化學元素與城市垃圾

洪燕芬　洪辰明　李英

摘要： 在城市的生產生活中，城市垃圾影響嚴重。垃圾分類在全國乃至全球范圍內開展得如火如荼，已有的垃圾分類方法為我們提供了很好的借鑒，但如何從源頭出發(fā)解決問題仍亟待研究。物質的組成——化學元素為我們提供了新的思路，剖析城市垃圾與化學元素的深層內涵及關系，并由此提出基于元素分析的垃圾分類與處理方法。

關鍵詞： 化學元素; 城市垃圾; 垃圾分類

文章編號： 1005-6629（2020）03-0093-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1869年，俄國科學家門捷列夫發(fā)明了元素周期表，為化學研究開創(chuàng)了新紀元。150年后，聯(lián)合國宣布將2019年定為“國際化學元素周期表年”。盡管人們很難感受、觸摸到化學元素，但它們其實無處不在，基于化學元素的創(chuàng)新應用也在各行各業(yè)中改變著人們的生活。更節(jié)能的汽車、更舒適的運動鞋，背后都離不開新材料的研發(fā)。新材料的不斷涌現(xiàn)與化學領域的不斷創(chuàng)新緊密相連，與此同時出現(xiàn)的問題是，這些材料在生產和使用過程中伴隨著廢棄物的產生。未來城市充滿著諸多可能，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。某種程度上，人類如何利用化學創(chuàng)新，決定了未來生活的走向，如何更有效地解決其中的問題，需要我們從源頭出發(fā)考慮。本文從化學元素的視角出發(fā)，分析城市垃圾的成分特點，并由此淺析基于元素分析的垃圾分類方法。

1? 城市垃圾及垃圾分類現(xiàn)狀

1.1? 城市垃圾的界定

我們的物質世界是由化學元素組成的，基于這些元素的獨特的性質，科學家們制造出對人類有用的產品，但在生產過程中和使用完畢后又會產生廢棄物——垃圾。城市垃圾是在城市生產生活過程中產生的固體廢棄物，根據(jù)其來源可以分為工業(yè)垃圾、建筑垃圾、生活垃圾，這些垃圾也都是由多種多樣的化學元素所組成。

其中，工業(yè)垃圾產量最大，成分較為單一，含有的污染物也較為集中，如冶金工廠產生的垃圾含有較多的重金屬元素，日用化工廠產生的垃圾含有較多的氮、磷等營養(yǎng)元素，工廠往往通過酸堿反應、沉淀反應等化學方法去除有害元素，符合國家標準后才能排放。建筑垃圾主要為硅酸鹽材料、鋼鐵制品、鋁制品，其化學成分毒性較小，但若隨意丟棄也會破壞土壤、水體的物理結構，特殊形態(tài)的硅酸鹽（如石棉）吸入肺中還會引發(fā)肺癌，所以一般由建設單位集中填埋處理。而生活垃圾成分最為復雜，既包含無機物也包含有機物，雖然每家每戶產生的量小而零散，但集中起來處理難度不小。

1.2? 國內外城市垃圾分類現(xiàn)狀

中國是世界人口第一大國，任何一個問題乘以14億都是一個重大的問題。隨著人民生活水平的提高，每個人消耗的工農業(yè)產品與日俱增，而生產這些產品的過程中產生的工業(yè)垃圾和消費后留下的生活垃圾也日積月累，如何安全高效地處理這些垃圾已成為迫在眉睫的問題。為此，我國從20世紀90年代開始提出垃圾分類的概念，于2000年開始在北京、上海、廣州、深圳、杭州、廈門、桂林、南京共8個大中城市開展生活垃圾分類試點[1]，并逐步向全國推廣，但進展較為緩慢，雖然不乏媒體宣傳，但垃圾分類的觀念尚未深入到每個公民的內心。根據(jù)我國的國家標準《城市生活垃圾分類標志（GB/T 19095-2008）》[2]，生活垃圾可分為6大類11小類（見表1）。這一分類方法較為全面，但種類較多普通居民難以分清，故實際操作中分為4類，即： 可回收物、干垃圾、濕垃圾、有害垃圾。

