环境化学PPT综述

第三章 水环境化学,Chapter 3. Aquatic Environmental Chemistry,地球上水资源状况,地球表面约有70以上被水所覆盖，所以地球素有“水的行星”之称。地球上水约13.86亿km3。,可利用的淡水只占水总量的0.3。而在这极少的淡水资源中，又有70%以上被冻结在南极和北极的冰盖中，加上难以利用的高山冰川和永冻积雪。可利用的水资源占地球水资源的0.64%.,地球上水资源状况,当前主要的缺水类型有：资源型缺水、工程型缺水和水质型缺水。 由于缺水，危害了农作物生长、并影响着工业生产、威胁着人体健康和生态、国家安全。,中国水资源状况,淡水资源总量为28000亿m3，占全球水资源的6，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。 全国400座供水不足，110座严重缺水；在46个重点城市中，45.6%水质较差。, 中国水资源分布, 中国水污染状况,七大江河水系的741个监测断面的水质：I类: 38.1% ；、类: 32.2%；劣类: 41%。,水环境污染极其严重,78条主要河流，有54条遭到污染，其中有14条污染严重。同时我国47个城市地下水源的调查中有43个城市受到污染，占91.4%，,加剧我国水资源短缺的原因：水污染严重、水浪费严重、水资源重复利用率低。,水环境化学,本章内容,天然水的基本特征及污染物的存在形态 水中无机污染物的迁移转化 水中有机污染物的迁移转化,水环境化学,一、天然水的基本特征及污染物的 存在形态, 1. 天然水的基本特征,1.1 天然水的组成,K+, Na+, Ca2+, Mg2+, HCO3-, NO3-, Cl-, SO42- 为天然水中常见的八大离子，占天然水离子总量的95%99%。,(1) 天然水的主要离子组成：,天然水中常见主要离子总量可以粗略地作为水的总含盐量(TDS),TDS=Ca2+ + Mg2+ + Na+ + K+ + HCO3 -+SO42- +Cl- +NO3-, 1. 天然水的基本特征,(2) 水中的金属离子：,水溶液中金属离子的表达式通常可以写成Mn+，表示简单的水合金属离子M(H2O) xn+。 水中金属离子常常以多种形态存在。例如铁: Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe2(OH)24+, Fe3+ , ,(3) 气体在水中的溶解性,大气中的气体与溶液中同种气体间的平衡为：,G(aq) = KH×pG p G- 各种气体分压,亨利定律：一种气体在液体中的溶解度正比于所接触的该种气体的分压。 但这并不能说明气体在溶液中进一步的化学反应。溶解于水中的实际气体的量，可以大大高于亨利定律表示的量。,KH 是各种气体在一定温度下的亨利定律常数(mol/L·Pa);, 1. 天然水的基本特征,氧在干燥空气中的含量为 20.95% ，大部分元素氧来自大气。求氧在 1.013 × 105 Pa， 25 饱和水中的溶解度：水在25时的蒸汽压为0.03167 × 105 Pa。,氧在水中的溶解度, 1. 天然水的基本特征,CO2在干燥空气中的含量为 0.0314% ，水在25时的蒸汽压为0.03167 × 105 Pa，CO2的亨利定律常数为3.34× 10-7 mol/L.Pa。则CO2在水中的溶解度为：,CO2的溶解度, 1. 天然水的基本特性,H+=HCO3- H+2/CO2=K1,CO2在水中的溶解度=CO2+HCO3-,不同温度下，气体在水中溶解度的计算：, 1. 天然水的基本特征,(4) 水生生物, 1. 天然水的基本特征,水生生物分为自养生物和异养生物 。 自养生物：利用太阳能或化学能量，把简单、无生命的无机物元素引进其复杂的生命分子中即组成生命体。如藻类等。 异养生物：利用自养生物产生的有机物作为能源及合成它自身生命的原始物质。 藻类的生成和分解就是在水体中进行光合作用(P)和呼吸作用(R)的一典型过程。, 1. 天然水的基本特征,水体产生物体的能力称为生产率。生产率是由化学的及物理的因素相结合而决定的。在高生产率的水中藻类生产旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平降低这种情况常被称为富营养化。 营养物质：C（二氧化碳）、N（硝酸盐）、P（磷酸盐）及痕量元素（如 Fe）。,2.1 碳酸平衡,在水体中存在着CO2、H2CO3、 HCO3-、 CO32-等4种物质; 常把CO2和H2CO3 合并为H2CO3*; 实际上H2CO3 的含量极低，主要是溶解性的气体CO2。, 以下将H2CO3*略写为H2CO3, 2. 天然水的性质,CT = H2CO3 + HCO3- + CO32-, 2. 天然水的性质,以上属封闭的水溶液体系的情况； 没有考虑大气交换过程。,CO2+H2CO3,HCO3-,CO32-,100 80 60 40 20 0,2 4 6 8 10 12,pH,图3-1 碳酸化合态分布图, 2. 天然水的性质,对于开放体系，应考虑大气交换过程：, 2. 天然水的性质,开放体系和封闭体系区别?,碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受H+的物质总量。 组成水中碱度的物质可以归纳为三类： 强碱；弱碱； 强碱弱酸盐。 At pH values below 7, H+ in water detracts significantly from alkalinity, and its concentration must be subtracted in computing the total alkalinity. Therefore the following equation is the complete equation for alkalinity in a medium where the only contributors to it are HCO3-, CO32-, and OH-.,总碱度 = HCO3- + 2CO32- + OH- H+,2.2 天然水中酸度和碱度, 2. 