3.1水分子结构天然水基本特征.ppt

3 3）天然水的缓冲能力）天然水的缓冲能力§缓冲溶液能够抵御外界的影响，使其组分保持一定的稳定性，pH缓冲溶液能够在一定程度上保持pH不变化§天然水体的pH值一般在6-9之间，而且对于某一水体，其pH几乎保持不变，这表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系§一般认为各种碳酸盐化合物是控制水体pH值的主要因素，并使水体具有缓冲作用但最近研究表明，水体与周围环境之间发生的多种物理、化学和生物化学反应，对水体的pH值也有着重要作用§但无论如何，碳酸化合物仍是水体缓冲作用的重要因素因而，人们时常根据它的存在情况来估算水体的缓冲能力对于碳酸水体系，当pH<8.3时，可以只考虑一级碳酸平衡，故其pH值可由下式确定： 如果向水体投入△B量的碱性废水时，相应由△B量H2CO3*转化为HCO3-，水体pH升高为pH＇,则：水体中pH变化为△pH=pH＇-pH，即： 由于通常情况下，在天然水体中，pH=7左右，对碱度贡献的主要物质就是[HCO3-]，因此经常情况下，可以把[HCO3-]作为碱度若把[HCO3-]作为水的碱度，[H2CO3*]作为水中游离碳酸[CO2]，就可推出：△B=[碱度][10△pH-1]/(1+K1×10pH+△pH) △pH即为相应改变的pH值。

§在投入酸量△A时，只要把△pH作为负值，△A=-△B,也可以进行类似计算举举例例：在一个pH为6.5、碱度为1.6mmol/L的水体中，用NaOH进行碱化，需多少碱能使pH上升至8.0?解：△pH=8-6.5=1.5, pH=6.5, 碱度=1.6mmol/L所以△B=[碱度][10△pH-1]/(1+K1×10pH+△pH) =1.6×（101.5-1）/(1+10-6.35×106.5+1.5) =1.6×（101.5-1）/45.668 =1.08 mmol/L§许多化学和生物反应都属于酸碱化学的范畴，以化学、生物化学等学科为基础的环境化§学也自然要经常需要应用酸碱化学的理论§酸碱无时无刻都存在于我们的身边，食醋、苏打以及小苏打等都是生活中最常见的酸和碱，一些学者认为弱碱性的水更有利于人类的健康§酸碱反应一般能在瞬间完成，pH值是体系中最为重要的参数，决定着体系内各组分的§相对浓度在与沉积物的生成、转化及溶解等过程有关的化学反应中，pH值往往能决定转化过程的方向§天然水体pH值一般在6～9的范围内，所以在水和废水处理过程中，水体酸碱度的观测是一个首先必须考虑的指标之一。

§在天然水环境中重要的一一元元酸酸碱碱体体系系有HCN-CN—、NH4+—NH3等，二二元元酸酸碱碱体体系系有H2S-HS—S2—、H2SO3—HSO3——SO32—、H2CO3—HCO3——CO32—等，三三元元酸碱体系酸碱体系有：H3PO4—H2PO4——HPO42——PO43—等①①酸碱质子理论酸碱质子理论 事物都有其认识和发展的过程，酸碱化学基础理论亦如此在酸碱化学理论发展过程中存在着如下的几种理论：酸碱电离理论、质子理论§电离理论至今仍普遍应用于水环境化学的领域中，但由于电离理论把酸和碱只限于水溶液，又把碱限制为氢氧化物等，使得该理论对于一些现象不能够很好的解释§由Brosted和Lowry于1923年提出的酸碱质子论是各种酸碱理论中较适于水化学的一种理论根据质子酸和质子碱的定义：凡是能释放出质子的任何含氢原子的物质都是酸，而任何能与质子结合的物质都是碱例如，在下列反应中 HF+H2O≒H3O++F— 当反应自左向右进行时，HF起酸的作用(是质子的给予体)，H2O起碱的作用(质子的受体)如果上述反应逆向进行，则应将H3O+视为 酸，F—则为碱。

HF-F—和H2O—H3O+实质上是两对共轭酸碱体而在下列酸碱反应中 H2O+NH3≒OH—+NH4+ 当反应自左向右进行时，H2O起了酸的作用(是质子的给予体)，NH3起碱的作用(是质子的受体)如果上述反应逆向进行，则应将NH4+视为酸，OH—则为碱NH3—NH4+实质上是一对共轭酸碱体 上面两反应写成一般形式，可以表达为 酸1+碱2≒碱1+酸2 从酸碱质子理论看来，任何酸碱反应，如中和、电离、水解等都是两个共轭酸碱对之间的质子传递反应②②酸和碱的强度酸和碱的强度§醋酸CH3COOH(简称HAc)是典型的一元酸，HAc水溶液体系中存在着如下的离解反应平衡，其电离平衡反应为：HAc+H2O≒H3O++Ac— ， ，Ka称为酸平衡常数已经离解的HAc的百分数，称为弱酸的电离度，常以α表示如果以[HAc]表示HAc的原始浓度，以[Ac—]表示已离解HAc的浓度，则α定义为：α= ×100%§以氨的水溶液作为一元弱碱的例子进行简要介绍，氨的水溶液中存在着如下的电离平衡反应，其电离平衡反应为：NH3+H2O≒NH4++OH—， ，Kb称为碱平衡常数。