表1? 標志的類別構成

放眼世界，發(fā)達國家的垃圾分類工作起步較早。英國早在1974年就頒布了《固體廢棄物污染法》，要求廢棄物必須無害化后才能排放，后又制訂了一系列的法律和具體的規(guī)劃措施，如按重量征收垃圾稅等。德國的垃圾分類理論較為先進，于1996年在《循環(huán)經濟與廢物管理法》中提出了3R原則，即減量化（reducing）、再利用（reusing）、再循環(huán)（recycling）。日本是垃圾分類實施最細致的國家，實行五分法，每輛垃圾收運車固定收集一個品種的垃圾，對于不符合規(guī)定的垃圾則會拒絕收運，在長期的實踐中，日本的垃圾回收技術不斷提升，相關的法律也愈加健全。綜合來看，這些國家從環(huán)保理念、宣傳教育、法律保障、獎懲結合等方面多管齊下，值得我國參考借鑒。

2? 塑料垃圾中的化學元素

塑料是以有機小分子為原料，通過加成或縮合反應聚合而成的高分子材料。1869年，美國印刷工人約翰·海厄特在硝化纖維中添加樟腦，制出了第一種有實用價值的塑料——賽璐珞。1907年，美籍比利時人列奧·亨德里克·貝克蘭用苯酚和甲醛研制出了第一種完全由單體合成出的塑料——酚醛樹脂。之后的100多年中，各種類型的塑料相繼被合成并投入生產、生活中。到現(xiàn)在，全球每年塑料的產量已高達5億噸?？梢?，塑料垃圾會對生態(tài)環(huán)境造成較大的影響。

塑料的主體成分是有機物，主要元素是碳、氫，某些塑料含有雜原子，如聚氯乙烯含氯、聚四氟乙烯含氟、聚酯類含氧、聚酰胺類含氮，就元素組成來說并沒有特別之處。但因為塑料的相對分子質量較大，難以降解，且與自然界中的物質在結構上差別較大，所以會改變土壤的物理性質，造成肥力下降，被動物食用后亦會影響其消化功能。因此對塑料垃圾的研究主要在于如何加快其降解速率。

2.1? 白色塑料

1933年，英國卜內門化學工業(yè)公司將乙烯氣體置于高溫高壓下，得到一種白色半透明的固體，第一次合成出了聚乙烯。1953年，德國化學家齊格拉發(fā)現(xiàn)用四氯化鈦和三乙基鋁的混合物做催化劑可使乙烯在較低壓強下聚合，并且這種催化劑用于丙烯、氯乙烯、苯乙烯等的聚合可以使產物的立體結構更加規(guī)整，性能更加優(yōu)越。后來，化學家又陸續(xù)開發(fā)了以鉻、鐵、鈷、鎳、鈀等過渡金屬元素為基礎的催化劑，為高分子化合物的合成提供了高效而多樣化的途徑。早期的齊格拉催化劑效率較低，1克鈦只能得到1000克聚乙烯，產品需要洗脫催化劑殘留，后期1克鈦可以得到數(shù)十萬克聚乙烯，可免除洗脫步驟，產品中的金屬元素也不會成為主要的污染來源。

以聚乙烯為代表的加成聚合塑料具有良好的化學穩(wěn)定性，耐酸、堿、有機溶劑，為其提供了廣泛的應用空間。但由此帶來的問題是，這些塑料在自然環(huán)境中難以降解，可停留數(shù)百年。在實驗室中，聚乙烯只能在發(fā)煙硫酸、鉻酸等強氧化劑或紫外線作用下發(fā)生降解，但自然界中難以達到此類條件。

相比之下，聚酯、聚酰胺等通過縮合反應聚合而成的塑料，其分子內每個鏈節(jié)之間的官能團容易水解，故而更易降解。但這種降解需要在強酸、強堿、加熱等實驗室極端環(huán)境下才能實現(xiàn)，在自然界中的常溫、近中性環(huán)境中難以達到，故這些塑料依然歸屬于白色塑料行列。

2.2? 可降解塑料

可降解塑料是在生產過程中加入一定量的添加劑后，使其穩(wěn)定性下降，進而在自然環(huán)境中較易降解的塑料。根據(jù)其降解原理可以分為光降解、生物降解、水降解等[3， 4]。

