化学元素与城市垃圾

洪燕芬　洪辰明　李英

摘要： 在城市的生产生活中，城市垃圾影响严重。垃圾分类在全国乃至全球范围内开展得如火如荼，已有的垃圾分类方法为我们提供了很好的借鉴，但如何从源头出发解决问题仍亟待研究。物质的组成——化学元素为我们提供了新的思路，剖析城市垃圾与化学元素的深层内涵及关系，并由此提出基于元素分析的垃圾分类与处理方法。

关键词： 化学元素; 城市垃圾; 垃圾分类

文章編号： 1005-6629（2020）03-0093-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1869年，俄国科学家门捷列夫发明了元素周期表，为化学研究开创了新纪元。150年后，联合国宣布将2019年定为“国际化学元素周期表年”。尽管人们很难感受、触摸到化学元素，但它们其实无处不在，基于化学元素的创新应用也在各行各业中改变着人们的生活。更节能的汽车、更舒适的运动鞋，背后都离不开新材料的研发。新材料的不断涌现与化学领域的不断创新紧密相连，与此同时出现的问题是，这些材料在生产和使用过程中伴随着废弃物的产生。未来城市充满着诸多可能，但也面临诸多挑战。某种程度上，人类如何利用化学创新，决定了未来生活的走向，如何更有效地解决其中的问题，需要我们从源头出发考虑。本文从化学元素的视角出发，分析城市垃圾的成分特点，并由此浅析基于元素分析的垃圾分类方法。

1  城市垃圾及垃圾分类现状

1.1  城市垃圾的界定

我们的物质世界是由化学元素组成的，基于这些元素的独特的性质，科学家们制造出对人类有用的产品，但在生产过程中和使用完毕后又会产生废弃物——垃圾。城市垃圾是在城市生产生活过程中产生的固体废弃物，根据其来源可以分为工业垃圾、建筑垃圾、生活垃圾，这些垃圾也都是由多种多样的化学元素所组成。

其中，工业垃圾产量最大，成分较为单一，含有的污染物也较为集中，如冶金工厂产生的垃圾含有较多的重金属元素，日用化工厂产生的垃圾含有较多的氮、磷等营养元素，工厂往往通过酸碱反应、沉淀反应等化学方法去除有害元素，符合国家标准后才能排放。建筑垃圾主要为硅酸盐材料、钢铁制品、铝制品，其化学成分毒性较小，但若随意丢弃也会破坏土壤、水体的物理结构，特殊形态的硅酸盐（如石棉）吸入肺中还会引发肺癌，所以一般由建设单位集中填埋处理。而生活垃圾成分最为复杂，既包含无机物也包含有机物，虽然每家每户产生的量小而零散，但集中起来处理难度不小。

1.2  国内外城市垃圾分类现状

中国是世界人口第一大国，任何一个问题乘以14亿都是一个重大的问题。随着人民生活水平的提高，每个人消耗的工农业产品与日俱增，而生产这些产品的过程中产生的工业垃圾和消费后留下的生活垃圾也日积月累，如何安全高效地处理这些垃圾已成为迫在眉睫的问题。为此，我国从20世纪90年代开始提出垃圾分类的概念，于2000年开始在北京、上海、广州、深圳、杭州、厦门、桂林、南京共8个大中城市开展生活垃圾分类试点[1]，并逐步向全国推广，但进展较为缓慢，虽然不乏媒体宣传，但垃圾分类的观念尚未深入到每个公民的内心。根据我国的国家标准《城市生活垃圾分类标志（GB/T 19095-2008）》[2]，生活垃圾可分为6大类11小类（见表1）。这一分类方法较为全面，但种类较多普通居民难以分清，故实际操作中分为4类，即： 可回收物、干垃圾、湿垃圾、有害垃圾。