天然水的性质,酸度是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出H+或经水解能产生H+的物质总量。包括强酸、弱酸、强酸弱碱盐等。,某水体的pH = 8.00, 碱度为1.00×10-3 mol/L, 该水体中HCO3-、 CO32-、 OH-、H+等物质的浓度。 解：pH = 8.00时， CO32-的浓度很低，可认为碱度全部由HCO3-贡献，则HCO3- = 碱度 = 1.00×10-3 mol/L； 根据pH值，H+ = 1.00 × 10-8 mol/L; OH- = 1.00 × 10-6 mol/L,总酸度 = H+ + HCO3- + 2H2CO3 OH-, 2. 天然水的性质, 2. 天然水的性质,对于开放体系，应考虑大气交换过程：, 2. 天然水的性质,主要污染物的危害, 无机污染物-甲基汞, 无机污染物-甲基汞, 无机污染物-甲基汞, 无机污染物-镉, 持久性有机污染物- POPs,1、POPs的定义 持久性有机污染物（Persistent organic pollutants, POPs）是一系列在环境中长期残留和长距离迁移，具有脂溶性和生物蓄积性，对人类和野生动植物有高毒的含碳化合物。,2、POPs五个特性 持久性 /长期残留性 ( Persistent in the environment) 生物蓄积性(Bioaccumulates in fatty tissues) 半挥发性 (Semi-volatility) 高毒性 (High-toxic) 长距离迁移性(Long-range transport),3、来源 联合国环境规划署 ( United Nations Environment Programme, UNEP）国际公约中首批控制的三类12种POPs是艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、DDT、氯丹、六氯苯、灭蚁灵、毒杀芬、七氯、多氯联苯、二恶英和苯并呋喃。 其中前9种属于有机氯农药。多氯联苯是精细化工产品，后2种是化学产品的衍生物杂质和含氯废物焚烧所产生的次生污染物。, 持久性有机污染物- POPs,1998年6月在丹麦奥尔胡斯召开的泛欧环境部长会议上，美国、加拿大和欧洲32个国家正式签署了关于长距离越境空气污染物公约，提出了16种（类）加以控制的POPs，除了UNEP提出的12种物质之外，还有六溴联苯、林丹(99.5%的六六六丙体制剂）、多环芳烃和五氯酚。, 持久性有机污染物,3、来源,4、POPs在环境中的转归 POPs 空气 土壤 水体 生物富集(食物链) 呼吸 食物 饮水 人体危害, 持久性有机污染物- POPs,POPs在水体中的半衰期大多在几十天至20年，个别长达100年；在土壤中半衰期大多在1-12年，个别长达600年；而它们的生物富集因子（BCF）高达4000-70000之间。以上性质决定了POPS对人体健康和生态环境具有极大的危害。, 持久性有机污染物- POPs,内分泌干扰 免疫毒性 生殖系统毒性 POPs 人体危害 神经系统毒性 内脏器官毒性 致癌、致畸、 致突变,Air,Food,Water,5、POPs对人体的危害,多氯联苯(polychlorinated biphenyl，简称PCB)是许多联苯的含氯化合物的统称，在多氯联苯中，部份苯环上的氢原子被氯原子置换，一般式为 C12HnCl(10-n) (0n9)。依氯原子的个数及位置不同，多氯联苯共有209种异性体存在。 多氯联苯耐热性及电绝缘性能良好，化学性质稳定。不溶于水，易溶于有机溶剂及脂肪。常用作加热或冷却时的热载体、电容器及变压器内的绝缘材料、也常作为涂料及溶剂使用，应用的范围很广。 影响皮肤、神经、肝脏，破坏钙的代谢，导致骨骼、牙齿的损害，并有慢性致癌和致遗传变异等的可能性。, PDPs-多氯联苯,1、来源, PDPs-多氯联苯, POPs-二恶英,二恶英- 英文名字dioxin, 二恶英是一个总称，它描述了一类数百种在环境中高度稳定的，非挥发性的，亲脂的，很难生物降解的有机氯化合物。国际癌症研究中心（IARC）1997年2月14日宣布，毒性最大的二恶英，2，3，7，8-TCDD,已被确认为是一种致癌物。,二恶英包括多氯二苯并二氧六环（PCDD） 和多氯二苯并呋喃（PCDF）这两类化合物。PCDD和PCDF分别由75和135个同族体构成，它们的化学结构相似，常简写PCDD/Fs。由于Cl原子取代数目不同而使它们各有8个同系物，每个同系物随分子中Cl原子的不同取代位置和数目，能产生200多种异构体。, POPs-二恶英,PCDD PCDF,毒性: 动物实验表明，小鼠的LD50值（毒死50%实验品的量）为1µg/kg，猴子为70µg/kg 。 0.1克的二恶英毒量就能致数十人死亡，致上千只禽类于死地。 具有环境雌激素效应，可以扰乱激素水平的调节，造成生殖机能失常，使男性雌性化。 免疫系统受损，胸腺委缩，以及致畸、致突变等。, POPs-二恶英, 有机污染物-二恶英, 有机污染物-二恶英,人体微量摄入二恶英不会立即病变，但摄入后却不易排出。如长期食用含二恶英的食品，这种有毒成分会蓄积，最终可能致癌或引起慢性病。二恶英的主要污染源包括城市垃圾焚烧、含氯化学工业、食品包装材料等，90%以上的人体二恶英接触来源于食品。, POPs- 二恶英, 有机污染物-二