光降解塑料是通過引入光敏性基團或摻雜光敏性物質，使塑料被光尤其是紫外線照射后能發(fā)生降解。一般所用的光敏性基團為烯酮類，光敏性物質為過渡金屬絡合物，如硬脂酸鐵、羧酸稀土等。光降解塑料只能在土壤表面受太陽光直射才能降解，真正降解成小分子進而進入生態(tài)循環(huán)的比例很低，大部分崩解為肉眼看不見的碎片進入土壤，對環(huán)境的潛在危害很大。且光敏劑中所含的鈷、鉬、銅、鐵、釩、稀土等過渡金屬會改變土壤的元素組成。

生物降解塑料的主要成分為天然高分子，如淀粉、纖維素、甲殼素等，它們由生物體產生，也可以由生物體完全分解，稱為“完全生物降解塑料”[5]?；蛘咴诎咨芰现袚诫s入上述高分子，后者降解后前者也崩解成碎片，稱為“破壞性生物降解塑料”，但這種塑料和光降解塑料一樣，其中的聚烯烴部分并未真正降解而是僅僅崩解為碎片，會對環(huán)境造成二次污染，所以在國外已經基本淘汰。

水降解塑料以聚乙烯醇為基底，通過每個鏈節(jié)上的羥基和其他有機小分子發(fā)生縮合反應而制得，如聚乙烯醇縮醛、聚乙烯醇酯、聚乙烯醚等。由于大量羥基的存在，聚乙烯醇可溶于水，而縮合之后羥基氫被其他官能團取代，則不溶于水。在自然環(huán)境中聚乙烯醇縮醛和聚乙烯醇酯水解為聚乙烯醇和小分子醛、羧酸，溶解消失，且聚乙烯醇可被細菌作為碳源利用，最終可完全降解成小分子。

3? 有害垃圾中的化學元素

一些制品中含有重金屬元素，如若泄露會對環(huán)境造成污染，必須單獨加以回收。

3.1? 鉛

鉛作為相對原子質量最大的非放射性元素，臨近慢速中子俘獲過程（slow-neutron capture process，縮寫為s過程）的終點，在大質量恒星晚期的核合成過程中較多地積累，所以在整個宇宙中和地球表面的豐度均較高（14克/噸，排名第36）。且其活潑性中等，只需將含鉛礦物和木炭共熱即可被還原為單質，而較低的熔點使其較易加工，所以自古羅馬時代就廣泛使用。但鉛的毒性較強，古羅馬人將鉛用于自來水管、食具、酒具，長期使用這些制品的人出現(xiàn)了智力低下、嘔吐、貧血等中毒癥狀。

現(xiàn)如今，鉛不再用于直接接觸人體的制品中，但在其他方面的用途依然廣泛。鉛的熔點低，錫+鉛+鎘+鉍1∶2∶1∶4的合金（伍德合金）熔點低至70℃，可以用作保險絲或消防水龍頭。鉛的密度高，鉛球用作體育比賽的標準器材。在波濤洶涌的海面釣魚，綁在魚鉤上使其下沉的鉛墜也是用鉛做的。

鉛的原子量大，是最重的一種非放射性元素。而原子量越大對輻射阻擋能力就越強，拍X光片的時候，醫(yī)生給你一條很重的黑色圍裙，那里面就有一塊鉛皮，而X光機的外殼和放射科的墻壁、大門也都灌了鉛板，房間觀察窗是用含鉛的玻璃做的，以保護醫(yī)生和患者免受非必要輻射的傷害。鉛還在各大車站、機場用作安檢儀的外殼。

鉛的活動性較差，雖然在金屬活動性順序表中的位置在氫之前，但因為硫酸鉛和氟化鉛都不溶于水，所以可以用作生產、儲存硫酸和氫氟酸的容器。

鉛玻璃（PbSiO3）折射率高，色散強烈，一束白光照射進去會像鉆石一樣將其分成七彩，非常璀璨，所以可以用作仿鉆裝飾品，比如施華洛世奇的“仿水晶”就是鉛玻璃。

鉛有+4、 +2、 0等化合價，將+4價的PbO2和0價的金屬鉛共同浸入稀硫酸中可以歸中成+2價的PbSO4而產生電流，用作蓄電池。因為鉛的原子量大，儲存同樣電量的這種電池比鋰電池笨重得多，只能用在對便攜性要求不高的場合（如汽車中）。