表1  标志的类别构成

放眼世界，发达国家的垃圾分类工作起步较早。英国早在1974年就颁布了《固体废弃物污染法》，要求废弃物必须无害化后才能排放，后又制订了一系列的法律和具体的规划措施，如按重量征收垃圾税等。德国的垃圾分类理论较为先进，于1996年在《循环经济与废物管理法》中提出了3R原则，即减量化（reducing）、再利用（reusing）、再循环（recycling）。日本是垃圾分类实施最细致的国家，实行五分法，每辆垃圾收运车固定收集一个品种的垃圾，对于不符合规定的垃圾则会拒绝收运，在长期的实践中，日本的垃圾回收技术不断提升，相关的法律也愈加健全。综合来看，这些国家从环保理念、宣传教育、法律保障、奖惩结合等方面多管齐下，值得我国参考借鉴。

2  塑料垃圾中的化学元素

塑料是以有机小分子为原料，通过加成或缩合反应聚合而成的高分子材料。1869年，美国印刷工人约翰·海厄特在硝化纤维中添加樟脑，制出了第一种有实用价值的塑料——赛璐珞。1907年，美籍比利时人列奥·亨德里克·贝克兰用苯酚和甲醛研制出了第一种完全由单体合成出的塑料——酚醛树脂。之后的100多年中，各种类型的塑料相继被合成并投入生产、生活中。到现在，全球每年塑料的产量已高达5亿吨。可见，塑料垃圾会对生态环境造成较大的影响。

塑料的主体成分是有机物，主要元素是碳、氢，某些塑料含有杂原子，如聚氯乙烯含氯、聚四氟乙烯含氟、聚酯类含氧、聚酰胺类含氮，就元素组成来说并没有特别之处。但因为塑料的相对分子质量较大，难以降解，且与自然界中的物质在结构上差别较大，所以会改变土壤的物理性质，造成肥力下降，被动物食用后亦会影响其消化功能。因此对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，英国卜内门化学工业公司将乙烯气体置于高温高压下，得到一种白色半透明的固体，第一次合成出了聚乙烯。1953年，德国化学家齐格拉发现用四氯化钛和三乙基铝的混合物做催化剂可使乙烯在较低压强下聚合，并且这种催化剂用于丙烯、氯乙烯、苯乙烯等的聚合可以使产物的立体结构更加规整，性能更加优越。后来，化学家又陆续开发了以铬、铁、钴、镍、钯等过渡金属元素为基础的催化剂，为高分子化合物的合成提供了高效而多样化的途径。早期的齐格拉催化剂效率较低，1克钛只能得到1000克聚乙烯，产品需要洗脱催化剂残留，后期1克钛可以得到数十万克聚乙烯，可免除洗脱步骤，产品中的金属元素也不会成为主要的污染来源。

以聚乙烯为代表的加成聚合塑料具有良好的化学稳定性，耐酸、碱、有机溶剂，为其提供了广泛的应用空间。但由此带来的问题是，这些塑料在自然环境中难以降解，可停留数百年。在实验室中，聚乙烯只能在发烟硫酸、铬酸等强氧化剂或紫外线作用下发生降解，但自然界中难以达到此类条件。

相比之下，聚酯、聚酰胺等通过缩合反应聚合而成的塑料，其分子内每个链节之间的官能团容易水解，故而更易降解。但這种降解需要在强酸、强碱、加热等实验室极端环境下才能实现，在自然界中的常温、近中性环境中难以达到，故这些塑料依然归属于白色塑料行列。

2.2  可降解塑料

可降解塑料是在生产过程中加入一定量的添加剂后，使其稳定性下降，进而在自然环境中较易降解的塑料。根据其降解原理可以分为光降解、生物降解、水降解等[3， 4]。

光降解塑料是通过引入光敏性基团或掺杂光敏性物质，使塑料被光尤其是紫外线照射后能发生降解。一般所用的光敏性基团为烯酮类，光敏性物质为过渡金属络合物，如硬脂酸铁、羧酸稀土等。光降解塑料只能在土壤表面受太阳光直射才能降解，真正降解成小分子进而进入生态循环的比例很低，大部分崩解为肉眼看不见的碎片进入土壤，对环境的潜在危害很大。且光敏剂中所含的钴、钼、铜、铁、钒、稀土等过渡金属会改变土壤的元素组成。

