烃

碳氢化合物的统称

烃(hydrocarbon),是分子中只有C、H两种元素的碳氢化合物,是烃类化合物的简称。 烃包括 烷烃 、 脂环烃 、 烯烃 、 炔烃 、 芳香烃 等。 当分子中的氢 原子 被其他原子或 基团 取代后,即得到一系列烃的 衍生物 。 烃是最简单的 有机化合物 ,可以看成是其他有机化合物的母体,其他有机化合物可以看做是烃的衍生物。

在各类烃的 同系物 中,随着 碳 数的增加, 物理性质 呈现规律性的变化,分子的异构化也对物理性质产生影响。 烃类都是无色物质, 随着碳原子的增多,烃类呈现气体、液体或固体状态。 大部分的烃类密度小于1,个别多环芳烃的密度大于1。 烯烃、 环烷烃 、 单环芳烃 具有特殊气味。 各类烃不溶于水或难溶于水,易溶于有机 溶剂 。

各类烃的 化学性质 取决于其 分子结构 ,一般都可以进行 取代反应 、氧化反应, 烷烃 可发生裂解反应, 烯烃 和 炔烃 可发生聚合反应。

烃类是重要的 化工原料 ,也用于燃料、溶剂、 润滑剂 等。 有些烃类具有生物毒性,甚至致癌,接触时需要注意防护。 烃类会对土壤、大气、海洋造成污染。 生物修复 技术是当今去除烃类污染的主要途径。

分类

烃的种类很多,根据烃分子中碳架连接方式的不同,可以把烃分成开链烃与碳 环烃 两大类。开链烃是指分子中的 碳 相连成链状而形成的化合物,也叫做 脂肪烃 (aliphatic hydrocarbon)。根据分子中碳原子的饱和与否,又可分为 烷烃 (saturated hydrocarbon)和 不饱和烃 (unsaturated hydrocarbon)。饱和烃包括 烃 ,不饱和烃包括 烯烃 、 炔烃 、 二烯烃 等,其中 二烯烃 又分为 累积二烯烃 、 共轭二烯烃 和孤立二烯烃。 碳环 烃是指分子中具有碳原子连接而成的环状结构。碳环烃又分为 脂环烃 (alicyclic hydrocarbon)和 芳香烃 (aromatic hydrocarbon)两大类。脂环烃分为饱和脂环烃和不饱和脂环烃, 芳香烃 分为 单环 芳香烃、多环芳香烃和非苯芳香烃。具体的分类如下:

烷烃

烷烃,即在开链烃分子中, 碳 的四个价键除了以 单键 相互连接外,其余的价键完全为 氢原子 所饱和的烃, 烷烃 通式为C n H 2n+2 。 烷烃 的碳原子都是sp 3 杂化的碳原子,分子中只有σ 键。最简单的烷烃是 甲烷 ,它是天然气和 沼气 的主要成分。 除此之外,还有 乙烷 、 丙烷 、 十一烷 等。

环烷烃

环烷烃 ,即将链形烷烃两头的两个碳原子各用一价相互连接,环烷烃通式为C n H 2n 。

环烷烃,可分为 单环 烷烃和多环烷烃。单环 烷烃 按环的大小可分为小环(C 3 ~C 4 )、 普通环 (C 5 ~C 7 )、中环(C 8 ~C 11 )、 大环 (C 12 以上)。多环烷烃按分子内两个碳环共用的 碳原子 数目可分为 螺环烃 (两个碳环共用一个 碳原子 )、 桥环烃 (两个碳环共用两个或两个以上碳原子)。

