环境化学
摘自郭保章:《20世纪化学史》；650-669
第十七章 环境化学的兴起
环境化学是20世纪后期新兴的一门学科，20年以前，人们尚未承认它是一门独立的学科。由于环境问题的探索是二个交叉学科，涉及到生物学、地学、化学、物理学、医学、社会科学和工程技术。人们通常称环境科学。毫无疑问，化学首当其冲。在人类征服大自然的征途中，化学曾奏响起一曲赞歌，不仅有效地利用自然界中原有的物质而且创造出自然界前所未有的新物质，当然也生产了废物，污染了环境。在早期，化学曾被认为是改造世界的英雄，在某种意义上说又是环境污染的元凶。人们终于认识到，科学是一把双刃剑，罪过不在化学而在掌握化学的人，在于人类自身。化学既是污染环境的元凶，也是治理污染的能手，于是引起了环境化学的兴起。
一、环境问题由来已久，于今为烈(650-654)
70年代以来，环境问题被人们列为重大的社会问题之一，同时它也是新兴的重要科学技术课题之一。所谓环境问题主要是指影响人类生活的环境污染与环境破坏。 20世纪50年代以来，环境污染空前严重，引起了学术界和社会人士的普遍重视。在60年代末70年代初甚至形成了一个“环境运动”高潮。事实上，环境问题由来已久，只不过是近几十年来更加突出而已。
人类活动所引起的环境污染可追溯到原始人在山洞中燃烧柴草对空气的影响。早期农业生产中砍伐森林、刀耕火种之类的活动，已经造成最初的环境破坏。然而，环境问题真正成为社会问题是随着大规模工业生产的发展而逐渐表现出来的。早在17世纪就出现了有关燃煤引起污染的调查报告。 1661年英国人伊夫林(J．Evelyn，1620-1706)就写了《驱逐烟气》一书献给英王查理二世。该书已指出空气污染的危害，并提出了一些防治对策。18世纪后期以来的一百多年里，英、法、德、美等国先后进行了工业革命，生产力得到了很大发展，环境污染也就日益严重。煤炭、冶金、化工和交通运输业的发展，工矿企业排出大量废弃物，不断造成一些人为的灾害。 1873年12月、1880年1月、1882年2月、1891年12月、1892年12月，英国伦敦发生了几次可怕的毒雾事件，这就是煤烟污染空气造成的。其他国家也有类似的情况。美国在19世纪和20世纪初就有一些城市因多烟而出名。匹兹堡就有“烟城”之称。 19世纪后期日本足尾铜矿区因废气毁坏了整片的山林和庄稼，使矿山周围24平方千米的土地成为不毛之地，总受害面积竞达400平方千米。铜矿排出的废物和污水流入渡良漱川，严重危害沿岸土地和人民。 1891年出现报道这一情况的出版物《足尾铜山矿毒；渡良漱川沿岸被害情况》。总的说来，18世纪后期到20世纪初期，在一些资本主义工业发展的国家，环境污染已经在个别地点和局部地区造成严重问题。
20世纪20年代以来，工业有了进一步发展，特别是石油和天然气生产急剧增长，烧油的各种机动车广泛使用，从而出现了前所未有的石油污染问题。一个著名的事例是美国洛杉矶的光化学烟雾事件。此地自从1936年开发石油以来，工业迅速发展，城市人口剧增，汽车大量使用，因而产生了空气污染的新问题。从1943年开始，在洛杉矶上空出现了浅蓝色的烟雾。它是由排放到空气中的污染物(特别是汽油蒸气和汽车尾气)经阳光照射，连续发生化学反应而产生的一些物质所形成的气体，主要有害成分是臭氧，过氧乙酰硝酸酯(PAN)等。 50年代美国一些学者的研究基本上阐明了一系列光化学反应过程。这种烟雾刺激人的眼睛、咽喉，威胁居民健康，同时也影响农牧业生产，特别是多叶蔬菜受到严重损害。此外，由于有机化学工业的发展，化工污染也愈来愈突出。例如含酚废水的污染已较普遍地出现。这类污水不仅危害水生生物，破坏水域资源，而且能够使人慢性中毒。
20世纪50年代以来环境问题更加惊人，不仅事件增多，性质严重，而且范围扩大。50年代伦敦又发生了几次毒雾事件。 1952年12月的一次特别严重，几天内突然出现了许多呼吸道病人，死亡人数竞高达3900人。因此，英国政府任命了一个专门委员会来调查研究这一事件。日本四日市1955年发展石油工业以来的一段时间因大气污染而诱发了“四日市气喘病”。因此，1962年设立“四日市地区大气污染对策协议会"，开始各种调查，1964年政府又委派特别调查团(黑川调查团)进一进调查研究。自1970年起东京等地也出现多次“光化学烟雾”。水污染的严重事件也很惊人。日本熊本县水俣镇自二三十年代以来化工工业有很大发展，污水严重危害动物和人。1950年发现病猫跳水“自杀”。 1953年开始确定有一种奇怪的“水俣病”。 