2[1]. 水环境化学.ppt.Convertor.doc

第一篇 水环境化学Section one Aquatic Environmental Chemistry 第二章 天然水的基本特征和水污染Basic characters and pollutions of nature water水的分布及水循环 水的特性及环境效应 水质标准和水质指标 天然水的的组成和性质 第一节 水的分布及水循环Distribution and cycle of water地球表面有70.0%为海洋所覆盖，占地球总水量的97.4%，淡水只占2.6%，可供人类使用的淡水资源约为850万km3，仅占地球总水量的0.64%。 我国水资源比较丰富，约为27210亿m3，居世界第六位。目前用水量仅次于美国。对44个城市水质调查，地下水93.2%被污染，地表水100%污染。第二章 天然水的基本特征和水污染第二章 天然水的基本特征和水污染海水是一种稀电解质溶液，其中溶质的主要成分是Na+和Cl-离子，这两种离子再加上Mg2+、Ca2+、K+、 HCO3- 、 CO32- 、 SO42- 、 Br-等离子，共占海水中溶解固体总量的99%以上。 第二章 天然水的基本特征和水污染河水中最常见的阴离子HCO3-，最常见的阳离子是Na、Ca2+。第二章 天然水的基本特征和水污染湖水中含有钙、镁、钠、钾、硅、氮、磷、锰、铁等元素。第二章 天然水的基本特征和水污染降水和地下水成分更复杂。第二章 天然水的基本特征和水污染水循环及其影响因素第二章 天然水的基本特征和水污染地理因素人为因素蒸发、降水和径流第二节 水的特性及环境效应Characters of water and environmental effects一、水的特性Characters of water 水的密度随温度的变化曲线1. 水的物理性质第二章 天然水的基本特征和水污染正因为冰的密度小于水，冬季冰浮出水面保护了数以万计的水下生物。第二章 天然水的基本特征和水污染2. 水的特性第二章 天然水的基本特征和水污染水的独特性质主要基于它能形成氢键（hydrogen bond），由于氢链的存在，当很多相同分子互相吸引叠合形成聚合体，而又不影响分子的化学性质的现象，称为缔合（association）。 第二章 天然水的基本特征和水污染第二章 天然水的基本特征和水污染水分子中，有两对未成键电子及两个氢原子，所以一个水分子能与周边两个水分子形成四个氢键，如此网状排列，便形成许多的空隙。因此，冰熔化成同质量的水时，体积会变小，这使得冰的密度（约0.917gcm3）比水小。第二章 天然水的基本特征和水污染第二章 天然水的基本特征和水污染二、水的环境效应 environmental effects第二章 天然水的基本特征和水污染水的主要的物理化学特性对环境的效应，见p15表格（略）。第二章 天然水的基本特征和水污染第三节 水质标准和水质指标Quality standard and quality index of water水质即水的质量。水质指标是指水样中除水分子外所含杂质的种类和浓度（数量）。水质指标可以归纳为物理、化学、生物学、放射性等四类指标。一、水质指标 quality index 1. 水质物理指标第二章 天然水的基本特征和水污染（1）Temperature （2）Odor and taste（3）Color（4）Suspend solid（5）Turbidity（vs. Transparency）2. 水质化学指标第二章 天然水的基本特征和水污染（1）pH value（2）Eh value（ORP） （3）Acidity and alkalinity碱度（Alkalinity） ：指水中能接受质子的物质总量。第二章 天然水的基本特征和水污染测定碱度时，一般用强酸标准溶液滴定，以甲基橙为指示剂，滴到溶液由黄色变成橙色为止，此时所得的结果称为总碱度，也称甲基橙碱度。H+OH- H2O xH+ CO32- HCO3- y yH+HCO3- H2CO3 zy总碱度 OH-2CO32-HCO3-H+第二章 天然水的基本特征和水污染测定碱度时，如果以酚酞为指示剂，当溶液刚刚变红色（由较高的pH值降到pH10.3）就停止滴定，此时碱度为苛性碱度；如果以酚酞为指示剂，继续滴到溶液红色刚刚消失（pH8.3），此时所得的结果称为酚酞碱度。第二章 天然水的基本特征和水污染第二章 天然水的基本特征和水污染酚酞碱度 OH-CO32-H2CO3H+苛性碱度OH-HCO3-2H2CO3H+H+OH- H2O H+ CO32- HCO3- x y y H2CO3 H+HCO3- z z 酸度（Acidity）：指水中能给出质子的物质总量。第二章 天然水的基本特征和水污染以强碱滴定含碳酸水测定酸度时，以甲基橙为指示剂，滴到溶液由红色变成橙黄色（pH4.4），得到无机酸度；如果滴定以酚酞作为指示剂，滴到溶液有无色变为粉红色（pH8.3），得到游离CO2酸度；当滴到无色（pH10.8），得到总酸度。第二章 天然水的基本特征和水污染OH- + H+ H2O xOH-+H2CO3 HCO3-+ H2O y yOH-+ HCO3- CO32- + H2O z + y第二章 天然水的基本特征和水污染总酸度 H+2H2CO3+HCO3-OH-CO2酸度H+H2CO3CO32-OH-第二章 天然水的基本特征和水污染无机酸度H+HCO3-2CO32-OH-3. 水质有机物指标第二章 天然水的基本特征和水污染（1）Dissolved oxygen（DO） （2）Chemical oxygen demand（COD）（3）Biochemical oxygen demand（BOD）（4）Total oxygen demand（TOD）（5）Total organic carbon（TOC）（1）Dissolved oxygen（DO）气体的溶解度正比于液体接触该气体的分压力。