生物降解塑料的主要成分为天然高分子，如淀粉、纤维素、甲壳素等，它们由生物体产生，也可以由生物体完全分解，称为“完全生物降解塑料”[5]。或者在白色塑料中掺杂入上述高分子，后者降解后前者也崩解成碎片，称为“破坏性生物降解塑料”，但这种塑料和光降解塑料一样，其中的聚烯烃部分并未真正降解而是仅仅崩解为碎片，会对环境造成二次污染，所以在国外已经基本淘汰。

水降解塑料以聚乙烯醇为基底，通过每个链节上的羟基和其他有机小分子发生缩合反应而制得，如聚乙烯醇缩醛、聚乙烯醇酯、聚乙烯醚等。由于大量羟基的存在，聚乙烯醇可溶于水，而缩合之后羟基氢被其他官能团取代，则不溶于水。在自然环境中聚乙烯醇缩醛和聚乙烯醇酯水解为聚乙烯醇和小分子醛、羧酸，溶解消失，且聚乙烯醇可被细菌作为碳源利用，最终可完全降解成小分子。

3  有害垃圾中的化学元素

一些制品中含有重金属元素，如若泄露会对环境造成污染，必须单独加以回收。

3.1  铅

铅作为相对原子质量最大的非放射性元素，临近慢速中子俘获过程（slow-neutron capture process，缩写为s过程）的终点，在大质量恒星晚期的核合成过程中较多地积累，所以在整个宇宙中和地球表面的丰度均较高（14克/吨，排名第36）。且其活泼性中等，只需将含铅矿物和木炭共热即可被还原为单质，而较低的熔点使其较易加工，所以自古罗马时代就广泛使用。但铅的毒性较强，古罗马人将铅用于自来水管、食具、酒具，长期使用这些制品的人出现了智力低下、呕吐、贫血等中毒症状。

现如今，铅不再用于直接接触人体的制品中，但在其他方面的用途依然广泛。铅的熔点低，锡+铅+镉+铋1∶2∶1∶4的合金（伍德合金）熔点低至70℃，可以用作保险丝或消防水龙头。铅的密度高，铅球用作体育比赛的标准器材。在波涛汹涌的海面钓鱼，绑在鱼钩上使其下沉的铅坠也是用铅做的。

铅的原子量大，是最重的一种非放射性元素。而原子量越大对辐射阻挡能力就越强，拍X光片的时候，医生给你一条很重的黑色围裙，那里面就有一块铅皮，而X光机的外壳和放射科的墙壁、大门也都灌了铅板，房间观察窗是用含铅的玻璃做的，以保护医生和患者免受非必要辐射的伤害。铅还在各大车站、机场用作安检仪的外壳。

铅的活动性较差，虽然在金属活动性顺序表中的位置在氢之前，但因为硫酸铅和氟化铅都不溶于水，所以可以用作生产、储存硫酸和氢氟酸的容器。

铅玻璃（PbSiO3）折射率高，色散强烈，一束白光照射进去会像钻石一样将其分成七彩，非常璀璨，所以可以用作仿钻装饰品，比如施华洛世奇的“仿水晶”就是铅玻璃。

铅有+4、 +2、 0等化合价，将+4价的PbO2和0价的金属铅共同浸入稀硫酸中可以归中成+2价的PbSO4而产生电流，用作蓄电池。因为铅的原子量大，储存同样电量的这种电池比锂电池笨重得多，只能用在对便携性要求不高的场合（如汽车中）。

当这些制品废弃后，若不加处理则铅元素会污染环境，所以必须加以回收。

3.2  汞

汞俗名水银，作为室温下唯一一种液态金属自古以来就引起了人们的广泛关注。在中国古代，水银是江河湖海的化身，被倾泻在帝王陵墓中，模拟他死前的江山。在民间，工匠将金、银溶解在水银中，涂布在其他金属或玻璃的表面，再加热使汞挥发，金、银就留在了器具表面，可以制造“鎏金”或“鎏银”的工艺品，或者制造镜子。在西方，同样需要用到水银的职业是帽匠，因为制作帽子的毛皮需要用水银处理使其更柔顺，《爱丽丝仙境漫游记》中的“疯帽子（the Mad Hatter）”就是因为长期吸入汞蒸气而疯疯癫癫的。但这种毒性非常之慢性，所以长期以来人们没有认识到汞的毒性，一直到19世纪依然在广泛使用它。