环的稳定性与环的大小有关。三碳环最不稳定,四碳环比三碳稳定,五碳环较稳定,六碳及六碳以上的环都较稳定。例如 环丙烷(过程稿) 、 环丁烷 等。

烯烃

烯烃是指含有碳-碳双键(C=C)(烯键)的碳氢化合物,属于 不饱和烃 ,其通式为C n H 2n 。

根据分子中 双键 的数目可分为单烯烃(分子中含有1个碳碳双键)、二烯烃(分子中含有2个碳碳双键)、多烯烃(分子中含有3个或3个以上碳碳双键)。

根据分子中碳架结构不同可以分为开链烯烃(分子以链状连接的烯烃)、 环烯 (分子以环状连接的烯烃)。 例如 乙烯 、2-丁烯、4- 乙基 环己烯 等。

烯烃的 官能团 是碳碳双键,形成碳碳双键的 碳 为sp 2 杂化。3个sp 2 杂化轨道 可以形成3个σ键,在同一平面上,彼此之间的键角为120°,还有一个未参与杂化的p轨道,垂直于3个σ键所在的平面。p轨道与p轨道之间“肩并肩”侧面 重叠 形成π键。

烯烃 ,即分子中含有两个碳碳 双键 的烯烃,其通式为C n H 2n-2 (n≥3)。 其中,根据两个碳碳双键的相对位置可以把二烯烃分为三类: 累积二烯烃 (两个双键直接相连)、 共轭二烯烃 (两个双键被一个 单键 隔开)、隔离二烯烃(两个双键被两个或两个以上的单键隔开)。 累积二烯烃数量少且不稳定;隔离 二烯烃 的性质基本与单烯烃相似;共轭二烯烃具有特殊的结构和性质,在理论研究和生产上都具有重要价值。 例如 丙二烯 、1,3- 丁二烯 等。

炔烃

炔烃 ,即含碳碳三键的 不饱和烃 ,其通式为C n H 2n-2 。 例如 乙炔 、 丙炔 、 2-戊炔 等。

炔烃分子的 官能团 是碳碳三键,形成三键的 碳 以一个2s 原子轨道 与一个2p原子轨道发生杂化形成两个sp 杂化轨道 ,还有两个2p轨道未参加杂化。sp杂化轨道的形状与sp 2 相似。两个sp杂化轨道分布在一条直线上,轨道夹角为180°,未参与杂化的两个2p轨道都垂直于两个sp杂化轨道所构成的直线,见下图。

芳香烃

芳香烃,简称芳烃,一般是指分子中含 苯环 结构的碳氢化合物。少数非苯芳烃虽然不含苯环,但具有与苯环相似的环状结构和 化学性质 。一般将芳烃分为苯系芳烃和非苯系芳烃两大类。 芳香烃 分子式 不固定,其中苯及其 同系物 通式为:C n H 2n-6 。 例如苯、甲苯等。

现代物理方法(如X射线法、光谱法等)证明了苯分子是一个平面正六边形构型,键角都是120°,碳碳键的键长都是0.1397 nm。苯分子中六个 碳 都以sp 2 杂化轨道 互相沿对称轴的方向 重叠 形成六个C—C σ键,组成一个正六边形。每个碳原子各以一个sp 2 杂化轨道分别与氢原子1s轨道沿对称轴方向重叠形成六个C—H σ键,所有碳原子和氢原子都在同一平面上。每个碳原子还有一个垂直于平面的p轨道,每个p轨道上有一个p 电子 ,6个p轨道组成了大π键,见下图。