需要说明的是，准确的酸碱平衡常数要靠活度计算，但是在一般的稀溶液中，基本上可以用浓度来代替§ 碱的强弱分别采用酸电离常数Ka和碱电离常数Kb来表达用通式表示为： HA+H2O≒H3O++A— A—+ H2O≒HA+OH— 为应用方便，一般采用pKa，pKb来表示酸碱电离常数：pKa=lgKa，pKb=lgKb Ka数值越大或pKa数值越小，表明HA的酸性越强Kb数值越大或pKb数值越小表明A—的碱性越强一般规定pKa<0.8者为强酸，pKb<1．4者为强碱③③平衡计算平衡计算确定了弱酸离解常数，就可以计算已知浓度的弱酸溶液的平衡组成§举举例例计计算算1 1：在在环环境境温温度度为为2525摄摄氏氏度度条条件件下下，，含含氨氨废废水水浓浓度度为为0.200mg/L0.200mg/L，，求求该该废废水水的的OHOH- -浓浓度度、、pHpH值值和和氨氨水水的的电电离离度度已已知知氨氨在在2525摄氏度的离解常数是摄氏度的离解常数是1.8×101.8×10-5-5）） 解：假定平衡时NH4+的浓度为x mol／L NH3+H2O≒NH4++OH—，平衡时浓度： 0.200-x x x所以 = =1.8×10-5所以可以求得x=1.90×10-3mol／L即，[OH—]＝1.90×10-3mol／L 由于pH值为氢离子活度的负对数度，求得： pH＝14-pOH＝14+1g[OH—]＝11.28 电离度为α=×100%=0.95%§举举例例计计算算2 2：计计算算0.2mol0.2mol／／L L的的H H2 2S S溶溶液液中中的的H H+ +、、OHOH——、、S S2—2—的的浓浓度度和和溶溶液液的的pHpH值值。

(已已知知H H2 2S S的的一一级级电电离离常常数数K K1 1=1.32×10=1.32×10-7-7, , 二二级级电电离离常常数数K K2 2=7.1×10=7.1×10-15-15) )解：设由第一步离解产生的[H+]为x mol/L，第二步离解产生[H+]为y mol/L，由水离解产生的[H+]为z mol/L  H2S的离解平衡分两步：H2S+H2O＝H3O+ + HS— K1 平衡时浓度(mol/L)：0.2-x x+y+z x-y由平衡常数的定义有： =1.32×10-7 (1)H2S的离解第二步平衡：HS—+H2O＝H3O++S2— K2 平衡时浓度(mol/L)：x-y x+y+z y由平衡常数的定义有： =7.1×10-15 (2)另外,根据水的电离平衡:Kw=[H3O+][OH-]=(x+y+z)z=1.0×10-14 (3)由于K1>>K2，HS—电离程度要比H2S小的多，水的电离也很小，所以可以近似得出：x>>y，x-y≈x,x>>z,x+y+z≈x,所以由（1）可以得到x2/(0.2-x)= 1.32×10 1.32×10-7-7,所以x=[ H3O+]= 1.6×101.6×10-4-4mol/L,pH=3.8mol/L,pH=3.8由（2）可以得到xy/x=7.1×107.1×10-15-15所以y=[ S2-]=7.1×107.1×10-15-15mol/Lmol/L由（3）可以得到xz=1.0×101.0×10-14-14所以z=[OH-]=6.3×106.3×10-11-11mol/Lmol/L（（5 5）酸碱化学理论在水处理中的应用）酸碱化学理论在水处理中的应用§工业废水带有很多酸碱性物质，这些废水如果直接排放，就会腐蚀管道，损害农作物、鱼类等水生生物、危害人体健康，因此处理至符合排放标准后才能排放。