1956年有病人53名，11人死亡。调查证实了人和猫都是因吃鱼中毒而得病乃至死亡。 50年代末60年代初终于查明污水造成的汞中毒是主要病因。 1963年，日本阿贺野川流域下游的新漏县也发现了大批“自杀猫”、“自杀狗”。1964年出现类似“水俣病"的患者。 1965年进行调查，同样得出汞中毒的结论。日本中部神通川地区因上游建立了神冈矿业所，炼铅炼锌工厂的大量废水排入河道，不仅损害水产和农业，而且影响该地区居民的健康。 1952年神冈矿业所就曾因沿岸水稻受害而赔款300万日元。 1955年后不断出现一种特殊的疼痛病。病人最初感到关节痛，后来全身骨痛、神经痛。这就是所谓“神通川痛痛病”。 1961年初步查明这种病与水污染造成的镉中毒有关。 1965年冈山大学教授小林纯和富山县医师秋野升发表论文，阐明疼痛病与上游矿山废水之间的关系。 1968年他们又发表了在长崎调查类似病症的结果。事实上，由于含镉废水污染了河流，居民通过饮水和吃饭(“镉米”)就会引起痛痛病。这种病在日本许多地方都有发生。
除“三废"造成的污染外，这一时期又有两项威胁性很大的新污染问题，这就是核能和农药带来的灾难。50年代和60年代初，美国在大气中大规模进行核试验，这一时期放射性物质沉降量特别高。核爆炸产生的放射性尘埃可以直接或通过食物链进入人体。放射性同位素锶Sr90能被草地吸收。通过奶牛吃草，人喝牛奶，Sr90就进入人体，像钙一样贮存于骨骼。这种Sr90能潜伏多年而导致白血病和骨髓癌。原子反应堆事故和放射性废弃物也是重要的污染源。1957年10月英国一次反应堆事故就散发出大量放射性尘埃。放射性同位素碘I131附着于下风区的牧草上，不仅危害奶牛，而且威胁居民健康。此外，原子能发电工业的发展也可能因核电站本身、核燃料再处理、放射性废物处理以及发生严重事故而导致放射性污染。有机农药污染则是一个相当广泛的威胁性很大的环境问题。第二次世界大战后到处推广的DDT、六六六等有机氯农药是最突出的例子。现在世界上各个角落都可能发现它们。 1968年的一份报告说，在英国多处采取的雨水样品中都存在这类农药。大量试验表明，有机氯农药在一定时间内可残留在土壤、水域和生物体，并随着食物链逐步浓缩在高等动物和人体内而引起一些不良后果。1962年美国女海洋生物学家卡尔松(P．Carson，1907-1964)出版科普著作《寂静的春天》，当年就在西方国家引起强烈的反响。该书主要是揭露有机农药可能带来的“大破坏"，描述了它对人类生存的威胁。虽然对她的某些论点有争议，但这本书及时地向人们敲起了警钟，有力地促使各方面专家和公众高度重视环境污染问题。60年代中期开始有人研究某些有机农药的致癌作用。事实上，不仅放射性物质和一些有机农药有致癌作用，而且一些化工原料和产品乃至空气中的一些污染物都可能诱发癌症、畸形和遗传性变异而带来不良后果。
我们过去把对环境污染问题视为资本主义制度的产物，其实前苏联和东欧等国也有类似的问题。
我们在五六十年代，战天斗地，自然不会有环境意识。 70年代开始三废治理，设三废办公室，只是把环境问题当成局部处理；及至八九十年代，大规模开始建设，一个化工厂污染一个县，一座造纸厂污染一条河，美丽清沏的淮河不能饮用，这才引起重视，国务院下令彻底关闭造成污染的小造纸、小皮革厂，力求20世纪淮河的水饮用达标。与此同时，环境科学的研究也开始重视起来了。在我国，环境化学的研究也应运而生。
二、环境化学兴起的学术背景(654-656)
环境化学兴起的另一个重要学术基础是化学的进展，特别是化学分析方法的革新。 20世纪中期化学在微量分析方面进展很快，应用广泛的比色法和层析法就很突出。三四十年代紫外和红外分光光度计开始应用。 50年代又出现了原子吸收分光光度计。 40年代以来纸层析开始广泛应用。 50年代以来气相色谱逐渐成为应用最广的层析方法。此外还出现了质谱仪、能谱仪等精密仪器。这些仪器分析方法在检定痕量物质方面发挥了重要作用，这也就对污染研究提供了基本的实验手段。正是由于采用新的精密仪器和现代分析方法，使环境本底和污染程度的准确测定成为可能，并促进了环境化学的形成。例如，金属镉引起的“痛痛病”虽然早在30年代就已出现，但当时并没有能查明病因，直到60年代采用了原子吸收光谱的分析方法才揭示真相。又如，农药残留问题虽早有研究，但直到60年代以来广泛采用薄层层析、气相色谱和同位素技术，才进一步查明农药的累积和迁移。显然，环境质量研究，特别是环境监测的开展，在很大程度上依赖于化学分析方法的进展。