“水環境化學”課程發展及其面臨的機遇和挑戰

趙華榮，代俊峰，郭純青

(桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西桂林541004)

隨著學科之間的相互滲透，水環境化學課程在很多專業都相繼開設，盡管有很多專業并不直接將課程命名為水環境化學，但其內容主要來源于水環境化學。水環境化學所涉及的內容十分廣泛，水是地球上十分重要的物質之一，也是最重要的溶劑，地球上的各種物理、化學和生物等過程均離不開水的作用。水環境化學屬于應用化學范疇，主要是將物理化學的基本原理應用于研究天然水體系［1］。

隨著社會和經濟的發展，科學技術的進步，近年來水環境化學的研究也面臨著新問題，一些新研究內容開始顯現。高等學校在進行水環境化學課程的教學過程中應適時增加相關的內容。

一 水環境化學的產生

對于天然水化學的研究，至少有百余年歷史。對水環境化學的產生有重要影響的學科至少有:湖泊沼澤學、地球化學、工程衛生學和環境工程學等4門學科。

在19世紀，人們開始關注湖泊和其它淡水水體的化學成份。許多學者研究了湖泊等水體的化學組成，如水中的溶解氣體，營養物質，主要和次要離子和水中的有機物等。早在1911年Birge，Juday及其合作者研究了威斯康星湖泊中的溶解氣體［2］。1957年Hutchinson發表了湖沼學方面的專著，綜述了20世紀上半葉全世界范圍內對湖泊水化學方面的研究。對海水化學成份的研究最早可追溯到1670年Robert Boyle利用硝酸銀檢測海水的鹽度［3］。

地球化學專家對水環境化學也十分感興趣。1911年美國地質調查局的報告對堪薩斯州地表水和地下水的成份組成進行了報告［4］。前蘇聯科學院院士維爾納斯基在1927年對水文地球化學的主要研究內容進行了較詳細闡述［5］。

水環境化學在衛生工程學和環境工程學中占有十分重要的地位。飲用水的處理過程需要水環境化學知識為基礎。

二 水環境化學的發展

水環境化學所關心的并不是水自身的特性，而是水中所存在的物質以及水作為一種溶劑會對水中的物質和反應過程產生的影響。水環境化學主要關注水溫在0～40℃、pH在5～9的水體［3］。水環境化學自產生以來其研究內容不斷地發展著。推動水環境化學發展的因素主要有:水污染的加劇;科學技術和研究方法的發展以及新的研究領域融合到水環境化學的研究中來［3］。

水污染問題決定了水環境化學的研究方向。在20世紀60到70年代，主要研究水體富營養化問題;20世紀70年代中期到90年代早期，主要研究酸雨問題;20世紀80年代晚期到現在，汞的遷移及其生物地球化學過程一直是研究的熱點。自水體中有毒有機氯化物發現以來，有機污染逐漸成為研究的熱點。20世紀60年代到70年代主要研究水體中各種殺蟲劑的污染問題;20世紀70年代到90年代的研究重點為多氯聯苯(PCBs)和多環芳烴(PAHs)

科學技術的發展促進了水環境化學的發展。20世紀60年代，人類還只能檢測水體中的大量元素，主要采用滴定法和比色法等方法。隨著技術的發展檢測水平由20世紀60年代的μg/L水平發展到現在的ng/L水平。各種先進的檢測手段發展起來，如 ICP-ES，ICP-MS，GCIRMS，LC-MS，FT-ICR-MS，EXAFS，XANES 等。隨著計算機技術的發展，對水環境化學的發展也起到了推動作用。自20世紀70年代Morel和Morgan開發出REDEQL計算軟件以來［6］，各種化學計算軟件包陸續開發出來。目前主要的化學軟件包有:MINEQL+，MINTEQ，PHREEQC，WHAM，FITEQL，Acuchem，GCSOLAR，ChembioDraw，Gaussian and Jagur，SPARC 等。

新的發現可以開啟水環境化學新的研究領域。如20世紀70年代水體中單線體氧的發現，從而使水中的光化學反應研究逐漸發展起來。水體中的金屬元素能被一些氫氧化物吸附的發現，從而開始了水環境中表面絡合的研究。自從《寂靜的春天》一書出版以來，對于水環境中的有機污染更開始受到關注，并逐漸成為研究的熱點［3］。

