Химия окружающей среды

                ENVIRONMENTAL CHEMISTRY




NINTH EDITION

STANLEY E. MANAHAN







    CRC Press

                               xM* J Taytorb Francis Croup
                                        Boca Raton London №wYork

CRC Press is an imprintof tha
Taybr & Francis Croup, an Informa business

Стенли Е. Манатам






            ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ


Перевод с английского языка 9-го издания под редакцией С. В. Мякина

7

В о

D

Санкт-Петербург
2018

ЦЕНТР
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ

ПРОФЕССИЯ

УДК 504.75
ББК20.1

М23 Стенли Е. Мана г ан
        Химия окружающей среды : пер. с англ. яз. 9-го изд.; под ред. С. В. Мякина. — СПб. : ЦОП «Профессия», 2018. — 1024 с., ил.

       ISBN 978-5-91884-090-0
       ISBN 978-1-4200-5920-5 (англ.)

           В расширенном и дополненном 9-м издании приведена классификация определений и понятий экологической химии, включая систематическое рассмотрение химии атмосферы, водной среды, геосферы и геохимии, биосферы, промышленной экологии и токсикологической химии. Показаны связь экологической химии и «зеленой» химии, использование промышленной экологии для минимизации и утилизации отходов; приведен обзор химического анализа атмосферы, воды и сточных вод. Специальные главы посвящены химии отходов, анализу загрязняющих веществ, дисперсионным частицам в атмосфере, токсикологической химии. Особо ценными являются разделы, освещающие анализ отходов и загрязняющих веществ в основных средах, выявление следовых компонентов, анализ биологических веществ.
           Материал книги изложен последовательно; каждая глава завершается постановкой вопросов и проблем, а также списком дополнительных источников. Бо-лсс40лст книга служит надежным учебником и руководством по экологической химии для экологов, специалистов по промышленной экологии, аналитиков, студентов и преподавателей профильных вузов.
УДК 504.75
ББК 20.1

©АП Rights Reserved.
     Authorized translation from English language edition published byCRC Press, an imprint of Taylor
& Francis Group LLC.

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы тони было форме без письменного разрешения владельцев авторских, прав.
Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательствам как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений ине несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги




ISBN 978-1-4200-5920-5 (англ.)            © 2010 by Taylor & Francis Group, LLC
ISBN978-5-91884-090-0                              © ЦОП «Профессия», 2018
                               © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ






Предисловие..................................................................15

Об авторе....................................................................18

Глава 1. НАУКАОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ЕЕ УСТОЙЧИВ ОСТИ.........................19
   1.1. От солнечной энергии к ископаемому топливу и обратно.................19
   1.2. Наука об устойчивом развитии.........................................22
   1.3. Химия и окружающая среда.............................................24
   1.4. Вода, воздух, земля, жизнь и развитие со временных технологий...............25
   1.5. Экология, экотоксикология и биосфера.................................29
   1.6. Энергия и энергетические циклы.......................................31
   1.7. Антропогенное влияние и загрязнение..................................34
   1.8. Перенос химических веществ, их превращения и конечные состояния......35
   1.9. Превращения и перенос химических веществ в атмосфере, гидросфере и геосфере.40
   1.10. Экологическое вредительство и терроризм.............................42
   1.11. Экологическая экспертиза............................................44
   Библиографический список..................................................45
   Рекомецдуемая литература..................................................45
   Вопросы и задачи..........................................................46

Пива 2. ХИМИЯ И АНТРОПОСФЕРА: ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И «ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ»... 48
   2.1. Экологическая химия..................................................48
   2.2. Материя и ее циклы...................................................50
   2.3. Антропосфера и экологическая химия...................................57
   2.4. Технологии и антропосфера............................................59
   2.5. Инфраструктура.......................................................62
   2.6. Компоненты антропосферы, оказывающие влияние на окружающую среду.....66
   2.7. Влияние антропосферы на Землю........................................68
   2.8. Интеграция антропосферы в окружающую среду...........................69
   2.9. 3 еленая химия.......................................................72
   Библиографический список..................................................76
   Рекомецдуемая литература..................................................76
   Вопросы и задачи..........................................................78

ГлаваЗ. ОСНОВЫ ХИМИИ ВОДЫ....................................................80
   3.1.3  начение воды.......................................................80
   3.2. Вода: от молекул до океанов..........................................81
   3.3. Характеристики водоемов..............................................86
   3.4. Жизнь в воде.........................................................88
   3.5. Введение в химию воды................................................89
   3.6. Газы вводе...........................................................91
   3.7. Кислотность воды и содержание в ней диоксцда углерода................93
   3.8. Щ елочность..........................................................97
   3.9. Кальций и другие металлы в воде.....................................100