基于水银的独特性质，至今仍然有许多不可替代的用途。水银在整个液态范围（-39～500℃加压）内的热膨胀均匀，可以用作温度计。水银的密度很大（13.55g/mL），只需76厘米的汞柱即可和1.01×105帕的大气压相抗衡，所以可用作气压计、血压计。

汞蒸气和稀有气体类似是单原子分子，所以在电场的作用下也会像稀有气体一样发光。低压汞灯（0.1～1mmHg）主要发出184.5nm、 253.7nm的紫外光，用于杀菌消毒和诱捕昆虫;中压汞灯（1大气压）发出紫外区的184.5nm、 253.7nm、 365.4nm，紫色的404.7nm，蓝色的435.8nm，绿色的546.1nm，黄色的577.0nm、 579.1nm等线状光谱，用作物理实验室的标准光源;而高压汞灯（2～15大气压）在整个紫外区和可见区发出连续光谱，可用于路面照明，颜色偏蓝绿。日光灯管就是在低压汞灯内壁涂上荧光粉，后者吸收了汞原子发射出来的紫外线的能量后发出白色的可见光。

许多化工反应也都需要用汞的化合物做催化剂，这些含汞废水如果不经处理直接排放会导致汞进入生物体内，通过食物链逐级富集至顶级消费者也就是人体内。并且，在生物体内的有机物作用下，无机汞还会转化为毒性更强的有机汞，比如二甲基汞[（CH3）2Hg]。1956年起，日本熊本县水俣市陆续出现了一些手足抽搐、精神异常、脑部萎缩的病人，甚至连当地的一些猫都发疯似地跳海自杀，这种病症被称为“水俣病”。排查病因发现是当地一家醋酸厂用硫酸汞做催化剂，排入海湾后在鱼虾贝类体内转化为二甲基汞，吃了当地水产的人和猫纷纷发疯，最终造成1700多人死亡。

3.3  镉

镉是近代从锌矿中发现的稀有金属，其熔、沸点等物理性质及活泼性等化学性质均与同族的锌相似，所以用途也和锌类似。镉的熔点321℃，沸点766℃，可以用作低熔点合金，比如伍德合金就是1∶2∶1∶4的锡、铅、镉、铋合金，熔点只有70℃。与锌类似，镉单质较活泼，也可以用于制造电池。镍镉电池用+3价的NiO（OH）为正极，用金属镉为负极，可以反复充放电。

与锌化合物大部分呈白色不同，镉的化合物具有较深或较鲜艳的颜色，碳酸镉（CdCO3）是白色的;氧化镉（CdO）是棕色的，正是因为它与氧化锌的颜色差异才导致了镉的发现;硫化镉（CdS）是黄色的，可以用作黄色颜料，称作“镉黄”;硒化镉（CdSe）的颜色更深，用作红色颜料，称作“镉红”;硫化镉和硒化镉按照不同配比掺在玻璃中可以显出从黄到红深浅不同的颜色，虽然主角是镉，但名字却叫“硒红玻璃”。

但这些镉千万不能摄入体内，因为它有剧毒。镉累积在肾脏及肝脏内，会损伤肾功能。镉会取代骨骼中钙的位置，使骨骼疏松、软化，导致难以忍受的骨痛病。镉会取代许多酶中锌的位置而破坏酶的活性，引起高血压、心血管疾病。含镉的废水必须使用熟石灰中和，将其转化为难溶的氢氧化镉[Cd（OH）2]沉淀，或用离子交换树脂吸附后才能排放。如不处理，就会引发严重的环境公害事件。