例如，为了正确评价水体的质量和污染状况，就必须对水体取样分析。水中污染物往往成分复杂而含量微少，通常只能以ppm计算。1971年世界卫生组织规定的水质标准中，铅O．1，铜O．05，镉O．01，汞O．001，酚类O．001，多环芳烃O．0002……因此，除常规的重量分析和容量分析外，必须采用选择性高、灵敏度大，而且快速简便的各种仪器分析方法。 70年代前期常用于水污染分析的实验室仪器分析有：原子吸收光谱仪，比色计，散射光谱，气膜电极，离子选择电极，活化分析，X射线荧光，气色谱／质谱，薄层层析，红外光谱等。此外，近年还发展了许多用于野外监测的仪器设备，从而给环境化学研究带来了更有效的手段。
要把监测变成保护。我们的一切环境保护战略均应基于真实的危险阈限值，我们应有对于一种特定的有害物质在其存在量达到该阈限值之前将其检出的能力。化学家必须不断提高其分析技能，使得即使在远低于危险阈限值以下的微小浓度下，对某一指定物质进行监测。当做到这一点时，我们就会发现，可以把检测和保护等同起来。
从最近的趋势看，天真的“零风险”方法正在逐渐被更精细的风险评价／风险管理原理所代替。在评价阶段和管理阶段，主要课题是要能分析可能含有数百种天然化合物的复杂的空气、水、土壤和生物系统，是至关重要的。化学分析在监测、保护、管理我们的空气和水资源所起的作用，类似于搜集情报用于保护和增加国家在军事领域、地理政治领域和经济领域的公共利益方面所起的作用。在诸如酸沉降，全球性气候变化，臭氧层破坏和有毒废物处置等重要问题上，要得出关于因果关系、污染物的来源、运动和归宿的结论，就必须以足够的选择性和灵敏度进行环境测定。提高环境测定效率，需要改进监测工具，这是很自然的。
分析化学对于推动我们弄清环境中的化学问题起着关键作用，因为环境中的许多问题归因于痕量的活性分子，有时浓度低至10-9数量级。目前，在提高分析灵敏度(我们能检测含量低至多少的物质?)，提高分析可靠性(我们能在多大程度上确信自己的检测结果?)以及改进分离技术(我们能够分离出所需的成分吗?)等方面均有惊人的进展。这些进展已被迅速用于分析既复杂又稀薄的由污染物、杀虫剂及人类与自然界自身分解产物等构成的混合物，这些东西存在于空气、有毒的废弃物、受污染的溪流和湖泊、耕作土壤以及生物标本中。
在这些成就中，仪器设备起着核心的作用。分析化学家们正在应用最先进的技术，包括串级式质谱计、高分辨气体色谱仪或傅里叶变换红外光谱仪联用，超临界液体色谱仪。采用激光荧光或激光吸收技术的遥测法、超灵敏内共振腔与光声激光器、化学发光法，以及计算机辅助的数据收集与处理技术。使我们能够检测远低于许可限度的毒物，这样就可以提早发现潜伏的问题，并早在危害程度之前使之得到解决。
环境化学中的反应动力学提出了一些令人生畏的难题，从而构成了新的研究前沿。在大气化学中，可能包含着复杂的链锁反应过程，而且高度活泼的，难以捉摸的分子的反应速度可能起着支配作用，例如OH、H02、N03等分子。由于这些分子极其活泼，因而其反应速度难以测定，这就需要发展可靠的实验方法以测定有关的速度常数。由于存在有固体和液体的反应微粒，包括粒度极细的碳微粒(飘尘)，因而连在何处发生反应都不得知之。而在这些微粒中发生的反应，其反应速度可能会受到催化作用而增大。
三、保护臭氧层（657-660）
目前环境化学中最大成就莫过于揭示出销蚀臭氧层的化学机理。大约在20世纪70年代，多数科学家对工业废气会破坏平流层上的臭氧层的观点嗤之以鼻；但是有三位化学家以其令人信服的工作证实了上述观点，因此获得了1995年的诺贝尔化学奖。他们是荷兰的保罗·克鲁森(Paul Crutzen 1933-)、美国人F·舍伍德·罗兰(Frank Sherwood Rowland 1927-)和美籍墨西哥人马里奥·莫利纳(Mario
Molina 1943-)。评奖委员会说：“三位科学家通过阐述对臭氧层厚度产生影响的化学机理，为我们寻找办法解决可能引起灾难性后果的全球环境问题作出了贡献。”“他们的研究揭示出臭氧层对于某些(人造)化学物质所产生的影响是多么敏感。大气的构成稍微发生变化就会给臭氧层带来严重破坏。”
