最新化学与水-变化中的世界面临的挑战与优秀名师资料.docx
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1、第6届化学科学与社会研讨会(CS3) 白皮书化学与水:变化中的世界面临的挑战与解决方案莱比锡2015年9月中国化学会译目 录关于化学科学与社会研讨会(CS3) 执行总结 介绍第一章 水资源、人类健康和环境 1 现状 2面临的挑战 3 为什么需要化学的帮助第二章 污染物检测 1 现状 2 面临的挑战 3 为什么需要化学的帮助第三章 资源回收 1现状 2面临的挑战 3为什么需要化学的帮助第四章 水处理与废水处理 1现状 2面临的挑战 3为什么需要化学的帮助 展望 参考文献 2015 CS3与会人员1 2 6 9 9 10 11 13 13 13 14 17 17 18 19 22 22 22 24
2、 27 28 29关于化学科学与社会研讨会(CS3)化学科学与社会研讨会 (Chemical Sciences and Society Summit, CS3) 将世界各地化学领域里最顶尖的人才汇集在一起,以探求国际社会面临的最紧迫的健康、食品、能源、环境等问题的创新性解决方案。这一独特的活动拥有一个创新的形式,旨在为全球科学研究指明方向,并将每年由参与国轮流主办。 化学与水:变化中的世界面临的挑战与解决方案白皮书是对2015年9月14日至18日在德国莱比锡城召开的第6届CS3的成果总结。这次会议重点关注了水资源、人类健康、环境问题、污染物监测、资源再生和水处理。来自中国、德国、日本、美国和英
3、国的研究水处理的顶级化学家和工程师齐聚莱比锡城,确定了国家级乃至世界级的主要科学技术难点,以便于推动水化学领域向着最符合社会需求和可持续发展的方向进步。CS3由中国化学会、德国化学会、日本化学会、英国皇家化学会和美国化学会合办。该系列研讨会由中国国家自然科学基金(NSFC)、德意志研究联合会(DFG)、日本学术振兴会(JST)、英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)和美国国家科学基金会(NSF)提供赞助。(本白皮书由科学作家Michael Gross经过与德国化学会咨询后编译和撰写,并经2015年CS3与会人员审核。)_1执行总结面对世界人口数量持续增加、全球都市化程度更高、人们更富有、平
4、均寿命更长的现状,淡水供给成为21世纪人类遇到的最大难题之一。气候变化对水文周期造成的影响是多方面的,从灾难性干旱到大范围的洪灾都会使淡水供给问题雪上加霜。为应对这些问题,化学在水分析、水处理和水资源回收方面的技术创新将会在世界范围内水资源可持续利用和安全供给等方面做出重大贡献。在第6届CS3研讨会上,来自中国、德国、日本、英国和美国的40位专家齐聚一堂,主要商讨了下面4个关键领域的议题:(1)水、人类健康与环境;(2)污染物监测;(3)水处理;(4)资源回收。面对世界范围内资源日渐匮乏的现状,正如那句标语所说“同一个水源,同一个环境,同一个健康”,水、人类健康与环境问题在所有层面上(从局部层
5、面到全球层面)都至关重要而且相互关联。水资源的可持续利用、对自然过程中水污染降解的深入理解以及将化学处理水污染的使用降到最低限度是保卫人类健康和保护环境的先决条件。来自农业、城市和工业源的污染威胁着饮用水的安全。这种威胁不仅来自于农药残留和化工产品,还来自于生产药品和化工产品等消费性产品过程中排出的废液。纳米颗粒和微塑料更加重了对环境的人为污染。发展中国家存在的水传播性的微生物和致病菌问题非常令人担忧,世界各地都要考虑到这些潜在的威胁。气候变化、土地用途改变、世界人口增长、城镇化和人口结构变化等更加剧了以上问题。在应对严重危机和制订长期规划时,需要跨学科和跨部门(地域)的思维来迎接这些挑战。这
