水环境化学概述_2.ppt

第三章 水环境化学,,,,,,,1,3,2,水环境化学基础,水体中无机污染物的迁移转化,水水体中无机污染物的迁移转化,第三章,,第一节 水环境化学基础,,,阴离子,水生生物,金属离子, 1. 天然水的基本特性,1.1 天然水的组成,第一节 水环境的基础知识 第一节 水环境化学基础,1.2 水的特性,第一节 水环境化学基础,1.2 水的特性,第一节 水环境化学基础,2.1 气态物质在水中的溶解平衡,大气中的气体与溶液中同种气体间的平衡为：,[G(aq)] = KH×pG,亨利定律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);, 2. 天然水体中的化学平衡,第一节 水环境化学基础,氧在干燥空气中的含量为 20.95% ，水中大部分元素氧来自大气氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压及水中含盐量有关水在25℃时的蒸汽压为0.03167 × 105 Pa氧在 1.013 × 105 Pa， 25 ℃饱和水中的溶解度：,氧在水中的溶解度, 2. 天然水体中的化学平衡,第一节 水环境化学基础,气体的溶解度随温度的升高而降低，不同温度下，气体在水中溶解度的计算：,第一节 水环境化学基础,CO2在干燥空气中的含量为 0.033% ，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在水中的浓度为： Pco2=(1.01325-0.03167)×105×0.00033=32.39（Pa） [CO2]=3.34×10-7×32.39=1.082×10-5(mol/L),CO2的溶解度,第一节 水环境化学基础,2.2 酸碱平衡,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,第一节 水环境化学基础,CT = [H2CO3] + [HCO3-] + [CO32-],第一节 水环境化学基础,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,α,第一节 水环境化学基础,对于开放体系，应考虑大气交换过程：,第一节 水环境化学基础,图3-2 开放体系的碳酸平衡,第一节 水环境化学基础,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： ① 强碱；②弱碱；③ 强碱弱酸盐总碱度 = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] – [H+],2.3 天然水中酸度和碱度,第一节 水环境化学基础,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、强酸弱碱盐等例：某水体的pH = 8.00, 碱度为1.00×10-3 mol/L, 计算该水体中[H2CO3],[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-] + 2[H2CO3] – [OH-],,第一节 水环境化学基础,第一节 水环境化学基础,解：碱度的贡献：[OH-] + [HCO3-] + 2[CO32-] [H+]的浓度可以忽略不计 [H+] = 1.00 × 10-10 mol/L; [OH-] = 1.00 × 10-4 mol/L,[OH-] + [HCO3-] + 2[CO32-] = 1.00 × 10-3 mol/L (1) [H+] = 1.00 × 10-10 mol/L; [OH-] = 1.00 × 10-4 mol/L (2),(3),若水体的pH为10.0，碱度为1.00 × 10-3 mol/L, 则上述各形态物质的浓度为多少？,第一节 水环境化学基础,若一个天然水的pH为7.0，碱度为1.4mmol/L，求需加多少酸才能把水体的pH降低到6.0？,,,解：,第一节 水环境化学基础,当pH在5-9范围内、[碱度]≥10-3mol/L时，[H+]、[OH-]项可忽略不计，得到简化式： CT=α[碱度] 当pH=7.0时，α1=0.816，α2=3.83×10-4，则α=1.22，CT=α[碱度]=1.22×1.4=1.71mmol/L，若加强酸将水的pH降低到6.0，其CT值并不变化，而α为3.25，可得： [碱度]=CT/α=1.71/3.25=0.526mmol/L 碱度降低值就是应加入酸量： △A=1.4-0.526=0.874mmol/L,第一节 水环境化学基础, 3. 水体污染及水体污染源,3.1 水体污染,水体污染是指由于人类活动排放的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为水体污染。

第一节 水环境化学基础,常见水体污染,(1)病原微生物污染 (2)有机物污染 (3)无机盐污染 (4)植物营养素 (5)各种油污染 (6)毒物污染 (7)放射性物质污染 (8)废热水污染,第一节 水环境化学基础,第一节 水环境化学基础,病原微生物污染,第一节 水环境化学基础,有机物污染,3.2 水体污染源,水体污染源是指造成水体污染的污染物的发生源通常是指向水体排入污染物或对水体产生有害影响的场所、设备和装置 按污染源的来源可分为天然污染源和人为污染源 按污染源排入水体的形式，分为点污染源、面污染源两种水体污染源含义,第一节 水环境化学基础,几种水体污染的特点,生活污水：含悬浮态或溶解态的有机物质，营养物质和各种微生物一般生活污水中悬浮固体的含量在200～400mg/L之间，BOD5在200～400mg/L之间工业废水：废水中污染物浓度大；废水成分复杂且不易净化；很多工业废水带有颜色或异味，或呈现出令人生厌的外观，易产生泡沫，含有油类污染物等；废水水量和水质变化大；某些工业废水的水温高，甚至有高达40℃以上。