當這些制品廢棄后，若不加處理則鉛元素會污染環(huán)境，所以必須加以回收。

3.2? 汞

汞俗名水銀，作為室溫下唯一一種液態(tài)金屬自古以來就引起了人們的廣泛關注。在中國古代，水銀是江河湖海的化身，被傾瀉在帝王陵墓中，模擬他死前的江山。在民間，工匠將金、銀溶解在水銀中，涂布在其他金屬或玻璃的表面，再加熱使汞揮發(fā)，金、銀就留在了器具表面，可以制造“鎏金”或“鎏銀”的工藝品，或者制造鏡子。在西方，同樣需要用到水銀的職業(yè)是帽匠，因為制作帽子的毛皮需要用水銀處理使其更柔順，《愛麗絲仙境漫游記》中的“瘋帽子（the Mad Hatter）”就是因為長期吸入汞蒸氣而瘋瘋癲癲的。但這種毒性非常之慢性，所以長期以來人們沒有認識到汞的毒性，一直到19世紀依然在廣泛使用它。

基于水銀的獨特性質，至今仍然有許多不可替代的用途。水銀在整個液態(tài)范圍（-39～500℃加壓）內的熱膨脹均勻，可以用作溫度計。水銀的密度很大（13.55g/mL），只需76厘米的汞柱即可和1.01×105帕的大氣壓相抗衡，所以可用作氣壓計、血壓計。

汞蒸氣和稀有氣體類似是單原子分子，所以在電場的作用下也會像稀有氣體一樣發(fā)光。低壓汞燈（0.1～1mmHg）主要發(fā)出184.5nm、 253.7nm的紫外光，用于殺菌消毒和誘捕昆蟲;中壓汞燈（1大氣壓）發(fā)出紫外區(qū)的184.5nm、 253.7nm、 365.4nm，紫色的404.7nm，藍色的435.8nm，綠色的546.1nm，黃色的577.0nm、 579.1nm等線狀光譜，用作物理實驗室的標準光源;而高壓汞燈（2～15大氣壓）在整個紫外區(qū)和可見區(qū)發(fā)出連續(xù)光譜，可用于路面照明，顏色偏藍綠。日光燈管就是在低壓汞燈內壁涂上熒光粉，后者吸收了汞原子發(fā)射出來的紫外線的能量后發(fā)出白色的可見光。

許多化工反應也都需要用汞的化合物做催化劑，這些含汞廢水如果不經處理直接排放會導致汞進入生物體內，通過食物鏈逐級富集至頂級消費者也就是人體內。并且，在生物體內的有機物作用下，無機汞還會轉化為毒性更強的有機汞，比如二甲基汞[（CH3）2Hg]。1956年起，日本熊本縣水俁市陸續(xù)出現(xiàn)了一些手足抽搐、精神異常、腦部萎縮的病人，甚至連當?shù)氐囊恍┴埗及l(fā)瘋似地跳海自殺，這種病癥被稱為“水俁病”。排查病因發(fā)現(xiàn)是當?shù)匾患掖姿釓S用硫酸汞做催化劑，排入海灣后在魚蝦貝類體內轉化為二甲基汞，吃了當?shù)厮a的人和貓紛紛發(fā)瘋，最終造成1700多人死亡。

3.3? 鎘

鎘是近代從鋅礦中發(fā)現(xiàn)的稀有金屬，其熔、沸點等物理性質及活潑性等化學性質均與同族的鋅相似，所以用途也和鋅類似。鎘的熔點321℃，沸點766℃，可以用作低熔點合金，比如伍德合金就是1∶2∶1∶4的錫、鉛、鎘、鉍合金，熔點只有70℃。與鋅類似，鎘單質較活潑，也可以用于制造電池。鎳鎘電池用+3價的NiO（OH）為正極，用金屬鎘為負極，可以反復充放電。

與鋅化合物大部分呈白色不同，鎘的化合物具有較深或較鮮艷的顏色，碳酸鎘（CdCO3）是白色的;氧化鎘（CdO）是棕色的，正是因為它與氧化鋅的顏色差異才導致了鎘的發(fā)現(xiàn);硫化鎘（CdS）是黃色的，可以用作黃色顏料，稱作“鎘黃”;硒化鎘（CdSe）的顏色更深，用作紅色顏料，稱作“鎘紅”;硫化鎘和硒化鎘按照不同配比摻在玻璃中可以顯出從黃到紅深淺不同的顏色，雖然主角是鎘，但名字卻叫“硒紅玻璃”。

