是单位重量沉积物上吸附的化合物量除以单位体积环境水中溶解的该同一化合物量之比值。
VOCS：即挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds,VOCs)，根据WHO定义，挥发性有机化合物（VOCs）是指在常压下，沸点50～260℃的各种有机化合物。
Eds：一种测试方法，EDS(Energy Dispersive Spectrometer)，电子显微镜（扫描电镜、透射电镜）的重要附属配套仪器，结合电子显微镜，能够在1-3分钟之内对材料的微观区域的元素分布进行定性定量分析。？
源与汇： 源(Sources)：向大气排放污染物的过程或行为，分为天然（自然）源（natural sources）和人为（人工）源（anthropogenic sources)。汇(Sink)：大气中污染物的去除，消除污染物的过程和机制。
盐基饱和度：即土壤吸附的交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分数。
二、 问答与解析题：（60分）
1、简述有机物产生紫外吸收的机理；紫外吸收带的类型有哪些，并列举出其对应的特征有机物。（6分）
答：机理：紫外吸收是由于分子中价电子的跃迁而产生的。因此，这种吸收决定于分子中价电子的分布和结合情况。按分子轨道理论，在有机化合物分子中有几种不同性质的价电子；形成单键的电子称为σ键电子；形成双键的电子称为π键电子；氧、氮、硫、卤素等含有未成键的孤对电子，称为n电子（或称p电子）。当它们吸收一定能量后，这些价电子将跃迁到较高的能级（激发态）。此时电子所占的轨道称为反键轨道，反键轨道具有较高的能量。
类型：K吸收带：由于共轭双键中π→π*跃迁所产生的吸收带，例如乙烯，丁二烯。
R吸收带：是相当于助色团及生色团中n→π*跃迁所引起的，例如乙酰基。
E1和E2吸收带：是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统的跃迁产生的，是芳香族化合物的特征吸收，例如苯。
精细结构吸收带：亦称B吸收带，是由于π→π*跃迁和苯环的重叠引起的，例如苯甲酸。
2、请列出5种环境工程领域你认为比较新的技术的名称及原理。（10分）（改）
答：①中空纤维更新液膜：该技术采用疏水型中空纤维膜，膜的微孔中事先用有机萃取相浸润，料液相与反萃相分别在中空纤维膜的两侧流动，在管内相流体中加入一定量的有机萃取相，与管内相流体形成极为细小的微滴。在流动的过程中，萃取相微滴与管内相密切接触，并由于表面张力和膜的浸润性影响，使其黏附在膜的壁面上，利用管内相流体流动所形成的剪切力，形成一层极薄有机相液膜。
②正渗透技术：正渗透技术是一种新兴的利用渗透原理（是指水或其它溶剂透过天然或人造的半透膜, 由低溶质浓度侧传递到高溶质浓度侧的过程, 是自然界中广泛存在的一种物理现象）的膜分离技术, 能自发进行, 无需外加压力即可实现, 为水资源和环境问题提供了低能耗、高效率的解决途径。
③臭氧催化氧化：臭氧催化氧化是利用催化剂将臭氧分解后产生的具有很强氧化能力的自由基，来强化分解水中高稳定性, 难生物降解的有机污染物的技术。
④气提法：是指利用水蒸气通过水层时水溶液蒸汽压超过外压时的沸腾作用和液体不断向气泡内蒸发扩散的作用使水中挥发性溶解物质（例如挥发酚等）不断的从水中分离出来的水处理过程，属传质过程。
⑤三维电极法：三维电极法处理二级出水的反应机理为电化学、电氧化还原反应和电吸附凝聚作用。当电极两端接通电源时，填充粒子在高梯度的电场作用下，感应而复极化为复极性粒子，即在粒子一端发生阳极反应，另一端发生阴极反应，整个粒子成了一个立体电极，粒子之间构成无数个微电解池。
3、请讨论表面活性剂进入水体后所可能引发的环境效应？（7分）
答：首先，表面活性剂使水的感观状况受到影响，有研究报道，当水体中洗涤剂质量浓度在0.7~1mg/L时，就可能出现持久性泡沫。
其次，由于洗涤剂中含有大量的聚磷酸盐作为增净剂，因此使废水中含有大量的磷，这是造成水体富营养化的重要原因。
再次，由于阳离子表面活性剂具有一定的杀菌能力，在浓度高时，可能破坏水体微生物的群落。
最后，表面活性剂可以促进水体中石油和多氯联苯等不溶性有机物的乳化，分散，增加废水处理的困难。