克鲁森现任德国M·普朗克化学研究所教授兼所长。1970年，作为气象学家工作于斯德哥尔摩，发现NOx可以催化平流层中臭氧，将其分解为分子氧(O2)。NO和NO2是由N20产生的，而N20是由土壤中微生物放出的。克鲁森指出这一途径是臭氧在自然界中降解的主要方式。于是美国加州大学分校的大气化学家H·S·约翰斯顿(John．stone 1920-)得出结论，当超音速飞机在平流层飞行时排出的含氮废气会破坏臭氧层。后来查明由超音速废气造成的危害不算太大，真正破坏臭氧层的元凶是氟里昂的组成分之一氯氟碳类CFCs。现在全世界每年生产的CFCs超过100万吨，产值达2亿美元。但是CFCs气体造成的积累性污染是经过很长一段时间才被人们认识的。这是因为CFCs作为化学惰性分子曾经长时期被认为对环境是安全的。这就是说它们既不跟别的分子反应又不被破坏，而且分子量小。
1970年前后，美国从事氟里昂生产的人首先提出疑问：消耗的氟里昂最终是怎样消失的?恰在此时，英国的拉夫洛夫(Lovelock)教授研制成电子俘获气相色谱检测器(ECD)，可检测和定量大气中的氟里昂。 1972年得出结论：“排放到大气中的氟里昂积蓄在对流层中，北半球多于南半球，总量相当于当时的产量，由于氟里昂是惰性气体，不参与光化学烟雾的形成，对植物生长无害；氟里昂可以透过紫外线，以至于在17公里以下的空中不发生光分解。”然而问题并非如此简单，恰恰在17公里以上，CFCs的性质发生了逆转，从对环境安全的气体变成了破坏臭氧层的杀手。
加州大学欧文分校的教授罗兰对氟里昂的去向很感兴趣。莫利奥也是如此，他是罗兰的学生，当时与罗兰一起工作。两人从1973年合作研究。在当年的圣诞节拜访了约翰斯顿。约翰斯顿告诉他们，当时的美国政府调查宇宙飞船燃料高氯酸类排放物如何影响环境时，发现了氯原子使臭氧的分解能力远远超过NOx。随后，罗兰和莫利奥在Lovelock工作的基础上，把研究从对流层推进到平流层，发现了CFCs是破坏臭氧层的元凶。他们根据在平流层的“紫外线窗口区"氯氟烃类可吸收少量短波紫外线(190-210nm)分解出具有破坏力氯原子(C1)的事实，于1974年提出了“臭氧枯竭"的假说[molina，M．J．Rowland，F．S，Nature，249，810(1974)]。
为什么我们需要担心同温层化学?同温层中的臭氧是吸收和阻挡那些对生命有害的太阳短波长紫外辐射的天然滤光器。同温层——无云干燥寒冷的区域，其高度范围在约10km～50km之间。该层中的空气在垂直方向混合得慢，但在水平方向混合得快。结果，有害的污染物一旦进入同温层，就可能在那里滞留数年之久，而且果真如此，它们就会迅速分布到地球四周，跨越国界和海洋，使这一问题真正成为全球性问题。我们的臭氧屏障的大量减少，会增加地面上潜在危险的紫外辐射。
为了理解臭氧层多么容易受到扰动，认识到臭氧实际上只是同温层的一种微量成分是有益的。在其达到最大浓度时，臭氧只占空气分子总数的百万分之几。如果把扩散的臭氧层集中成一个包围地球且处于大气压力的纯臭氧气体薄壳层，那么，只有约3mm(1/8英寸)厚。而且还应认识到，臭氧破坏机理是按链反应进行的，其中一个污染物分子在被迁移到低层大气、发生化学转化或被雨水脱除之前，就可以破坏好几千个臭氧分子。而对于氯原子来说，在其活性消失以前，可以破坏10万个臭氧分子。据估计，目前大气中约有33亿吨臭氧，大气中的CFCs化合物约有1300万吨。似乎相差悬殊，但若以1与100000相比，则臭氧最终要枯竭。
莫利纳和罗兰发表在《Nature》那篇文章只是为了作纯理论探讨，企业界和气雾剂工业界当然不屑一顾，批评家们也认为是“杞人忧天”。进一步的研究证实了他们的结论。具有讽刺意味的是他们并非言过其实。他们没有预料到臭氧洞的出现。英国南极考察站的乔·法门在1985年首次观测到臭氧洞。 1986年，美国航空暨太空总署利用“雨云7号”上的“TOMS"测得了南极上空的臭氧分布图，发表之后，臭氧洞之名不胫而走。法门说：“臭氧洞使每个人都意识到问题的严重性，并使他们必须在10年内而不是l00年内采取行动保护臭氧层。”
克鲁森和他的同事们对于解开臭氧洞作了重要贡献，共同开发出全球敏感大气层模型。
化学对理解这一问题所起的重要作用，表现在它鉴别并测定了几种臭氧破坏链反应过程。 50年前，根据四个涉及纯氧化学种(O，02和03)的化学和光化学反应，定性描述了臭氧层在同温层中部的形成。今天，我们知道，为了得到一个定量模式，用以模拟目前的同温层并预测引进各种污染物所能产生的变化，至少必须考虑150个化学反应的速率。三位化学家的研究成果证明了臭氧层对地球表面大气污染的敏感性，并且帮助了人们弄清楚了大气中各种复杂的化学关系。这是多学科协同攻关，首先是物理化学家的功劳，是大气反应动力学的胜利。