但這些鎘千萬不能攝入體內，因為它有劇毒。鎘累積在腎臟及肝臟內，會損傷腎功能。鎘會取代骨骼中鈣的位置，使骨骼疏松、軟化，導致難以忍受的骨痛病。鎘會取代許多酶中鋅的位置而破壞酶的活性，引起高血壓、心血管疾病。含鎘的廢水必須使用熟石灰中和，將其轉化為難溶的氫氧化鎘[Cd（OH）2]沉淀，或用離子交換樹脂吸附后才能排放。如不處理，就會引發(fā)嚴重的環(huán)境公害事件。

1920年代，日本富山縣神通川流域的一些農民發(fā)現(xiàn)他們種植的水稻生長不良。不久之后，這些農民自己也開始被一種怪病困擾，患者骨骼軟化、萎縮，四肢和脊柱彎曲變形，骨質松脆，易發(fā)骨折，全身各部位發(fā)生神經痛、骨痛，最后痛苦地死去。二戰(zhàn)以后，此病發(fā)病人數(shù)增加，但病因一時還找不到，只能根據(jù)病人不停地喊“痛”將其稱為“痛痛病”。1960年代，日本科學家終于確認這種病與神通川上游煉鋅廠排放的含鎘廢水有關，神通川兩岸的稻田用河水灌溉，鎘元素被富集在水稻中，當?shù)厝顺枣k含量超標的大米，長期攝入過量的鎘，久而久之就造成了慢性鎘中毒。

4? 垃圾中化學元素的測定

4.1? 測定儀器與方法

相關研究者發(fā)明了一種基于化學元素特性的垃圾分類設備，該設備的構造及具體流程示意圖見圖1[6]。該分類設備由對垃圾進行連續(xù)傳輸?shù)睦鴤鬏斞b置、基于化學元素特性對垃圾進行在線實時檢測的設備、對已檢測垃圾進行實時分類的裝置以及計算機控制系統(tǒng)所組成。其工作原理和流程是，所述計算機控制系統(tǒng)接收基于化學元素特性對垃圾進行在線實時檢測的設備的檢測信號，向對已檢測垃圾進行實時分類的裝置發(fā)送指令，對垃圾傳輸裝置上的垃圾進行分類;所述基于化學元素特性對垃圾進行在線實時檢測的設備實際為化學元素分析儀，該化學元素分析儀位于所述垃圾傳輸裝置的上方，計算機控制系統(tǒng)接收化學元素分析儀的檢測信號，對垃圾傳輸裝置上的垃圾進行分類;垃圾傳輸裝置為皮帶輸送機，所述對已檢測垃圾進行實時分類的裝置包括高壓空壓機、與高壓空壓機連接的高壓空氣噴嘴以及多個垃圾收集箱，高壓空氣噴嘴位于化學元素分析儀下游的皮帶輸送機末端，垃圾收

圖1? 基于化學元素特性的垃圾分類設備流程示意圖

集箱設置在所述皮帶輸送機末端外側，與高壓空氣噴嘴對應，計算機控制系統(tǒng)接收化學元素分析儀的檢測信號，向高壓空壓機發(fā)送指令，開啟氣源和高壓空氣閥，將皮帶輸送機上的垃圾推送到對應的垃圾收集箱。

4.2? 基于元素分析的垃圾分類指導

借鑒已有研究的相關結論，基于元素分析對垃圾進行分類存在可行性，并且能夠讓垃圾發(fā)揮更大的經濟效益，變廢為寶。將垃圾進行破袋、粉碎和篩分等前處理，將經前處理后的垃圾混合物放置在垃圾傳輸裝置上，基于化學元素特性對垃圾進行在線實時檢測的設備對垃圾進行檢測分析，計算機控制系統(tǒng)接收所述檢測設備檢測到的信號，向對垃圾進行實時分類的裝置發(fā)送指令，對垃圾進行分類。將上述垃圾分類方法應用在垃圾回收及制備化學元素特性穩(wěn)定的原料中，對垃圾進行回收利用，既節(jié)省資源，又可將垃圾制備成化學元素特性穩(wěn)定的原料。當這些原料用于熱解、氣化和燃燒等過程時，為整個過程的穩(wěn)定有效運行創(chuàng)造了有利的條件，從而實現(xiàn)垃圾減量化、資源化和能源化的目的。

參考文獻：

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