6、意味着化学专业知识和分析技术革新需要与医疗服务、社会学认知以及对水、人类健康和环境的协调管理措施结合起来。对微环境中污染物的自然衰减过程要有流域尺度上的深入了解,以保证自然环境的承载能力(作为一种预防原则),还要有处理层面的理解,以将其作为一种工程技术上节约能源的修复策略。在流域尺度上,由于对污染物的自然衰减过程理解不足而导致的污染物突增事件频繁发生(被称为“热点事件”和“热点时刻”)。而在水处理中,对污染物自然衰减过程的研究才刚刚起步。来自各个方面的推动因素,比如先进的创新性分析化学、生化分析中的高通量筛选技术、能帮助增进2我们对降解过程理解及设计更易降解药品的计算化学、避免使用有毒溶剂的绿
7、色化学等,在解决这些难点问题中都至关重要。所有的可持续水资源管理站都建立在污染物监测基础之上,需要以简单可靠同时又先进精细的分析方法为其根基。为了达到这个目的,必须确定相关的目标分析物,即构成威胁的污染物。分析检测应包括对已知污染物的监测和对新出现污染物的识别。一方面,分析方法要符合国际和国内规范,比如欧盟水框架指令等的要求;另一方面,我们需要积极主动地开发先进分析仪器,识别和定量化目前尚被忽视的转化产物、纳米粒子、微塑料制品等水体污染物。检测技术的发展要能跟上自然和人为过程中产生的化学物质日益多样这一形势,要专注于确保水质满足不同使用目的。所以需要包括从特异性检测到广谱检测的一整套不同的仪器
8、和方法。在整个检测过程中(从样品制备到检测结束),化学分析以及生物毒性鉴定方法的标准需要协调统一,以提高测试结果的可信度和可比性。但是,在转化产物识别以及非靶标检测方法的验证标准方面的研究还存在显著缺口,相关的标准还有待明确限定。理想的情况是,在覆盖一种化合物整个生命周期的全面分析中,在产品的开发中早已事先考虑到所生产化学品在废水中的检测需求。检测由化学品混合物造成的危害是一个重要的难点,因为目前的风险评估是将化学物质分别考虑的。可是,实际上,数以千万计化学物质,即使单个物质的浓度在检测限以下,都存在着混合效应。因此,我们不仅要弄明白各种化学物质的混合效应,更要改进检测方法以便能检测到混合效应
9、的生成物。生物分析技术,如以细胞为基础的生物鉴定方法,其可以提供测量化学物质总负担量的影响的手段,也能成为对特定物质进行化学分析的有益补充。分子水平的毒性测定(生态毒理基因组学)也能帮助筛查混合效应。高通量质谱分析法的最新进展在检测化合物混合效应包括目前未知的微污染物以及他们的转化产物方面扩大了我们的视野。这种方法可能成为一个更强大的化学综合评估的工具,用于评价处理工艺和污染控制的有效性。水分析学需要联用技术(如GC-MS, LC-MS)在朝应用于环境研究方面取得特定发展后才能将其纳入使用,比如,GC- 或 LC-IRMS对特定化合物的同位素分析可以在其他方法都不可用的时候(比如在流域尺度或者
10、非常复杂的工程系统里),通过测定同位素比率来作为污染物转化的证据。与此形成鲜明对比3的是,不需要专业人员操作的常规测试的发展则要朝着速度更快、成本更低、检测方法和设备更方便的方向优先发展。水分析数据需要更好的数据库和更加整合的数据管理,比如,实现分析数据共享和计算机分析,以使化合物的鉴定更加快速。但是,这种共享的跨国实施也是一个重大的挑战。20世纪的后50年,工业化国家的水处理技术在应对日渐增长的废水量和提升水质方面非常成功。为解决21世纪的技术难点,为安全有保障的提供各种类型的用水,水处理研究和开发需要在基础层面(如新颖的膜类、特殊的生物材料、吸附剂、催化剂)、中间层面(如技术转移、技术放大
11、)和设备层面(如集成过程、能源回收等)同时展开。研究范围既应包含设计先进的水处理系统来处理复杂的废水流,也应包含研制更简单、成本更低的水处理系统保证发展中国家的用水安全。未来的涉水基础设施需要灵活适应当地需求和周围环境的快速变化。比如,人口规模增大和减小都会对现有的涉水基础设施产生影响。对介于公共设施和产业界之间的新的水处理工程技术的资金支持也是一个必须解决的难点问题。像中国这样快速增长的经济体本来可以采用新技术建立未来水资源管理系统,但是,一些守旧的工厂依然倾向于采用发达国家广泛使用的非常成熟的废水收集、废水处理和处置策略。这种保守的做法表明新技术和管理方法的革新并非一番风顺,而那些新技术往