这次臭氧洞事件不仅暴露了环境大气的脆弱，也对文明的无止境扩张提出了警告。1985年9月16日，联合国大会签定《保护臭氧层维也纳公约》。 1987年签定《关于减少消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。中国为保护臭氧层已制定国家方案和行业淘汰战略，并已淘汰消耗臭氧层物质6000吨，规定自1995年起，每年的9月16日为《国际保护臭氧层日》。
四、减少酸雨（660-662）
酸雨是空气质量下降更明显、更紧迫的结果之一。
1872年，英国化学家R．A．Smith在《空气和降雨：化学气候的开端》一书中首先使用了“酸雨(acid rain)这一术语。 20世纪60年代，瑞典土壤学家S．Oden发现酸性降雨是欧洲一种大范围现象。1972年瑞典政府向联合国人类环境会议提出报告：《穿越国界的大气污染：大气和降水中的硫对环境的影响》。 1982年在瑞典召开了国际环境酸化会议。酸雨已成为当代全球性的环境污染问题之一。1994年中国16位酸雨专家向国家环保局提交的《中国酸雨问题专家报告》指出，中国pH＜5.6(酸雨标准)的降水面积大大增加，从1983年的约175万平方千米扩大到1993年的约280平方千米，扩大了100多万平方千米；pH＜5.6的降水等值线已大幅度向西向北移动，越过了长江和黄河。 1986年，pH＜4.5的重酸雨区仅为重庆和贵阳等局部地区，而1993年我国江南包括川、黔、湘、鄂、赣、桂、粤、闽、浙，大部分地区平均降水pH＜4.5面积达100多万平方千米，已造成明显的经济和生态损失。 1993年重庆市酸雨频率为80％，全年酸雨pH值平均为4.38，最低值2.8已逼近醋的酸度。
从20世纪60年代开始，世界上先后建立了一些大型监测网。到1990年共有168个监测站在测定降水化学组成。中国环境保护部门于1982年建立了189个观测点的酸雨监测网。
大量分析结果表明，世界上有三大酸雨区，按出现时间先后为：欧洲、北美和中国。《1994年中国环境状况部分公报》指出：我国酸雨主要分布于长江以南、青藏高原以东及四川盆地。
酸雨中的酸主要成分是H2S04和HN03，它们占总酸量的90％以上。至于这两种酸的比例如何，则取决于燃料的构成。由于我国一次能源当中煤占75％，所以我国酸雨属煤烟型，其中H2S04占大多数。
酸雨的危害是严重的。由于酸雨的侵蚀，世界上很多著名的大理石雕像和石灰石建筑物遭到破坏。伦敦的英王理查一世雕像，被酸雨腐蚀得面目全非。受害的还有雅典的巴特农神庙、印度的泰姬陵、华盛顿的林肯纪念碑和英国牛津大学的罗马大帝雕像等。酸雨也严重腐蚀金属，危害钢铁桥梁、建筑物、交通工具、铁路等。 酸雨造成某些地区湖泊河流逐渐酸化，铝等有害金属溶入水中，鱼类减少，当pH＜4.8时，水中就没有鱼了。挪威和瑞典南部，1／5的湖没有鱼，加拿大有14000个湖成为死湖。如果湖河周围是不透水、不易发生化学反应的花岗岩，其抵抗pH变化的容量——酸中和容量(ANC)小，特别容易酸化。如果湖河周围是易于与酸反应的石灰石，则其酸中和容量要大得多。
强酸度的降水、雾和高浓度的S02等直接危害森林和农作物。再有，酸雨造成土壤酸化，使钙、镁、钾等营养元素流失，抑制有机物降解和固氮作用，使土壤贫瘠化；另一方面，又将铝等有害元素活化，进入土壤溶液，被树木根部吸收后转化为氢氧化铝等，堵住根内传输管道。据欧洲22国普查，有1．5亿亩森林受到酸雨破坏，主要受害树种是松、冷杉、山毛榉和栎等。我国川、黔和两广每年因酸雨造成森林损失就达十几亿元。
H2S04和HN03雾直接危害人体呼吸系统、眼睛和皮肤。由于酸雨使湖河、土壤酸化，溶出铅、镉、汞等重金属，如进入饮用水，也将对人类健康造成严重威胁。
由于酸雨的前体物S02和NOx主要来自矿物燃料(煤、石油、天然气)的燃烧，所以节约能源可以减少它们的排放。
世界上许多国家致力于削减S02和NOx的排放。 1979年欧洲39国签订关于长距离穿越国界的大气污染公约；1985年签订赫尔辛基议定书，要求到1993年减少30％S02排放量；1988年签订索菲亚议定书，要求1994年把NOx排放量减至1987年的水平，1994年又签订奥斯陆议定书，要求各成员国根据其临界载荷(Critical Load，指一个地区在发生对环境有害的效应之前可以承受的污染物的沉降量)以不同比例进一步削减S02排放量。我国在《大气污染防治法》中明确规定了控制工业燃煤S02排放的法律条文，现已开始推行S02排放收费制度。