酸性废水主要来自钢铁厂、电镀厂、化工厂和矿山等，碱性废水主要来自造纸厂、印染厂和化工厂等，在处理过程中除了将废水中和至中性pH值外，还同时考虑回收利用或将水中重金属形成氢氧化物沉淀除去除§对于酸性废水，中和的药剂有石灰、苛性钠、碳酸钠、石灰石、电石渣、锅炉灰和水软化站废渣等例如，德国对含有1％硫酸和1％-2％硫酸亚铁的钢铁酸洗废液，先经石灰浆处理到pH=9-10，然后进行曝气以帮助氢氧化亚铁氧化成氢氧化铁沉淀，经过沉降，上层清液再加酸调pH值至7-8，使水可以重复使用§对于碱性废水，可采用酸碱废水相互中和、加酸中和或烟道气中和的方法处理，因为烟道气中含有CO2，SO2，H2S等酸性气体，故利用烟道气中和碱性废水是一种经济有效的方法例如，印染§废水(一般碱性)常采用加酸的方法处理常用的酸有硫酸和盐酸，其中工业硫酸价格较低，应用较多§在用强酸中和碱性废水时，当水的缓冲强度较小时，pH难于控制，英国采用CO2取代工业硫酸，取得很好的效果在造纸、化工、纺织和食品行业等许多工艺过程中，会产生碱性的废液英国传统上用无机酸(如硫酸和盐酸)中和，符合排入河流及下水道的要求(pH值的允放范围为5-9)，然而，这类无机酸的酸性强，难以进行严密的工艺管理。

不能保证有效稳定运行使用二氧化碳调节废水的pH值，目前尚未被人们广泛认识，但将会逐渐普及二氧化碳的费用较无机酸更为低廉，还有许多优点：安全、灵活、可靠、易操作和便于工艺管理主要包括以下几方面Ø安安全全 CO2与无机酸相比危险性低，腐蚀性小不需设置隔离墙、眼睛冲洗及其他安全冲洗站，而且液态CO2不易泄漏CO2的另一个优点是大量超剂量不会造成灾害但需有良好的通风条件Ø操操作作简简便便 CO2能自动地从储藏容器中分布到各注入点它不同于无机酸，在使用前不需稀释Ø改改善善工工艺艺流流程程 使用CO2中和时，pH值曲线变化缓慢，与之相反，用H2S04中和时曲线在pH=10-7迅速下降(几乎为垂直)这是无机酸的特点，因为它破坏了水的自然缓冲能力可见用无机酸准确地控制pH值通常是困难的，而用CO2可以使pH值下降速率达到较平稳的状态Ø设设备备效效率率高高 因为CO2系统可移动部件少，不用计量泵，维修方便，可靠性也高气态CO2无腐蚀性，所以该系统可长期稳定地运转Ø有有利利于于环环境境 在水中，CO2由植物、鱼类等呼吸作用产生，仅对水的酸度产生影响它不增加对环境有额外影响的阴子，如SO42-、Cl-等。

Ø费用低费用低 商品CO2不是制造的，而是从废气中获得的，而是一种 较纯的可循环的产品而无机酸如商品H2S04按质量计有效成分一般为77％-98％．，HCl为33％～36％CO2在英国的价格大约与硫酸相同由于CO2消耗量低，具有节约开支的潜力4 4、天然水的水质、天然水的水质①①水质指标水质指标l   水质、水量和水能是度量水资源可利用价值的三个重要指标§对于环境化学的研究，水质指标是最重要的水质指标水质指标指水样中除水分子外所含杂质的种类和数量或浓度§天然水(也兼及各种用水、废水)的水质指标，可分为物理、化学、生物、放射性四大类Ø物理指标：水温，pH值、色度、浊度、悬浮物Ø化学指标：硫酸盐、氯化物、总铁(TFe)、总砷(TAs)、总锌(TZn)、总氮(TN)、总磷（TP）、总铅（TPb）、总氰化物（TCN）、溶解氧、电导率、硬度、碱度、CODMn(高锰酸盐法)、CODcr（重铬酸钾法）、BOD5、BOD20、TOD(总需氧量)、TOCØ生物指标：细菌总数、藻类、总大肠杆菌Ø放射性指标：放射性物质浓度水平（60Co（钴）、90Sr（锶）、106Rn（氡）、137Cs(铯)）总α放射性（Bq/L）、总β放射性（Bq/L）②②水质标准水质标准 §目前我国有《地表水环境质量标准》、《地下水环境质量标准》、《海水环境质量标准》、《生活饮用水卫生标准》、《景观娱乐用水水质标准》、《农田灌溉水质标准》、《渔业水质标准》、《饮用天然矿泉水标准》、《污水综合排放标准》。