12、往才是新问题出现时更合适的解决方案。需要建立可以在各个层面上测试新技术的试点性和示范性设施。风险累加标准也要确定,这样才能根据潜在的不利影响(例如,减少毒性)来鉴定水质。这需要齐头并进地发展上面所述的有效分析方法。废水处理和管控正在从保护人类健康和环境的必需向宝贵自然资源的回收过渡。已经和可能从城市污水中回收的自然资源包括能源(从碳、氮和热能)、一系列金属(比如金、锂)、营养元素(比如磷酸盐、氮)、其他盐类和化学品,除此以外,更重要的就是纯净的水。专注这些机遇有助于刺激更先进的水处理技术的出现和吸引更多水处理方面的投资。需要在基础研究以及将研究成果付诸实施的过程中对资源回收再利用这一理念有全方
13、位的执行与支持,才有可能实现将废水处理从视作负担到当成一种可开采宝藏的机遇的转变。虽然许多领域进展显著,CS3与会者确定了一系列需要着重研究发展的特定技术和能力,如:从废水中生产、提取能源的技术;对资源回收设施所用原4材料成分组成和变化进行表征和监测的新化学方法;对能量产额进行预估以及可当作原材料的潜力的判定方法。此外,进一步开发可高效回收和再利用(而不是仅仅从水体中去除)营养物质和金属的技术尤为重要。为达到足以维持人类与环境健康发展的可持续水资源供给这一总体目标,水检测、水处理和资源再生等问题必须和工业、农业和生活污染源以及再生资源的下游使用等同时考虑,协调解决。本白皮书中选择性地呈现了一些
14、成功案例。但是,如何将这些成功案例传播到世界各地,使世界人民都能高效可持续地利用水资源,需要长期战略性的国际合作,这也依赖于以工程学和化学为首的所有相关学科的基础工作。5介 绍水是地球生命起源的重要先决条件。人类和地球上其他物种一样都需要洁净的水源来维持生命。虽然海洋覆盖了地球表面的71%,但是蓄水层、湖泊、河流、冰川中的淡水资源仅占到地球总水量的3%。形象的说,假如地球上所有的水变成一个巨大的球形水滴,它的直径为1,391公里(864英里),而所有的淡水组成的水滴直径只有不到203公里(127英里)1。庆幸的是,淡水是一种可再生资源,因为水循环可生成淡水。但是,水循环生成的淡水并不总是能在人
15、类需要的时间送到指定地方,适用的淡水在世界上很多地方都非常稀缺。工业革命之后世界人口指数式增长,现在这个数字已经达到了这个星球的资源能够承载的极限2。很多地方,水成为制约社会和经济体发展到更高程度的核心资源。随着工业化进程和人们生活水平提高,世界范围内对淡水资源的需求量也不断增加。虽然在绝大多数的发达国家人均用水量未增加甚至出现下降,发展中国家的人口增长和城市化进程并未因当地有限的可利用水资源和涉水基础设施而有所减缓。因此,相关问题并非全球性的,而是具有区域性。本世纪内,这一趋势还会持续,并且预计会导致更加广泛的缺水问题。额外的挑战来自于污染。20世纪中叶,污染导致很多淡水河道不再符合人畜使用
16、的要求。从此,废水处理工厂开始兴起,一些过去被用作城市和工业排污通道的河流(像德国的莱茵河、埃姆舍河)开始进行复原工作,污染情况在最近几十年有了改善。可是在全球范围内,这种改善并不明显。雪上加霜的是,具有生物活性的化学品、对抗菌剂产生耐药性的微生物、微塑料等化学制品或材料都会带来新的污染。气候变化已经在全球很多地方影响了水循环系统。比如,最近发生在加利福尼亚州、澳洲和中国部分地区的重度干旱就是缺水的例子中的三个典型。这些或许只是初演,可能很快会蔓延到更多的地区。在另外一些地方,会发生相反的问题,比如海洋温度升高会增加强风暴的出现频率,导致类似2015年秋季发生在法国南部的洪灾。在这些案例中,现
17、有的涉水基础设施可能无法应对这些不可预测的水资源可利用量的突然变化。人类活动也会导致极端厄尔尼诺现象出现,当前的厄尔尼诺现象已经媲美1997至1998年间记录在案的强度。这种反常气候会影响世界范围内的降水模式。印度尼西亚已经遭遇了严重干旱和丛林大火。干燥的气候条件已经影响了6印度、越南、澳洲、南非以及智利的局部地区。特别是南亚地区的粮食减产有可能导致像1990年发生在东非的萨赫勒地区干旱那样的人道主义危机3。为了保护自己的水资源,各族群常起冲突,这也会对自然生态系统造成重大损失。比如,美索不达米亚平原的幼发拉底河和底格里斯河流经好几个国家,土耳其考虑建设的大坝会威胁到下游伊拉克人民的用水安全,