Оглавление

   3.10. Комплексообразование и хелатообразование..........................105
   3.11. Связывание и структура комплексов металлов.................................108
   3.12. Расчет концентраций соединений....................................109
   3.13. Комплексообразование с де протонированным и лигандами.............110
   3.14. Комплексообразование с протонированными лигацдами.................111
   3.15. Растворение иона свинца из твердых веществ с участием НТА.........114
   3.16. Полифосфаты и фосфонаты в воде....................................118
   3.17. Комплексообразование с участием гуминовых соединений..............121
   3.18. Комплексообразование и окислительно-восстановительные процессы....123
   Библиографический список................................................124
   Рекомендуемая литература................................................124
   Вопросы и задачи........................................................125
Глава 4. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ХИМИИ ВОДЫ ... 128
   4.1. Значение окислительно-восстановительных процессов..................128
   4.2. Электрон и окислительно-восстановительные реакции..................131
   4.3. Активность электрона и рЕ..........................................133
   4.4. Уравнение Нернста..................................................134
   4.5. Тенденции в реакциях: от полуреакций к полной реакции..............135
   4.6. Уравнение Нернста и химическое равновесие..........................137
   4.7. ВзаимосвязьрЕ и свободной энергии..................................138
   4.8. Представление реакций в пересчете на один электрон-моль............139
   4.9. Предельные значения ре в воде......................................142
   4.10. Значения рЕ в природных водных системах...........................144
   4.11. Диаграммы рЕ— pH................................................  144
   4.12. Гуминовые соединения в качестве природных восстановителей.........148
   4.13. Фотохимические процессы окисления-восстановления..................149
   4.14. Коррозия..........................................................150
   Библиографический список................................................151
   Рекомендуемая литература................................................151
   Вопросы и задачи........................................................152
Глава 5. МЕЖФАЗНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ХИМИИ ВОДЫ.............................154
   5.1. Химические взаимодействия с участием твердых веществ, газов и воды.154
   5.2. Значение осадков и их образование..................................155
   5.3. Растворимость......................................................158
   5.4. Коллоцдные частицы в воде..........................................161
   5.5. Коллоцдные свойства глин...........................................167
   5.6. Агрегирование частиц...............................................168
   5.7. Сорбция на поверхности твердых веществ.............................171
   5.8. Обмен растворимыми веществами между раствором и донными осадками...173
   5.9. «Внутренняя* вода..................................................179
   5.10. Межфазные взаимодействия при превращениях химических веществ и их переносе.180
   Библиографический список................................................183
   Рекомендуемая литература................................................184
   Вопросы и задачи........................................................185
Глава 6. МИКРОБИОХИМИЯ ВОДЫ................................................187
   6.1. Биохимические процессы в воде......................................187
   6.2. Водоросли..........................................................189
   6.3. Грибы..............................................................191

Оглавление

7

    6.4. Простейшие микроорганизмы............................................192
    6.5. Бактерии.............................................................193
    6.6. Прокариотические бактериальные клетки................................195
    6.7. Кинетика роста бактерий..............................................196
    6.8. Метаболизм бактерий..................................................198
    6.9. Микробиологические превращения углерода..............................203
    6.10. Биоразложение органических веществ..................................206
    6.11. Микробиологические превращения азота..............................210
    6.12. Микробиологические превращения фосфора и серы.......................215
    6.13. Микробиологические превращения галогенов и органических галогенцдов.218
    6.14. Микробиологические превращения металлов и металлоидов...............219
    Библиографический список..................................................223
    Рекомендуемая литература..................................................224
    Вопросы и задачи..........................................................224
1km 7. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ.......................................................229
    7.1. Природа и типы загрязняющих веществ в воде...........................229
    7.2. Элементарные загрязняющие вещества...................................231
    7.3. Тяжелые металлы......................................................233
    7.4. Металлоцды...........................................................236
    7.5. Металлы и металлоцды, связанные в органические соединения............237
    7.6. Неорганические соединения............................................239
    7.7. Питательные вещества для водорослей и эвтрофикация...................241
    7.8. Кислотность, щелочность и соленость..................................243
    7.9. Кислород окислители и восстановители.................................244
    7.10. Органические загрязняющие вещества..................................246
    7.11. Загрязнение воды пестиццдами........................................253
    7.12. Полихлор би фен илы.................................................265
    7.13. Новые загрязняющие вещества в воде, фармацевтические препараты и загрязнение воды бытового назначения..................................266
    7.14. Р адионуклцды в водной среде........................................272
    Библиографический список..................................................277
    Рекомендуемая литература..................................................278
    Вопросы и задачи..........................................................279
1km 8. ОБРАБОТКА ВОДЫ.........................................................282
    8.1. Обработка и использование воды.......................................282
    8.2. Обработка воды, используемой в городском хозяйстве...................282
    8.3. Обработка вод промышленного назначения...............................283
    8.4. Обработка канализационных стоков.....................................285
    8.5. Обработка промышленных сточных вод...................................292
    8.6. Удаление твердых веществ.............................................294
    8.7. Удаление кальция и других металлов...................................297
    8.8. Удаление растворенных органических веществ...........................304
    8.9. Удаление растворенных неорганических веществ.........................306
    8.9. Обратный осмос.......................................................308
    8.10. Иловые осадки.......................................................312
    8.11. Дезинфекция воды....................................................314
    8.12. Природные процессы очистки воды.....................................318
    8.13. Экологичное водопотребление.........................................320