治理S02的途径是：①不用含硫量高的“脏煤"，改用含硫量低的“清洁煤"。②燃料脱硫：比如把煤破碎成细粉并用水洗，使较重的硫化矿物沉在底部而分出。③排烟脱硫：分干法(使用固态吸附剂或吸收剂)和湿法(使用液态吸收剂)。
治理NOx的途径是：①排烟脱氮：分干法(催化还原法、吸附法)和湿法(直接吸收法、氧化吸收法、氧化还原吸收法、液相吸收还原法、络合吸收法)。②改善燃烧方法和设备，控制NOx的产生。
瑞典试验在已酸化的土壤和水体中施加石灰，在短期内曾取得较好的效果。加拿大一家公司用混凝土中和被酸雨污染的湖泊和溪流里过多的酸性物质获得成功。荷兰环境保护部门用直升飞机喷撒白垩和磷酸盐，以中和酸化了的荷兰南部森林地区。荷兰科学家把真菌注入树木，使之在寄主植物根部形成一个保护体，并增加对某些维生素的吸收量，增加了树木对酸雨的抵抗力。
五、预防气候变化：温室效应（663-667）
1992年6月联合国世界环境与发展大会上，166国签订<气候变化框架公约》，确定将“温室气体浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上”这一宏伟目标。 1995年3月至4月，近120个公约批准国举行第一次会议，通过《柏林授权书》，决定就2000年后发达国家对温室气体的具体限排目标立即进行谈判。为何温室气体受到如此重视。
有一个问题长期受到人们关注。地球与月球到太阳的距离基本相等，何以地表面的温度为15℃而月球则为-18℃?原因是地球表面比月球多了一层气体，像毯子一样将本来会逸散到宇宙空间去的热量裹在了里面。
1800年左右，法国数学家、物理学家J．Fourier首次提出地球大气与温室玻璃的功能相似。他的比喻延用至今，叫温室效应。过了约60年，英格兰的J．Tyndall用实验演示H20气和C02吸收热辐射，计算出二者在大气中的温暖效应。 1896年瑞典化学家阿累尼乌斯(S．A．．Arrhenius)发表的论文《大气中的二氧化碳对地球温度的影响》指出，二氧化碳能吸收从地球表面辐射出来的红外线，而大气中的二氧化碳含量是可以改变的。在火山活动的频繁时期，大气中的二氧化碳含量增高了，因此地球的温度也相应增高，从而解释了地球上气候变化原因之一。
产生温室效应的温室气体并非大气主要成分N2和02，而是一些“痕量气体”。因为温室气体能吸收红外线，加大分子内原子间振幅，改变分子偶极矩。但单原子分子如稀有气体和双原子单质分子如氮和氧都不是温室气体。一般地，温室气体分子至少有三个原子，即多原子分子(像H20、C02、CH4、N20、03等)，当其原子间呈不对称振动时，偶极矩改变，同时吸收红外线。
南极冰芯气泡分析追溯到16万年前，表明地球温度与大气中CH4和C02浓度几乎完全对应，证明自然温室效应是真实的。前不久，三位科学家以其深邃的洞察力将过去气候变化与大气中微量气体含量之间关系的研究相结合，因而荣获1996年泰勒环境成就奖。他们是：丹麦哥本大学的威利·丹斯加德教授(WiUv Dansgard)、法国极地技术研究所负责人克劳德·洛里斯(Claude I．orius)和瑞士伯尔尼大学荣誉教授汉斯·奥斯切格(Hans Oeschger)。正是他们率先开展了人类活动时期气候变化的研究，提出了通过古极地冰芯分析重建过去气候变化的定量记录的思想。
温室效应的研究和未来气候变化的预测
1957年，大气中二氧化碳的浓度为315ppm，现在则高达360ppm。在工业革命以前，大气中二氧化碳的浓度不到280ppm，二氧化碳浓度的增加主要是由于煤和其他矿物燃料的燃烧，热带森林的破坏也起了一部分作用。
1吨碳相当于4吨二氧化碳，即燃烧1吨煤会产生大约4吨二氧化碳。 80年代，每年约有50亿吨碳以矿物燃料的形式被燃烧，这一来源每年向大气中输入的二氧化碳约200亿吨。
然而，大气中二氧化碳浓度的增加值只相当于每年由人类活动产生的二氧化碳的一半左右，而另一半则被环境学家们所说的天然的“汇"吸收了。地球上的植被就是一种极为重要的汇，大气中二氧化碳浓度越大，植被生长越好。当然，这里所说的植被不但包括森林，而且还包括土壤中、海洋中的生物质(主要为微生物)。除了植被外，二氧化碳还可以溶在海洋中。我们所关心的是，不管天然汇到底是什么，它们有一天终究会饱和，不能再吸收二氧化碳了。在这种情况下，大气中二氧化碳浓度增加的速度将会加倍。