用途

化工原料

甲烷 是重要的 化工原料 。 乙烷 主要用来生产 乙烯 和 氯乙烯 。 丙烷 主要用来生产乙烯和 丙烯 。 丁烷 用来生产乙烯、丙烯、 丁二烯 、 异丁烷 、 马来酸酐 和 冰醋 等。异丁烷用作生产 2-甲基丙烯 、 甲基丙烯酸 等。 己烷 用作生产苯。含6个 碳 以上的 直链烷烃 主要用作化工原料。 凡士林 ( 凡士林 )是从石油 分馏 得到的高级 烷烃 混合物 ,碳原子数多在17~21,用作药品和 化妆品原料 。 石蜡 ( paraffin )又称晶形蜡,是碳原子数18~30的烷烃混合物,粗石蜡含油量较高,主要用于制造 火柴 、 密度板 、篷帆布等。 全精炼石蜡 和 半精炼石蜡 主要用于食品、药物等,大量用于生产蜡纸、蜡笔、 蜡烛 、复写纸等和包装材料,用于水果保鲜, 电器元件 绝缘,提高橡胶抗老化和增加柔韧性等,也用于 合成脂肪酸 。 环己烷 可氧化生成 环己醇 和 环己酮 混合物, 环十二烷 也可以氧化 环十二酮 ,环己 与环十二酮都是 合成纤维 聚酰胺 ( 尼龙 )的重要原料。

烯烃 是 有机合成 中的重要基础原料,用于生产各种 化工原料 与产品,生产 聚烯烃 与 合成橡胶 、塑料等 高分子材料 。许多 环烯 可用作香料。 乙烯 是合成纤维、合成橡胶、 合成塑料 ( 聚乙烯 及 聚氯乙稀 )、合成 乙醇 ( 酒精 )的基本化工原料,也用于制造氯乙烯、 苯乙烯 、 环氧乙烷 、 食用醋酸 、 乙醛 、乙醇和炸药等,乙烯工业在 国民经济 中占有重要的地位。 丙烯 是 三大合成材料 的基本原料,主要用于生产 聚丙烯 、 丙烯腈 、 2-丙醇 、 丙酮 、 丙烯酸 及其 类、 环氧丙烷 、 环氧氯丙烷 和 丙三醇 等。 丁烯 为重要的基础化工原料之一。 3-氯-1-丁烯 主要用于生产 丁二烯 、 甲基乙基甲酮 、 仲丁醇 、 环氧丁烷 及丁烯聚合物和 共聚物 等。 2-甲基丙烯 主要用于制造 丁基橡胶 、 聚异丁烯 橡胶及各种塑料。苯乙烯主要用于生产 丁苯橡胶 、 PS塑料 、泡沫聚苯乙烯等;也用于制造多种 硬塑料 ,如与丙烯 、丁二烯共聚制得 ABS树脂 ,广泛用于各种 家用电器 及工业上;与 丙烯腈 共聚制得的 苯乙烯-丙烯腈共聚物 没药树 ;与丁二烯共聚所制得的 SBS 是一种 热塑性弹性体 ,广泛用作 聚氯乙稀 、 聚丙烯 的 改性剂 等;也用于生产 阴离子交换树脂 以及制药、 染料 、农药等。 丁二烯 是重要的基础化工原料,用于生产合成丁苯橡胶、 顺丁橡胶 、 丁腈橡胶 、 氯丁橡胶 的主要原料,也是生产丁二烯共聚树脂如ABS树脂、 SBS 树脂、BS树脂、 MBS 树脂和1,4- 1,4-丁二醇 ( 硬塑料 )、 己二腈 ( 聚己二酰己二胺 单体 )、环丁矾、 四氢呋喃 等的原料。丁二烯在 精细化学品 生产中也有重要用途。 2-甲基-1,3-丁二烯 主要用于生产顺- 聚异戊二烯 橡胶 。 环戊二烯 可生成 茂金属 化合物,用作 有机合成 中间体。直链α- 烯烃 (LAO)用于生产多种精细化学品和功能 化学 品,如 洗洁精 、 乳化剂 、 塑化剂 ,润滑油添加剂、 防锈剂 、皮革处理剂、织物整理剂等。C 6 ~C 10 的 α-烯烃 可用来制造 增塑剂 ,C 12 ~C 14 及C 16 ~C 18 的α-烯烃用作生产洗涤剂的原料。C 8 ( 二异丁烯 )用于生产辛基酚,是生产 子午线轮胎 所必须的助剂。C 9 ~C 10 用于制造 增塑剂 邻苯二甲酸二异壬酯 ( DINP )和 邻苯二甲酸二异癸酯 (DIDP)。大于C 18 的α- 烯烃 直接用于 润滑剂 和钻井液。C 12 ~C 16 用于生产洗涤剂,C 14 ~C 18 用于生产α-烯烃 磺酸钠 (sodiumalpha-olefin 磺酸盐 ,简称AOS)。