Оглавление

    8.14. Экономия воды....................................................325
    8.15. Защита систем водоснабжения от террористических угроз............326
    Библиографический список...............................................327
    Рекомендуемая литература...............................................328
    Вопросы и задачи.......................................................328
Глава 9. АТМОСФЕРА И ЕЕ ХИМИЯ..............................................331
    9.1. Введение..........................................................331
    9.2. Значение атмосферы................................................336
    9.3. Физические характеристики атмосферы...............................337
    9.4. Перенос энергии в атмосфере.......................................340
    9.5. Атмосферный массоперенос, метеорология и погода...................344
    9.6. Инверсия и загрязнение воздуха....................................351
    9.7. Глобальный климат и микроклимат...................................352
    9.8. Химические и фотохимические реакции в атмосфере...................355
    9.9. Кислотно-основные реакции в атмосфере.............................365
    9.10. Реакции атмосферного кислорода...................................366
    9.11. Реакции атмосферного азота.......................................367
    9.12. Атмосферная влага................................................368
    9.13. Влияние антропосферы.............................................369
    9.14. Химические превращения и перенос веществ в атмосфере.............369
    Библиографический список...............................................372
    Рекомендуемая литература...............................................372
    Вопросы и задачи.......................................................373
Пива 10. ДИСПЕРСНЫЕ ЧАСТИ ЦЫ В АТМОСФЕРЕ...................................375
    10.1. Введение.........................................................375
    10.2. Физическое поведение частиц в атмосфере..........................377
    10.3. Физические процессы образования частиц...........................379
    10.4. Химические процессы образования частиц...........................380
    10.5. Состав неорганических частиц.....................................383
    10.6. Токсичные металлы в атмосфере....................................386
    10.7. Радиоактивные частицы............................................388
    10.8. Состав органических частиц.......................................389
    10.9. Воздействие частиц...............................................391
    10.10. Вода в дисперсном состоянии.....................................392
    10.11. Атмосферные химические реакции с участием частиц................394
    10.12. Снижение выбросов частиц в атмосферу............................396
    Библиографический список...............................................399
    Рекомендуемая литература...............................................400
    Вопросы и задачи.......................................................400
Глава 11. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ГАЗООБРАЗНЫЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА В АТМОСФЕРЕ.......................................................403
    11.1. Неорганические загрязняющие газы.................................403
    11.2. Образование оксида углерода и снижение его содержания............403
    11.3. Превращения оксида углерода в атмосфере..........................404
    11.4. Источники диоксида серы и цикл превращений серы..................405
    11.5. Реакции диоксида серы в атмосфере................................407
    И .6. Оксцды азота в атмосфере.........................................413
    И .7. Кислотные дожди..................................................422