在1850-1950年间，全世界烧掉的碳(主要是以煤的形式)约600亿吨，而现在每10年就会烧掉这么多碳。研究人员据燃烧掉的矿物燃料的量估计，19世纪中叶大气中二氧化碳的天然浓度约为270ppm，对束缚在极地冰芯中的工业革命以前的气泡组成的分析表明，这一估计是准确的。
对南极冰芯中气泡的进一步研究表明，自最近的大冰期结束以来至少1万年的时间里，大气中二氧化碳的浓度基本上没有变化。所以，对二氧化碳和其他温室气体在大气中的积累所产生的效应的计算通常都是把二氧化碳的背景浓度作为70ppm来处理的。大气中二氧化碳的浓度目前已经超过背景值的33％了。
除了二氧化碳外，由人类活动释放的、在7微米到13微米的范围内吸收红外辐射的气体还包括氯氟烃、甲烷、一氧化二氮和臭氧。氯氟烃会破坏臭氧层，人们对此可能更了解一些。且氯氟烃还是非常厉害的温室气体：两种最常见的氯氟烃中的任何一种的一个分子的温室变暖效应与1万个二氧化碳分子相当。现在，氯氟烃的释放虽已过了高峰，但这类物质在大气层中驻留时间较长，在整个21世纪它们将会继续发挥其作为温室气体的作用。
甲烷在大气中的浓度很低，还不到2ppm，但这一浓度却正以每年约1．2％的速度增大。大气中甲烷的来源包括稻田中细菌的生物活动、油气田中天然气的释放等。一氧化二氮是因化肥的使用而释放的，现在在大气层中的浓度为O．4ppm。由于人类活动，对流层中臭氧的浓度也在增大。
1985年，芝加哥大学的Veerhabadrhan Ramanathan计算了包括二氧化碳在内的所有这些温室气体的综合效应，并对2l世纪大气中这些气体的浓度的增加做了预测。他得出结论认为，到2030年，除二氧化碳以外的所有温室气体的效应将相当于大气中除天然二氧化碳以外的人为增加的二氧化碳的效应，而包括二氧化碳在内的综合效应则相当于大气中二氧化碳的天然浓度增大一倍所产生的效应。计算机模型表明，那时的全球平均气温将比19世纪中叶约高出3℃。
在这3℃的气温升高值中，现在已经发生的约有O．5℃。虽然这种变暖作用部分是由气候的天然波动造成的，但自19世纪以来气温的实际升高是与计算机模型对由人为造成的温室效应的计算值一致的，而这种模型则是根据这一时期二氧化碳和其他温室气体在大气层中的积累情况建立起来的。就气候纪录而言，20世纪80年代是最热的年代，最热的8年中有7年都在80年代，而1990年则是迄今最热的一年。20世纪80年代最冷的几年也要比19世纪80年代最热的几年热。
20世纪80年代的全球变暖趋势到1990年后就中断了，但其中断方式本身则表明描述全球变暖的计算机模型准确度非常高。触发这一趋势中断的是菲律宾的皮纳图博火山，该火山1991年6月爆发，将大量的火山灰喷发到了平流层。这些物质在全球范围内扩散，部分屏蔽了照射到地球表面的太阳能。用于计算温室效应的同样的计算机模型做出了这样的预测：在短期内，皮纳图博火山喷发的火山灰会使地球大气层急剧冷却，使平均气温暂时回到一个世纪以前的水平。在随后的两年间，全球平均气温确实如预测的那样降低了。 同样的模型还预测，1992-1993年这些火山灰被从大气层中清除以后，全球平均气温会首先很快回到20世纪80年代的水平，继而到90年代中期达到稍高一点的水平(根据温室气体目前的积累速度预计应该达到的水平)。 1994年和1995年的数据表明，这些预测完全应验了，只是1995年差一点(在统计误差允许范围之内)成为有史以来最热的一年，几乎与1990年不相上下。
皮纳图博火山并不是这一时期全球变冷过程中的唯一因素，人类活动也起了一定的作用。 80年代中期以来，在建立模拟全球气候变化的计算机模型中所取得的最大的进步就是将这一点考虑进去了。燃烧矿物燃料不仅释放二氧化碳，而且还释放气溶胶这样的颗粒状物质。同火山灰一样，气溶胶也会屏蔽部分入射太阳能量。将二氧化碳和气溶胶都考虑进去时，计算机模型会非常准确地模拟出20世纪气候变化的真实情况。
上面已经提到，21世纪气候变化的最好的预测来自IPCC的报告。该报告预测，到2100年，全球变暖幅度将在1℃到3.5℃之间，而“最好的估计值"为2℃。海平面将因此而升高，这既是由于冰川和极地冰盖的溶化，也是由于海洋表层受热膨胀。据估计，2100年海平面上升值在15厘米到90厘米之间，“最好的估计值”为48厘米，将有900万人会受到海平面上升的直接影响。