18、这甚至高于该地区主要的政治和军事冲突带来的威胁。未来十年的一个重要难点就是在气候变化、地区族冲突和对地球系统的其他人为破坏等的不断干扰的形势下,为日益增加的人口提供越来越多的淡水。第二个难点是想办法通过减轻并治理污染和盐碱化,确保淡水供应的质量。第三个难点是从以前使用过的水体(包括闭合和半闭合的水循环)中提取能源和有价值的化学产品,提供满足不同用途的、社会可接受和经济可行的淡水来源。城市涉水基础设施应该被设计或改造成连接有水处理设施、自然水源和可靠供给机制的可持续发展的水循环系统,使其能够支持解决上述难点。来源:德鲁维斯等47化学可为处理和缓解这些问题提供很大帮助:通过研究新方法对含盐水和海水
19、进行脱盐作用,通过先进的纯化技术对废水提纯,可在保障淡水数量、淡水质量和水资源再利用方面提供全新的或改进的解决方案;发展先进的分析和检测水中污染物的手段,达到满足保护人类健康和环境的需求的水平;提供新的物化、生化工艺过程,改善和提供可持续的循环使用水;发展可从废水中提取能源和有价值化学品的化工产品和工艺。与20世纪的形势相比,化学在解决水资源问题中扮演的角色更加重要,水资源问题越来越需要以化学为支撑的多学科解决方案。废水处理就是一个典型,过去普遍使用生物学方法,然而,在当前设计的废水处理设备中,愈加需要以化学为基础的废水处理方法来进行产品回收。通过这些方式,化学有助于保障安全的清洁水供应,保护
20、水资源安全。所谓“水资源安全”联合国的定义是,“一个族群获取维持生计、保证人民福祉和社会经济发展所需的足够数量和合格质量水的能力,保护人民免受水源污染和与水相关的灾害发生的能力,维持生态平衡使社会处于和平与稳定的氛围中的能力” (UN-Water, 2013) 5。2015年9月在德国莱比锡城召开了第6届CS3研讨会,与会者主要在以下4个方面探讨了上述问题:1)水、人类健康和环境2)污染物监测3)水处理和废水处理技术4)资源回收本白皮书对该研讨会的讨论内容作了总结,并记录下对可持续水资源管理具有指导意义的调查研究和政策改进方面的推荐举措。8第一章 水、人类健康和环境水、环境安全和人类健康密不可
21、分。无论是区域问题还是全球问题,对水资源和环境安全的保护都至关重要。在全球资源越来越稀缺的情况下,标语“同一个水源,同一个环境,同一个健康”形象地捕捉到了这种相互依存关系。本次研讨会想要表达的观点就是如何完美地、可持续地利用水资源,如何保卫人类健康和环境安全。我们需要对污染物衰减的自然过程有更深入的理解,才能更合理的使用化学物质和化工处理方法。1 现状目前,40%的世界人口处于水资源短缺状况。1/5的人类生活在物理性缺水(physical water scarcity)的地区,即,缺乏充足淡水资源的地区;另有1/4的人类处于经济性缺水(economic water shortages)地区,即
22、,缺乏水利基础设施将可获取的水资源进行充分利用的国家或地区。气候变化和森林滥伐会对本来不易干旱的地区的自然水源供应造成威胁。现在,不同寻常的干旱正影响着加利福尼亚州,据传,干旱也是导致叙利亚当前的冲突的原因之一。水供给缺乏、清洁卫生不达标会对人类健康和幸福指数产生负面影响,并且会导致财政消耗很大,经济活动受损严重。在2014年,有7亿多人口喝不到安全的饮用水。根据世界卫生组织(2015年)的数据,估计每年有50万人因为饮用了受污染水而感染腹泻死亡。因为人为改变河道、水体污染和过度使用,导致自然生态系统也经受可用水的数量和质量下降的困扰。整个湖泊都已经干涸,野生动植物失去了栖息地,生态系统功能正
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