§需要了解一下《地面水环境质量标准》中的分类Ø ⅠⅠ类：类：适用于源头水、国家自然保护区；ⅡⅡ类：类：适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场；ⅢⅢ类类：：适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区；ⅣⅣ类：类：适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；ⅤⅤ类：类：适用于农业用水区及一般景观要求水域 三、水体污染和自净三、水体污染和自净1 1、水体污染与自净、水体污染与自净§水水体体污污染染 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§水体自净水体自净 指受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经一段时间后恢复到受污染前状态的过程§自净作用自净作用：Ø物物理理自自净净 污染物进入水体后，可沉性固体逐渐沉至水底形成污泥，悬浮物、胶体和性污染物则因混合稀释而逐渐降低浓度 Ø化化学学自自净净 污染物进入水体后经络合、氧化还原、沉淀反应等而得到净化 Ø生生物物自自净净 在生物的作用下，污染物的数量减少，浓度下降，毒性减轻或消失. §水体中的污染物水体中的污染物 水体污染包括无机和有机有毒物质、耗氧有机物、石油类、放射性物质、热污染以及病原微生物等。

Ø病病原原体体污污染染物物 生活污水、畜禽饲养场污水以及制革、洗毛、屠宰业和医院等排出的废水，常含有各种病原体，如病毒、病菌、寄生虫病病原原体体污污染染的的特特点点 （1）数量大，（2）分布广，（3）存活时间较长，（4）繁殖速度快，（5）易产生抗药性，很难绝灭，（6）传统的二级生化污水处理及加氯消毒后，某些病原微生物、病毒仍能大量存活Ø耗耗氧氧污污染染物物 耗氧有机物浓度常用单位体积水中耗氧物质生化分解过程所消耗的氧量表示，即以生化需氧量(BOD5)表示Ø植植物物营营养养物物 植物营养物主要指氮、磷等能刺激藻类及水草生长、干扰水质净化，使BOD5升高的物质富富营营养养化化 是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象Ø有毒污染物质有毒污染物质 是是指进入生物体后累积到一定数量能使体液和组织发生生化和生理功能的变化，引起暂时或特久的病理状态，甚至危及生命的物质有毒污染物类型：有毒污染物类型：（1）重金属（2）无机阴离子 （3）致癌有机物质（4）一般有机物质 Ø石油污染石油污染 石油是烷烃、烯烃和芳香烃混合物。

石油污染物主要来自工业排放，清洗石油运输船只的船舱、机件及发生意外事故，海上采油等均可造成石油污染Ø放放射射性性污污染染物物 放射性污染是由放射性物质进入水体造成放射性污染物主要来源于核动力工厂排出的冷却水，向海洋投弃的放射性废物，核爆炸降落到水体的散落物，核动力船舶事故泄漏的核燃料；开采、提炼和使用放射性物质时，如果处理不当，也会造成放射性污染Ø酸、碱、盐无机物污染：热污染酸、碱、盐无机物污染：热污染 热污染是一种能量污染，是由工矿企业向水体排放高温废水造成水环境中污染物，总体上可划分为金属污染物和有机污染物两大类  思考题思考题1、从一家石灰窑厂排放的废水中含有氢氧化钙，pH=11.0，现在通入酸性的二氧化碳烟道气进行处理，使其中的Ca(OH)2全部转化为Ca(HCO3)2,则每吨废水需要多少的二氧化碳？2、为什么天然水具有一定的酸碱缓冲能力？推导天然水（考虑为碳酸水体系，pH<8.3）的缓冲能力的计算表达式：△B=[碱度][10△pH-1]/(1+K1×10pH+△pH) 并 利 用 该 式 计 算 在 一 个 pH为 6.5、 碱 度 为1.6mmol/L的水体中，用NaOH进行碱化，需多少碱能使pH上升至8.0?（K1=10-6.35）3、什么是酸碱质子理论？列举几种天然水环境中常见的一元、二元、三元酸碱体系？以HF和NH3与水的反应为例，说明酸碱质子理论。

4、在环境温度为25摄氏度条件下，含氨废水浓度为0.200mg/L，求该废水的OH-浓度、pH值和氨水的电离度已知氨在25摄氏度的离解常数是1.8×10-5）5、列举二氧化碳在废水处理调节pH中的优点？6、水质指标的含义是什么？简述水体的主要四大类指标？我国目前的地表水环境质量标准中的五类水分别表示什么？7、若有水A，pH为7.5，其碱度为6.38mmol/L，水B的pH为9.0，碱度为O.80mmol/L，若以等体积混合，问混合后的pH值是多少? (p195，6)8、溶解1.00×10-4mol/L的Fe(N03)3，于1L具有防止发生固体Fe(OH)3沉淀作用所需最小[H+]浓度的水中，假定溶液中仅形成Fe(OH)2+和Fe(OH)2+而没有形成Fe2(OH)24+请计算平衡时该溶液中[Fe3+]、[Fe(OH)2+]、[Fe(OH)2+]、[H+]和pHP195,7）（要求列出计算方程即可）。