环境的灾害，不少来自能源的发展。造成温室效应的50％是C02气体，而其中的80％是由于燃烧煤和石油所致。煤还留下灰渣、废气、烟气、还有放射性废物。到2000年，全球燃煤电厂粉煤渣排放量将达10亿吨，其中中国占8000万吨(仅次于美国和独联体)。这些废渣将占地28万亩、还排放S02达600万吨。另外，酸雨可达20％。另据报导，1982年全美燃煤6.16亿吨，其中1吨煤含铀1.3×10-6吨和钍3.2×10-6吨。这样，全美燃煤电厂已向环境释放801吨铀和1971吨钍，相当于n·1013
Bq放射性活度。油气也有类似灾害；铀的开采和冶炼问题可能更大。
另外，已有资料证明，发展核电厂可以减少产生酸雨对环境的危害和减少释放温室气体。世界范围内核能的应用已避免了每年4.5亿吨CO2、700万吨NOx及1.4亿吨S02的释放。据已公布的资料，如果1992年没有核电厂，在德国就会释放出1.6亿吨C02；美国会释放出1.33亿吨C02；英国会释放出O.55亿吨C02。
六、更清洁的水和废物的安全处理(667-669)
我们每一个人都要喝水，喝清洁的水；我们总是不可避免的要产生废物(垃圾)；但是我们在保护水体免受污染和处理垃圾方面所取得的进展，一般说来尚未达到像我们在清除空气污染方面所做的努力那样成功，而且还存在若干误解。
一般认为水是取之不尽、用之不竭的，因为地球就是一个水球。从宇宙看地球，蓝莹莹的地球完全像个美丽的童话王国。但如果用一个现实主义地球眼光来看地球，就没有童话那么浪漫：在全球13～14亿立方千米的总水量中，咸涩的海水竞占了96．5％!冰川、雪山、岩隙、土壤又占据了大部分淡水，直接可供人类饮用的淡水只占总储量的O．35％!而这些淡水由于现代工业的三废排放，已有相当一部分被污染。人类只顾炫耀自身的发展，如果冷静地审视环境的变化就应感到惊悸!
现在全世界每年的工业排污量为500～1000立方千米，淡水危机的阴影已笼罩世界：中国一半左右的城市缺水，其中严重缺水的不低于40个；印度四大城市至少有两个严重缺水；墨西哥城居民区人们“饮用的实际是污水"；波兰已有1／3水源因污染而不能饮用。
我国水域污染：全国七大水系中，近一半河段污染严重，流经城市的河流80％水质污染超标。淮河流域污染严重，上百万人无水可饮，许多工厂被迫停产，农作物颗粒无收，渔民无鱼可捕，经济损失极为惨重。巢湖、滇池、太湖等水体变黑发臭。许多小河、小湖也浑浊不堪，有的甚至变成了“臭水沟”。现在，全国每年排放污水360亿吨，其中生活污水占一半以上，95％未经处理直排江湖，水质不断恶化。在污水处理上，化学无疑会派上用场。当前的问题是要解决“先污染后治理"的思想，改革生产工艺从源头上去解决；在这方面化学大有可为。
我国城市垃圾日见增多。现在全国城市垃圾年产8000万吨。大部未经处理，垃圾围城愈演愈烈。
人们有一个错觉，认为“废物料不会转移”，通常处理废物和垃圾的办法是埋藏地下，希望经过一段时间，这些化合物被氧化、水解，或由微生物分解成无害产物。事实证明并非如此，目前一些严重的地下水污染已经出现。一些化合物已证明比预期的更稳定和更容易迁移，而其中一些被细菌转变成更毒的更容易迁移的形式。说明原先的决策所依据的科学知识基础是不够的。
如果我们要利用地下作为废物贮存的场所，那么我们必须更彻底地了解所存在的物理／化学／生物体系。我们必须比现在更有把握地预言废弃化合物的运动和归宿。实验室研究和现场研究必须考察化合物和离子在地面以下地层中的迁移。我们必须发展新的检测技术，用以检测和跟踪受污染的地下水体的运动。例如，通过测定地下土壤气体。
通过开发更好的废水(包括含特别稳定的污染物的工业废水)处理方法，也可以改善地下水质。普通的废水处理取决于化学法和生物法的组合。虽然这对某些类型的废物是有效的，仍需研究某些高级技术，如臭氧化、“湿式空气氧化"(高温和高压水相氧化)，等离子体和高温焚烧，以及用于脱除污染物的吸附剂和树脂(包括涉及水物降解的混合体系)。光化学净水技术有望成为21世纪水处理主导技术之一。
还需要一些革新方法，用于重新截获和循环使用有价值的物质如金属，否则它们会造成水污染。溶剂萃取、离子交换、反渗透及其它化学分离工艺，也值得研究。矿山产生一些特殊问题，酸矿排水和放射性尾矿的迁移作用是不断在研究的课题，以减少有害效应。
农业日益依赖于农药来控制疾病和害虫，以降低粮食生产成本。施用农药产生的意外副作用是某些地区的给水受到意外的污染。因而农药归宿评价和可接受的代替物的开发，是重要的研究课题。
看来很清楚，化学家、地质学家和环境工程师，必须在日益增加的人类活动中，解决水和废物处理方面的许多问题，以保护我们的水资源。