Оглавление

9

    11.8. Аммиак в атмосфере...............................................422
    11.9. Фтор, хлор и их газообразные соединения..........................423
    11.10. Восстановительные сернистые газы................................425
    Би б ли о гр аф иче ский сп и сок......................................428
    Рекомендуемая литература...............................................428
    Вопросы и задачи.......................................................429
Глава 12. ОРГАНИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА В .АТМОСФЕРЕ..................431
    12.1. Органические соединения в атмосфере..............................431
    12.2. Биогенные органические соединения................................432
    12.3. Углеводородные загрязняющие вещества.............................436
    12.4. Карбонильные соединения: альдегиды и кетоны......................441
    12.5. Прочие кислородсодержащие соединения.............................444
    12.6. Органические соединения азота....................................448
    12.7. Галогенорганические соединения...................................451
    12.8. Органические соединения серы.....................................457
    12.9 .Дисперсные органические соединения...............................458
    12.10. Вредные загрязняющие органические соединения в атмосфере........459
    Библиографический список...............................................462
    Рекомендуемая литература...............................................462
    Вопросы и задачи.......................................................463
Глава 13. ФОТОХИМИЧЕСКИЙ СМОГ..............................................465
    13.1. Введение.........................................................465
    13.2. Выбросы, приводящие к образованию смога..........................466
    13.3. Реакции органических соединений в атмосфере, приводящие к образованию смога.472
    13.4. Обзор процессов образования смога................................475
    13.5. Механизмы образования смога......................................477
    13.6. Реакционная способность угле водороде в..........................485
    13.7. Неорганические соединения в составе смога........................486
    13.8. Воздействие смога............................................... 487
    Би б ли о гр аф иче ский сп и сок...............................................490
    Рекомецлуемая литература........................................................491
    Вопросы и задачи................................................................491
Глава 14. ФАКТОРЫ ГЛОБАЛЬНОЙ УГРОЗЫ В .АТМОСФЕРЕ...........................494
    14.1. Изменение климата и антропогенные эффекты........................494
    14.2. Глобальное потепление............................................497
    14.3. Мероприятия -(зеленой» науки и технологии борьбы с глобальным потеплением.503
    14.4. Кислотные дожди..................................................509
    14.5. Разрушение озона в стратосфере...................................513
    14.6. Коричневые облака в атмосфере....................................519
    14.7. Вред, причиняемый атмосфере фотохимическим смогом................522
    14.8. Ядерная зима.....уС..............................................526
    14.9. Что делать?......................................................529
    Библиографический список...............................................532
    Рекомендуемая литература...............................................532
    Вопросы и задачи.......................................................533
Глава 15. ГЕОСФЕРА И ГЕОХИМИЯ..............................................535
    15.1. Введение.........................................................535

Оглавление

    15.2. Природа твердых веществ в геосфере................................537
    15.3. Физическая форма геосферы.........................................541
    15.4. Внутренние процессы...............................................544
    15.5. Отложения.........................................................546
    15.6. Глины.............................................................548
    15.7. Геохимия..........................................................550
    15.8. Грунтовые воды в геосфере.........................................552
    15.9. Экологические аспекты геосферы....................................556
    15.10. Землетрясения....................................................558
    15.11. Вулканы......................................................... 560
    15.12. Подвижки грунта..................................................562
    15.13. Явления, связанные сводными потоками.............................564
    15.14. Явления на границе раздела «земля — океан».......................566
    15.15. Явления на границе раздела «земля — атмосфера»...................569
    15.16. Влияние лада.....................................................570
    15.17. Влияние деятельности человека....................................571
    15.18. Геосфера и загрязнение воздуха...................................573
    15.19. Геосфера и загрязнение воды......................................575
    15.20. Геосфера и утилизация отходов....................................575
    Библиографический список................................................578
    Рекомендуемая литература................................................578
    Вопросы и задачи........................................................579
1km 16. ПОЧВА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ....................581
    16.1. Почва и сельское хозяйство........................................581
    16.2. Природа и состав почвы............................................584
    16.3. Кислотно-основные и ионообменные реакции в почвах.................593
    16.4. Питательные макроэлементы в почве.................................596
    16.5. Азот, фосфор и калий в почве......................................597
    16.6. Питательные микроэлементы в почве.................................601
    16.7. Удобрения.........................................................603
    16.8. Загрязнения, вызванные животноводством............................606
    16.9. Пестиццды и их остатки в почве....................................606
    16.10. Отходы и загрязняющие вещества в почве...........................609
    16.11. Потери и деградация почвы........................................612
    16.12. Сохранение почвы.................................................614
    16.13. Генная инженерия и сельское хозяйство............................617
    16.14. -('Зеленая» химия и устойчивость сельского хозяйства.............619
    16.15. Сельское хозяйство иадоровье.....................................623
    16.16. Защита системы снабжения продуктами питания от террористических угроз.624
    Библиографический список.....................................................625
    Р е ком ендуем ая литер атур а...............................................625
    Вопросы и задачи.............................................................627
1km 17. ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ...............................629
    17.1. Отход от старых неправильных способов..................................629
    17.2. 3 еленая химия.........................................................63 0
    17.3. Снижение рисков: опасность и длительность воздействия.............633
    17.4. Предотвращение образования отходов и зеленая химия................637
    17.5. 3 еленая химия и синтетическая химия..............................638