第一节 水环境化学基础,主要的水环境污染物,悬浮物 耗氧有机物 植物性营养物 重金属 酸碱污染 石油类 难降解有机物 放射性物质 热污染 病原体,第一节 水环境化学基础,水环境污染物,第一节 水环境化学基础,,4.1 水体自净作用, 4. 水体的自净作用与水环境容量,污染物投入水体后，经过水体的物理、化学与生物的作用，使污水中污染物的浓度得以降低，水体恢复到受污染前的状态的过程称为水体的自净过程净化机理,物理作用：稀释、混合、沉淀与挥发 化学作用：氧化还原、酸碱反应、吸附凝聚 生物化学净化：分解转化,第一节 水环境化学基础,4.2 水体自净特征,水体中的污染物在自净过程中浓度是逐渐下降的； 大多数有毒污染物转变为低毒或无毒化合物； 重金属从溶解状态被吸附或转变为不溶性化合物，沉淀入底泥； 复杂的有机物都能被微生物利用和分解； 不稳定的污染物变为稳定的化合物； 水中溶解氧急剧下降到最低点后又缓慢上升，并恢复到正常水平； 水中生物种类和个体数量大量减少，然后生物种类和个体数量也逐渐随之回升，最终趋于正常的生物分布。

第一节 水环境化学基础,4.3 水体中氧的消耗和溶解,图3-3 氧垂曲线,第一节 水环境化学基础,第三章,,第二节 水体中无机污染物的迁移转化,一,天中颗粒物的聚集,二,颗粒物与水之间的迁移,三,沉淀-溶解平衡,四,氧化-还原平衡,,五,配合作用,,(1) 水中颗粒物的组成,非粘土矿物和粘土矿物： 石英(SiO2)、长石(KAlSi3O8)、云母及粘土矿物  金属水合氧化物： Al3+, Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al2(OH)24+, Al(OH)3, Al(OH)4- Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe2(OH)24+, Fe(OH)3, 1. 颗粒与水之间的迁移,第二节 水体中无机污染物的迁移转化, 腐殖质 腐殖质是一种带负电的高分子弱电解质腐殖质是生物体物质在土壤、水和沉积物中转化而成分子量300-30000 腐殖酸：可溶于稀碱但不溶于酸的部分； 富里酸：可溶于酸又可溶于碱的部分； 胡敏素(腐黑物，Humin)：不能被酸和碱提取的部分,第二节 水体中无机污染物的迁移转化, 水体悬浮沉积物, 湖泊中的藻类、污水中的细菌、病毒、表面活性剂、油滴,Henry 型吸附等温线 G=kc k------(分配)系数,G,,,,c,Freundlich型吸附等温线G=kc1/n lgG=lgk+1/nlgc,c,F型,lgc,吸附指溶液中溶质在界面层浓度升高的现象。

水体中颗粒物对溶质的吸附是一个动态平衡过程 在一定的温度条件下，当吸附达到平衡时，颗粒物表面上的吸附量(G)与溶液中的溶质的平衡浓度之间的关系，可用吸附等温线表示2) 水环境中颗粒物的吸附作用,第二节 水体中无机污染物的迁移转化,G=G0c/(A+c) 1/G=1/G0+(A/G0)(1/c) G0------单位表面上达到饱和时间的最大吸附量； A-------常数,L型,1/G,1/c,,,L型,,Langmuir型吸附等温线,第二节 水体中无机污染物的迁移转化,(3) 影响吸附的因素,物理吸附：由于颗粒物具有巨大的比表面和表面能，产生表面吸附； 化学吸附：胶体颗粒大部分带负电荷，容易吸附各种阳离子； 物理化学吸附:在自然环境中，物理吸附和化学吸附常常相伴发生 G = A·c·10BpH 颗粒物粒度和浓度：颗粒物对重金属的吸附量随粒度增大而减少，并且，当溶质浓度范围固定时，吸附量随颗粒物浓度增大而减少第二节 水体中无机污染物的迁移转化,聚集原理, 2. 水中颗粒物的聚集,DLVO物理理论：VT = VR + VA,异体凝聚理论,压缩双电层凝聚 专属吸附凝聚 胶体相互凝聚 “边对面”絮凝 第二极小值絮凝 聚合物粘结架桥絮凝 无机高分子的絮凝 絮团卷扫絮凝 颗粒层吸附絮凝 生物絮凝,第二节 水体中无机污染物的迁移转化,(1) 氧化物和氢氧化物,金属化合物在水中的迁移能力，直观地可以用溶解度来衡量。

溶解度大的，迁移能力大；在固-液平衡体系中，一般用溶度积来表征溶解能力 3. 沉淀-溶解平衡,Me(OH)n (s)  Men+ + nOH-,Ksp= [Men+][OH-]n [Men+] = Ksp/[OH-]n = Ksp[H+]n/Kwn -lg[Men+] = -lgKsp - nlg[H+] + nlgKw pC = pKsp – npKw + npH,第二节 水体中无机污染物的迁移转化,金属硫化物是比氢氧化物溶度积更小的一类难溶沉淀物，只要水环境中存在S2-，几乎所有的重金属均可以从水体中除去2) 硫化物,第二节 水体中无机污染物的迁移转化,(3) 碳酸盐,封闭体系,Ca2+＋CO32- CaCO3(s) Ksp＝[Ca2+][C。