1920年代，日本富山县神通川流域的一些农民发现他们种植的水稻生长不良。不久之后，这些农民自己也开始被一种怪病困扰，患者骨骼软化、萎缩，四肢和脊柱弯曲变形，骨质松脆，易发骨折，全身各部位发生神经痛、骨痛，最后痛苦地死去。二战以后，此病发病人数增加，但病因一时还找不到，只能根据病人不停地喊“痛”将其称为“痛痛病”。1960年代，日本科学家终于确认这种病与神通川上游炼锌厂排放的含镉废水有关，神通川两岸的稻田用河水灌溉，镉元素被富集在水稻中，当地人吃镉含量超标的大米，长期摄入过量的镉，久而久之就造成了慢性镉中毒。

4  垃圾中化学元素的测定

4.1  测定仪器与方法

相关研究者发明了一种基于化学元素特性的垃圾分类设备，该设备的构造及具体流程示意图见图1[6]。该分类设备由对垃圾进行连续传输的垃圾传输装置、基于化学元素特性对垃圾进行在线实时检测的设备、对已检测垃圾进行实时分类的装置以及计算机控制系统所组成。其工作原理和流程是，所述计算机控制系统接收基于化学元素特性对垃圾进行在线实时检测的设备的检测信号，向对已检测垃圾进行实时分类的装置发送指令，对垃圾传输装置上的垃圾进行分类;所述基于化学元素特性对垃圾进行在线实时检测的设备实际为化学元素分析仪，该化学元素分析仪位于所述垃圾传输装置的上方，计算机控制系统接收化学元素分析仪的检测信号，对垃圾传输装置上的垃圾进行分类;垃圾传输装置为皮带输送机，所述对已检测垃圾进行实时分类的装置包括高压空压机、与高压空压机连接的高压空气喷嘴以及多个垃圾收集箱，高压空气喷嘴位于化学元素分析仪下游的皮带输送机末端，垃圾收

图1  基于化学元素特性的垃圾分类设备流程示意图

集箱设置在所述皮带输送机末端外侧，与高压空气喷嘴对应，计算机控制系统接收化学元素分析仪的检测信号，向高压空压机发送指令，开启气源和高压空气阀，将皮带输送机上的垃圾推送到对应的垃圾收集箱。

4.2  基于元素分析的垃圾分类指导

借鉴已有研究的相关结论，基于元素分析对垃圾进行分类存在可行性，并且能够让垃圾发挥更大的经济效益，变废为宝。将垃圾进行破袋、粉碎和筛分等前处理，将经前处理后的垃圾混合物放置在垃圾传输装置上，基于化学元素特性对垃圾进行在线实时检测的设备对垃圾进行检测分析，计算机控制系统接收所述检测设备检测到的信号，向对垃圾进行实时分类的装置发送指令，对垃圾进行分类。将上述垃圾分类方法应用在垃圾回收及制备化学元素特性稳定的原料中，对垃圾进行回收利用，既节省资源，又可将垃圾制备成化学元素特性稳定的原料。当这些原料用于热解、气化和燃烧等过程时，为整个过程的稳定有效运行创造了有利的条件，从而实现垃圾减量化、资源化和能源化的目的。

参考文献：

[1]杨帆， 邵超峰， 鞠美庭. 城市垃圾分类的国外经验[J]. 生态经济（中文版）， 2016， （11）： 5.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 城市生活垃圾分类标志（GB/T 19095-2008）[EB/OL]. （2008-08-07）[2019-09-06]http： //www.jianbiaoku.com/webarbs/book/23467/701074.shtml.

[3]贺爱军. 降解塑料的開发进展[J]. 化工新型材料， 2002， 30（3）： 1～6.

[4]李星， 刘东辉， 黄云华. 我国可降解塑料的现状和发展趋势[J]. 化工生产与技术， 2004， （1）： 26～32.

[5]高建平， 王为. 淀粉基生物降解塑料材料[J]. 高分子材料科学与工程， 1998， （4）： 21～24.

[6]魏联民. 基于化学元素特性的垃圾分类设备、 方法及应用[P]. 2017-07-07.