乙炔 是重要的基础 化工原料 ,可生产 乙醛 、 冰醋 等众多化工原料与产品。

苯、 甲苯 、 二甲苯 是重要的基本化工原料。 乙苯 用作生产 苯乙酮 、 苯乙烯 。 异丙苯 用作生产 苯酚 与 丙酮 等。苯乙烯用作生产 聚苯乙烯 等。 邻二甲苯 主要用于生产 邻苯二甲酸酐 ,用于合成涂料、 染料 、药物、杀虫剂等。 间二甲苯 主要用作医药、香料和染料合成基本原料,生产 间甲基苯甲酸 、 间苯二甲酸 间苯二甲腈 等。 p-二甲苯污染源 主要用于生产 对苯二甲酸 [对苯二甲酸是生产 聚对苯二甲酸乙二醇酯 ( PET ), 聚对苯二甲酸丁二酯 等 聚酯 的 单体 原料。 聚酯树脂 是生产 涤纶纤维 、聚酯薄片等的原材料,也用作涂料、染料和农药等的原料]。PX项目就是对二甲苯石油化工项目,是大型综合石油化工生产工程。

此外,天然气、 液化石油气 、 石脑油 、 松节油 、 煤焦油 也是重要的 化工原料 。

燃料

甲烷 是重要的燃料。 丙烷 是液化石油气的组分。 丁烷 主要用作 烃化剂 与 2-甲基丙烯 、 丙烯 等生产高 辛烷值 汽油。 正戊烷 异构化为 异戊烷 ,异戊烷用于掺在高辛烷值汽油中或生产 2-甲基-1,3-丁二烯 。含6个 碳 以上的 直链烷烃 可用作燃料。 邻二甲苯 也用作 燃油宝 。 煤油 和重燃油也被用作燃料。

溶剂

戊烷、 己烷 可用作溶剂。 石油醚 (petroleum ether)主要为5~7个碳的 烷烃 混合物 ,主要含戊烷和 己烷 ,主要用作非极性有机溶剂,工业上用于油脂提取与处理。 苯、 甲苯 、 二甲苯 是常用的溶剂。 汽油和煤油也常被用作溶剂和清洗剂, 松节水 用作涂料稀释剂, 香蕉水 和 松香水 用作涂料稀释剂、 油漆稀释剂 、清洗剂。

润滑剂

含6个 碳 以上的 直链烷烃 主要用作润滑剂。 凡士林 ( 凡士林 )也用作润滑剂、防腐(润滑)油。

其他

催熟激素 可用作水果和蔬菜的催熟剂。 丁烷 可用作新型 制冷剂 。 煤油 还用来照明。

命名

烃的命名方法有三种:普通或习惯命名(trivial name )法、 衍生物 命名法和系统命名法[ IUPAC命名法 ,国际理论与 应用化学 联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry,简称IUPAC)]。 烷烃 的命名是基础,其他各类烃的命名有相似的地方,也有特殊之处。

烷烃

普通或习惯命名法

通常将烷烃泛称为“某烷”,其中“某”对应烷烃中碳原子的数目:十个碳原子以内的用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示,自十一烷开始用 中文数字 表示。用正、异、新表示异构体,直链的为正(normal, n ),末端有两个 甲基 即含 异丙基 结构单元的为异(iso, i ),含有季碳的称为新( neo )。

例如:下图分别为 碳四 、 丁烷 和新 正戊烷 。

衍生物命名法

通常以 甲烷 或 乙烷 为母体命名,例如下图为 六甲基乙烷 。

系统命名法

这是 中国化学会 根据IUPAC的命名原则结合我国文字特点制定的命名规则。

基本原则:

(1)选主链定母体:选较长或最长、 取代基 较多或最多的碳链作为主碳链,以此作为母体并称“某烷”。

(2)定位编号:遵照最低系列原则从主碳链一端编号,即取代基有较低或最低的位次,支链作为取代基定位。

(3)取代基的命名

取代基同类合并,注意连接与分隔等,用汉字一、二、三等数字表示相同取代基的数目,用阿拉伯数字表示取代基的位置,阿拉伯数字由小到大排列,并用逗号隔开;取代基位次取较低或最低;若含有几个不同的取代基时,小的取代基名称写在前面,大的写在后面(烷基的大小顺序是:甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、异戊基、异丁基、异丙基),遵循先简后繁的原则。

(4)名称:位次+取代基名+母体名。

例如下图分别为4- 乙基 辛烷、2-甲基-3-乙基 己烷 、3-甲基-6-乙基辛烷、2,7,8-三甲基癸烷(而非3,4,9-三甲基癸烷)。

环烷烃

环 烷烃 命名的基本原则:根据环的大小(元数)——组成环的 碳 个数定为 烷烃 的大小,名称前加环字即可。环上的分支作为 取代基 放在母体前。若有多个取代基,遵照最低系列原则定位并依次放在母体前。 例如下图分别为 环丙烷(过程稿) 、 甲基环戊烷 、1-甲基-4- 异丙基环己烷 、1-甲基-3- 乙基环己烷 。

环上若有两个取代基,则存在着 顺反异构 ,命名应有明确表达。 例如下图分别为顺-1,3-二甲基环戊烷和反-1,3-二甲基环戊烷。

二环 或多环根据共用 原子 的情况可分为 螺环 、稠环与桥环,见下图。桥环的编号从桥头原子开始,环先大后小,取代基有较低的位次。环的结构放在中括号内,所有的桥组成由大到小排列,按参与成环的总 碳 称“二环[a.b.c]某烷”,例如下图2- 甲基 二环[2.2.1]庚烷。稠环是一种特殊的桥环,环的结构最后一项是零,例如下图8-甲基二环[4.3.0]壬烷。螺环的编号从螺原子的邻位开始,环先小后大, 取代基 有较低的位次,按螺环所含碳原子总数称“螺[a.b]某烷”,例如下图4-甲基螺[2.4]庚烷。

烯烃、炔烃

烯烃:需要增加构型及其位次, 顺反异构 的构型用顺/反或Z/E表示,例如下图分别为(E)-3- 甲基- 3- 庚烯 和(Z)-3-甲基-3-庚烯。

烯炔 :选同时含 双键 与三键的较(最)长的碳链为主链。若有选择,给双键以较低的位次,例如下图分别为4- 乙烯基 4- 庚烯 -2-炔和1,4-庚 二烯 6-炔。

多烯炔:若有可能,选含双键较(最)多的碳链为主链,例如下图为5- 乙炔基 1,3,6-庚三烯。

芳香烃

两个 取代基 ,有三种异构体即邻(ortho)、间(meta)、对(para),例如下图分别为 邻二甲苯 、 间二甲苯 、 p-二甲苯污染源 。

三个相同取代基有三种异构体:连、偏、均,例如下图分别为 连三甲苯 、 偏三甲苯 、 均三甲苯 。

多苯代脂烃命名,一般把 苯基 作为取代基, 脂肪烃 作为母体,例如下图分别为 三苯甲烷 和(E)-1,2-二苯基乙烯。

两个 苯环 稠合构成萘,三个苯环稠合产生蒽与菲等,见下图。

理化性质

物理性质

在各类烃的 同系物 中,随着 碳 数的增加,物理性质呈现规律性的变化,分子的异构化也对物理性质产生影响。

烃类中含1~3 碳原子 的通常是气体,含4个碳原子的在常温下系处于气体和液体的临界线上,含5到大约16个碳原子的则是液体,含16~20个碳原子的烃类是固体。当然由于它们 分子结构 不同,而有一些 交错 。