三 水環境化學的主要教材

水環境化學形成獨立的一門學科之前，沒有一本完整的教材。大多數內容都是借鑒其他學科的理論，如物理化學、分析化學等。隨著研究的深入，陸續有相關的教材出版。

在國外，最經典的水環境化學教材是Stumm和Morgan于1970年編寫的《Aquatic Chemistry》。到1996年該書出版了3版，內容上更加完善和通俗易懂，并成為水環境化學方面的權威教材。在近30年還有一些與《Aquatic Chemistry》類似的著作如:Snoeyink和 Jenkins編寫的《Water Chemistry》;Pankow 編寫的《Aquatic Chemistry Concepts》;Morel和Hering編寫的《Principle and Applications of Aquatic Chemistry》;Benjamin編寫的《Water Chemistry》;Jensen編寫的《Problem-Solving Approach to Aquatic Chemistry》以及Brezonik和 Aronold編寫的《Water Chemistry.An Introduction to the Chemistry of Nature and Engineered Aquatic Systems》。與水文地球化學相關的專著有Drever編寫的《Geochemistry of Nature Water》，Langmuir編寫的《Aqueous Environmental Geochemistry》。將水環境化學內容與實際工程應用相結合的著作有Sawyer等編寫的《Chemistry for Environmental Engineering and Science》;Essington編寫的《Soil and Water Chemistry:An integrative Approach》以及 Weiner編寫的《Applications of Environmental Aquatic Chemistry:A Practical Guide》。與有機物污染有關的水環境化學專著有:Schwarzenbach等編寫的《Environmental Organic Chemistry》;Larson和 Weber編寫的《Reaction Mechanisms in Environmental Organic Chemistry》;Tinsley編寫的《Chemical Concepts in Pollution Behavior》以及 Thibodeux編寫的《Environmental Chemodynamics:Movement of Chemical in Air，Water and Soil》。

國內水環境化學方面的教材主要有:陳靜生編寫的《水環境化學》［7］，湯鴻宵等人根據《Aquatic Chemistry》第二版翻譯的《水化學》，戴樹桂編寫的《環境化學》;錢會主編的《水文地球化學》和吳吉春等編寫的《水環境化學》。總體而言，國內的水環境化學方面的教材滯后于國外的教材，國內教材的內容大多取材于國外的教材。

四 水環境化學面臨的機遇和挑戰

隨著社會和經濟的發展，水污染問題越來越突出。為了解水環境問題，水環境化學將在水污染控制和治理過程中發揮重要作用，水環境化學將迎來快速發展時期。另外水污染問題多種多樣，有許多新污染問題出現，單純依靠以前的理論體系很難解決新的污染問題。比如，近年來納米技術在工程中的大量應用，納米材料的水污染問題開始為人們所關注。納米材料在水環境中的遷移、轉化、歸趨及納米材料的生物毒性等問題逐漸成為水環境化學研究的前沿課題。水環境化學在充分利用和借鑒相關學科的研究成果的基礎上，必須在研究方法、研究理論等方面要有新的發展和突破，逐步形成自己的理論體系。

［1］斯塔姆，摩 根.水化學［M］.湯鴻霄，等譯.北京:科學出版社，1987.

［2］Birge E A，Juday C.The inland lakes of Wisconsin.The dissolved gases and their biological significance［J］.Bull.Wis.Geol.Nat.Hist.Surv，1911，22:259.

［3］Brezonik P L，Arnold W A.Water Chemistry:Fifty Years of Change and Progress［J］.Environmental Science ＆Technology，2012，46(11):5650-5657.

［4］Parker H N.Quality of the water supplies of Kansas:US Geol.Survey［J］.Water-Supply Paper，1911，273:1-375.

［5］錢 會，馬致遠.水文地球化學［M］.北京:地質出版社，2005.

［6］Morel F，Morgan J.Numerical method for computing equilibriums in aqueous chemical systems［J］.Environmental Science＆ Technology，1972，6(1):58-67.

［7］閆志為.《水環境化學》課程建設淺談［J］.水利科技與經濟，2007(1):15-16.