4、土壤的理化性质是如何影响重金属或有机污染物的环境行为的。（7分）
答：土壤的理化性质主要通过影响重金属在土壤中存在形态而影响重金属的生物有效性。土壤的理化性质主要包括pH、土壤质地、土壤的氧化还原电位、土壤中有机质含量等。
①pH：pH大小显著影响土壤中重金属的存在形态和土壤对重金属的吸附量，一般来说，土壤pH越低，H+越多，重金属被解析的越多，其活动性就越强，从而加大了土壤中的重金属向生物体内迁移的数量。
②土壤质地：土壤质地影响着土壤颗粒对重金属的吸附。一般来说，质地黏重的土壤对重金属的吸附能力强，降低了重金属的迁移转化能力。
③土壤的氧化还原电位：它影响重金属的存在形态，从而影响重金属的化学行为、迁移能力及对生物的有效性。一般来说，在还原条件下，很多重金属易产生难溶性的硫化物，而在氧化条件下，溶解态和交换态含量增加。
④土壤中有机质含量：它影响土壤颗粒对重金属的吸附能力和重金属的存在形态，有机质含量较高的土壤对重金属的吸附能力高于有机质含量低的土壤。
5、请阐述酸性矿水产生的机理，为什么用石灰石进行治理的效果不理想？（5分）
答：酸性矿水是含硫矿山在开采过程中，所含的硫及硫化物被氧化成硫酸而产生的酸性水。黄铁矿氧化产酸过程如下：。。。。见PDF
石灰石是碳酸钙，就是普通的大理石，中性；所以中和酸性矿水效果不理想，可以用熟石灰，因为熟石灰是碱石灰，碱性，才可以中和酸性土壤。

6、如何进行金属的形态分级，进行金属的形态分级有何环境学意义？（8分）
答：金属的形态是指金属的价态、化合态、结合态和结构态四个方面，即某一金属元素在环境中以某种离子或分子存在的实际形式。五步连续提取法是应用最广泛的方法, 它将金属赋存形态分为：交换态、碳酸盐结合态、氧化锰结合态、有机结合态、残留态。BCR法提取法把重金属形态分为酸可提取态、氧化物结合态、有机结合态、残余态。
意义：重金属进入土壤后, 通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等各种反应, 形成不同的化学形态, 并表现出不同的活性。土壤重金属形态分级与重金属在土壤中的迁移性、可给性、活性及污染土壤修复有密切关系。
7、下图为某有机物料堆肥前后其中的溶解性有机质(dissolved organic matter)的红外扫描图谱，请对此图进行解析，能得出哪些结论。（7分）
答：堆肥开始和结束时其DOM的红外光谱均出现相似的5个强的（3500—3000cm-1,1640—1630cm-1，1410—1390cm-1,825cm-1，680—600cm-1）和1个较弱的（2400—2200cm-1）吸收区域。按照Monison和Boyd（1983）的解析，由于3500—3000cm-1,1640—1630cm-1，830—820cm-1和670cm-1吸收峰的存在，表明堆肥样品的水溶性有机物中含有苯环和酚基官能团；3500—3000cm-1,1640—1630cm-1和1420—1330cm-1存在吸收峰预示着样品中有—COOH，1200—1040cm-1吸收峰是样品中多糖存在的暗示；而2400—2200cm-1吸收峰表明样品中含有蛋白类及其降解物质。尽管堆肥起始与结束时均存在相同的官能基团，但从图中可以看出，某些吸收峰的强度已发生了较大的改变，说明某些物质的含量在发生变化；堆肥开始时其DOM在2400—2200cm-1有一中等强度的吸收峰，而在堆肥结束时，其强度明显变弱，这说明堆肥过程中水溶性有机物的—NH4+含量降低，堆肥中蛋白类物质被微生物降解并利用了。1200—1040cm-1处的吸收峰也有相似趋势，1070/1380cm-1吸收峰强度比在堆肥开始时为1.48，在堆肥结束时仅为0.56，该区域吸收峰强度的降低表明了水溶性有机物中的多糖类物质含量在减少。而另一方面，堆肥后1640—1630cm-1和670cm-1处吸收峰强度明显增强，前者1640/1380cm-1吸收峰强度比，起始时为0.42，堆肥后为0.71，增加69%；后者670/600cm-1吸收强度比，起始时为0.75，堆肥后为0.97，增加了29%，特别是经过堆肥后，其DOM在830—820cm-1处出现了一个较强的新的吸收峰，这些都表征了在堆肥过程中，形成了结构稳定的芳香族物质。
8、试预测并作出苯胺的红外、氢核磁共振和质谱图。（10分）
答：