烃类都是无色物质。 烃类中 烷烃 、 烯烃 、 炔烃 、 单环芳烃 的密度小于1,多环芳烃的密度有的大于1,有的小于1。 乙烯 、 丙烯 稍带甜味, 丁烯 在常态下为略具臭味的气体, 3-氯-1-丁烯 气味微弱, 2-甲基丙烯 则有不愉快的气味,液态烯烃有汽油的气味。 环烷烃 具有一定气味。 单环芳烃具有特殊气味。 各类烃不溶于水或难溶于水,易溶于有机 溶剂 。

各系列烃的密度、 熔点 、 沸点 随着相对分子质量的增加而增大。 分子量相同的烷烃,支链多者相对密度小,沸点随着支链的增多而降低,熔点随 分子对称性 的增加而升高。 和相应的开链 烷烃 相比,环烷烃拥有较高的熔点和沸点。 炔烃 的熔点、沸点、相对密度比 碳 数相同的 烷烃 、 烯烃 稍高。

化学性质

各类烃的化学性质取决于 分子结构 ,一般都可以进行 取代反应 、氧化反应,烷烃可发生 裂解反应 ,烯烃和炔烃可发生聚合反应。

氧化反应

烃类完全燃烧,生成 二氧化碳 和水,同时放出大量的热。

在适当条件下,烃类发生氧化反应生成各种含氧 衍生物 ,如醇、醛、酸等。

烯烃 、 炔烃 可与 高锰酸钾 、 臭氧 等发生氧化反应。

苯环 侧链的α- 氢原子 易发生氧化反应。

取代反应

烷烃 、 环烷烃 在光照或加热作用下可发生 卤代反应 。

在光照或高温的条件下,烯烃、炔烃可发生α-氢的 卤代反应 。

苯环上的氢原子在 催化剂 存在的情况下发生 卤代反应 。

苯环侧链的α-氢原子在紫外光照或高温条件下,也易发生 自由基 卤代反应。

加成反应

环烷烃、 烯烃 、 炔烃 、 芳香烃 可发生 催化 加氢、与 卤族元素 加成等加成反应。

聚合反应

在催化剂或 引发剂 的作用下,烯烃、炔烃分子可发生聚合反应,但炔烃一般不聚合成高分子化合物。

来源

烃的主要来源是石油(petroleum)和天然气( natural gas )。 石油的主要成分是各种 烷烃 、 环烷烃 和芳香烃的 混合物 ,其中,开链烷烃中有C 1 ~C 50 的各种烷烃,环烷烃以 环戊烷 、 环己烷 及其 衍生物 为主,而芳香烃含量因地区而异。 天然气的主要成分是 甲烷 (90%~95%),还有少量的 乙烷 、 丙烷 等低级 烷烃 。 石脑油 主要含有C 4 ~C 6 烷烃、环烷烃、少量 芳香烃 ,汽油主要含有C 5 ~C 12 脂肪烃 、 脂环烃 、芳香烃等, 煤油 主要含有C 10 ~C 16 脂肪烃、脂环烃、芳香烃等, 松节水 含有 β-蒎烯 、茨烯等, 香蕉水 和 松香水 主要含有 二甲苯 、 辛烷 、 正壬烷 、 均三甲苯 等,煤焦油含有苯、二甲苯、萘、蒽、 苯并芘 等,重燃油含有C 20 ~C 45 多环芳香烃等。 环烷烃 及其 衍生物 还存在于植物中。 小分子 烯烃 主要来源是石油裂解气, 环烯 则较多存在于植物中。

安全事宜

健康危害

一般烃类的毒性以 芳香烃 最大,而后按环烯烃、 环 烷烃 、 链烃 顺序依次减小。以用烃蒸气对 大麦 和 胡萝卜 进行试验, 其毒性依次为:苯> 环己烯 > 环 己烷 >己烯> 己烷 。 汽油、矿 三油酸甘油酯 、 石油醚 、轻质汽油、 石脑油 是各种烃的 混合物 ,急性中毒表现为麻醉作用,在高浓度汽油蒸气中暴露会引起 多发性末梢神经炎 ,含苯的烃混合物对 造血器官 有危害。 饱和 脂肪烃 在 生物学 方面属于惰性,分子量大于 丙烷 的气体能引起头昏,丧失神志等中枢神经症状,具有麻醉作用。 不饱和烃类具有与 烷烃 基本相同的作用,但麻醉作用比烷烃强。在 烯烃 系列中,链的长度愈长,麻醉作用愈大。 皮肤与液体 单环芳烃 长期接触时,会因脱水或脱脂而引起 皮炎 ,因此液体单环芳烃在使用时要避免与皮肤接触。单环芳烃具有一定的毒性,长期吸入其蒸气,能损坏造血器官及 神经系统 ,因此大量使用时应注意防毒。

含有4个或4个以上 苯环 的 稠环 芳香烃 多有致癌作用,被称为 致癌烃 。致癌烃的致癌作用是因为它们能与体内的 脱氧核糖核酸 结合,引起 细胞 突变,其 结构式 如下图所示。 在动物体上长期涂抹 煤焦油 ,可以引起 皮肤癌 ,煤焦油中分离出的3,4- 苯并芘 也具有致癌性的性质。现在已知的致癌物质中以6- 甲基 1,2- 苯并[a]芘 5,10-次 乙基 蒽的效力最强。 世界卫生组织 国际癌症研究机构 致癌物清单已包含数十种确定致癌物和可疑致癌物,其中1,3- 丁二烯 、苯、 苯并[a]芘 被列为1类致癌物(即对人为确定致癌物), 环戊二烯 并 [c,d]芘、二苯并[a,h]蒽、二苯并[a,l]芘被列为2A类致癌物(即对人很可能致癌,此类致癌物对人致癌性证据有限,对实验动物致癌性证据充分)。

环境影响

石油烃类物质包括 烷烃 、 芳香烃 、胶质和 沥青质 等,具有黏着力强、含碳量高、 有机化合物 种类多及难降解等特点,属于《 国家危险废物名录 》(2021年版)中的HW08类危险废物。

土壤石油烃类污染泛指 原油 和石油初加工产品(包括汽油、 煤油 、 柴油 等)及各类油的分解产物引起的土壤污染。其来源主要有原油泄漏和溢油事故,含油矿渣、污泥、垃圾的堆置,含油污水的灌溉, 空气污染 及汽车尾气的 沉降 以及含油农药的施用。土壤石油烃类污染是一类非常严重的环境问题,石油中的有毒有害烃类会改变土壤 物理化学 性质,导致土壤质量下降,影响植物生长,改变土壤微生物群落结构,对陆生动物产生严重危害,并可能通过 食物链 危害人体健康。

低 沸点 的烃类具有 挥发性 ,可通过空气流动发生转移,对大气造成污染。大气中 二氧化氮 与 碳氢化合物 在紫外光照射下,经复杂的光化学反应所产生的 光化学烟雾 ,它对人体的粘膜有强烈的刺激作用。 烯烃 在大气中生成二次污染物,其毒性显著增强,例如汽车排气中的 氮氧化物 和低碳烯烃光化学反应生成 过氧 酰基 硝酸酯 ,形成的光化学烟雾毒性就很强。

烃类也会对海洋造成污染。每年数十万吨的石油烃类物因泄漏、沿海炼油工厂污水排放、大气污染物的 沉降 等原因进入海洋中。1991年 海湾战争 期间泄漏入海的石油达150万吨,使当地生态遭受毁灭性破坏, 生态恢复 至少需要100年,而其湿地将永无再生可能。

生物修复

自20世纪90年代以来,生物修复技术是当今石油污染去除的主要途径。在 生物降解 基础上研究发展起来的生物修复可以有效提高石油降解 速率 ,最终将石油污染物转化为无毒性的终产物。

生物修复包括植物、动物和微生物修复。 植物修复 主要是通过植物的吸收、固定、挥发、超积累及根际降解等途径使土壤环境得到净化的技术。动物修复是利用土壤中动物(如蚯蚓、 线虫 等)的被动扩散和摄食作用富集去除土壤污染物的修复技术,且土壤动物也被用于土壤毒害诊断和风险评价。微生物修复是在以小时(48~72 h)为单位的周期内的快速迭代和增殖过程中最大限度适应污染环境,将 碳氢化合物 的危险性通过吸收、降解、转化等作用减弱并最终分解为CO 2 和H 2 O的过程,具备更高的修复效率和应用前景。

微生物修复技术 按照工程应用中是否迁移土壤,可分为原位修复技术和异位修复技术。原位微生物修复,又称为就地微生物修复,即不搬运污染土壤,采用直接向污染土壤中投加降解菌、营养物质、电子受体等方式进行的 生物降解 。该技术主要包括生物通风、 生物强化 和生物刺激三类。生物通风主要是通过物理方式将大量空气输送至污染土壤,以促进微生物 好氧降解 。生物强化是向污染土壤投加外界通过筛选、培养及增殖等过程获得的高效降解菌剂。生物刺激是向污染土壤加入 表面活性剂 、 电子 受体、营养物质等来刺激微生物快速生长。异位微生物修复技术是将污染土壤先搬离原地,再对污染土壤集中进行微生物修复的技术。根据场地和设备的不同,主要包括预制床、农耕、堆肥处理以及 生物反应器 等方法。预制床法是将污染土壤平铺于预制砂石层的平台上,再加入适当营养物质调控生长条件,最后将渗滤液回注于 土层 以彻底清除污染物。农耕法是耕耙处理污染土壤,并加入肥料和水等创造出对微生物有利的条件。堆肥处理是向土壤中加入有机质,经过微生物的代谢将其转化为 腐殖质 ,为降解菌提供适合的营养物质和生存环境。生物 反应器 是反应器中放入污染土壤,加入营养物、水和 表面活性剂 等,剧烈搅拌,通过生物代谢降解污染物,最后在快速过滤池中脱水。目前堆肥处理应用相对较多。

实际的石油污染土壤场地,往往存在于低温、盐碱等极端环境中,或是重金属-石油烃复合污染,或是重质石油组分( 沥青质 和树脂)占比过高,耐 冷菌 、 嗜冷菌 、 嗜盐菌 、耐重金属菌、耐 重质原油 菌等极端微生物可以在极端条件下生长繁殖,形成一套与环境相适应的独特的分子机制和石油烃降解特征,对特殊环境中的污染物有良好的处理效果。

为增强石油烃的去除效果,目前已出现多种方法的联合修复,以解决使用单一方法时微生物活性低或者微生物培养困难等问题,包括 植物- 微生物联合修复、电动-微生物联合修复、 表面活性剂 强化微生物修复、 化学 氧化-微生物联合修复、动物-微生物联合修复等。

参考资料

  1. 烃类物质的毒性 莆田市城厢区人民政府 2023-05-10
  2. 世界卫生组织国际癌症研究机构致癌物清单 1类致癌物清单(共120种) 绍兴市市场监督管理局 2023-06-03
  3. 世界卫生组织国际癌症研究机构致癌物清单 2类致癌物清单(共380种,含2A类81种,2B类299种) 绍兴市市场监督管理局 2023-06-03
  4. 世界卫生组织国际癌症研究机构致癌物清单 3类致癌物清单(共502种) 绍兴市市场监督管理局 2023-06-03