亨利定律第二章 天然水的基本特征和水污染kH为气体在一定温度下的亨利定律常数（molL-1kpa-1）； XG为气体的分压（kpa）。 注意：当溶解于溶液的气体进一步发生反应的话，情况就不同了。比如：CO2+H2OH+HCO3- 因此，气体溶解在水中的量，可以大大高于亨利定律计算值。X(aq)kHXG第二章 天然水的基本特征和水污染【例题1】求在101.325kp下，25时氧气在饱和水中的溶解度。（pH2O饱和3.171kpa，kH1.26 10-5 molL-1kpa-1）解：由于空气中氧气含量约为21，故水中氧气的分压为：pO2（101.3253.171）2120.612kpa代入亨利定律： O2(aq)=kHpO2 =1.2610-520.612 2.6010-4molL-1 SM O2(aq)=32.02.6010-4 8.3210-3 gL-1第二章 天然水的基本特征和水污染通常水体中的溶解氧低于5 mg/L时，各类浮游生物便不能生存；低于4 mg/L时，鱼类就不能生存；低于2 mg/L时，水体就要发臭。【例题2】求在101.325kpa下，25时CO2在饱和水中的溶解度。(PH2O饱和3.171kpa，kH3.34 10-4 molL-1kp-1,kCO2=4.4510-7）解：由于空气中CO2含量约为0.03，故水中CO2的分压为：pCO2（101.3253.171）0.03 2.94510-2kpa代入亨利定律：CO2(aq)=kHpCO2=3.3410-42.94510-2 9.8410-6molL-1第二章 天然水的基本特征和水污染CO2H2OHCO3- +H+因此溶解于水中二氧化碳总浓度为：9.8410-6 + 2.0910-6 =1.2010-5此为水中溶解的CO2分子的含量，由于CO2溶于水后可以和水发生反应，因此要求CO2在水中的溶解度，还要求出其发生反应的部分。第二章 天然水的基本特征和水污染Clausius-Clapeyron方程其中C1、C2分别为温度T1、T2时气体在水中的溶解浓度；DH是溶解热（J/mol）；R为气体常数：8.314 JK-1mol-1。第二章 天然水的基本特征和水污染（2）Chemical oxygen demand（COD）用强氧化剂（如重铬酸钾、高锰酸钾等）在强酸和加热回流条件下对有机物进行氧化，并加入银离子作催化剂，把反应中氧化剂的消耗量换算成氧气量即为化学需氧量，单位mg/L。第二章 天然水的基本特征和水污染不足：对有机物部分氧化，它也不能区分有机物的品种以及可被生物氧化的和难被生物氧化的有机物，也不能提供氧化速度的任何数据。（3） Biochemical oxygen demand（BOD）生化需氧量是在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量，单位为mg/L，通常记做BOD5、 BOD10等。第二章 天然水的基本特征和水污染不足：生化需氧量包含的内容一般也是不含氮有机物和含氮有机物中的碳素部分。而且，生物氧化不如化学氧化彻底。（4） Total oxygen demand（TOD）总需氧量是指水体中有机物完全氧化所需要的氧量。其测定方法是在特殊的燃烧器中，以铂为催化剂，在900温度下，使定量水样气化，其中有机物燃烧，然后测定气体载体中氧的减少量作为有机物完全氧化所需的氧量。第二章 天然水的基本特征和水污染特点：比COD和BOD更接近理论需氧量。一般认为可以真正代表有机物完全氧化的总需氧量。（5） Total organic carbon（TOC）总有机碳是在一定条件下，使水样气体燃烧，测定其中二氧化碳的含量，从而确定水中碳元素的含量，在此总量中减去碳酸盐等无机碳元素含量，就可以得总有机碳的含量。第二章 天然水的基本特征和水污染不足：都不能区别有机污染物的性质和解决有机污染物的直接测定问题。二、水质标准 Quality standard of water 第二章 天然水的基本特征和水污染属于环境标准的一个类别，是为保护水环境、维持生态平衡，对水体及水污染源等所制定的有关水质指标的浓度（数量）的限定值。由具体的水质指标来体现，不同国家和地区的水质标准不同。第四节 天然水的组成和性质Component and quality of natural water其组分要考虑岩石风化和土壤形成等有关过程。一、天然水化学组成的形成过程第二章 天然水的基本特征和水污染水体所处的自然环境不同，所含的化合物也不同。宏观看，化学元素在水体中是以真溶液、胶体和悬浮态三种形式存在。水的关键作用：作为悬浮物和可溶物质的输送者，作为物质化学转化中的反应物。 第二章 天然水的基本特征和水污染风化过程： 地壳中原生岩石是火成岩，经过风化作用、迁移和沉积作用而成为沉积岩，沉积岩经地壳变迁可重新转入大陆，也可再经变质岩转为火成岩，构成岩石循环。Ca2+、Mg2+、K+、Na+、 Cl- 、 HCO3-、CO32-和SO42-为天然水中常见的八大离子，占天然水中离子总量的9599%。二、天然水主要离子组成第二章 天然水的基本特征和水污染三、天然水体的缓冲能力天然水体的pH值一般在69之间，而且对于某一水体，其pH值几乎保持不变，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，碳酸化合物是水体缓冲作用的重要因素。第二章 天然水的基本特征和水污染四、水的硬度水中含有很多离子，Al3+、Fe3+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等，其中Ca2+、Mg2+的含量远远大于其他离子的含量，因此以水中Ca2+、Mg2+的总量称为水的硬度。表示方法1：以每升水中含有10mgCaO为1度。表示方法2：以每升水中CaO的毫摩尔数表示。第二章 天然水的基本特征和水污染总硬度 水质 04度 很软水 48度 软水 816度 中等硬水 1630度 硬水 30度以上 很硬水 水的硬度分级：第二章 天然水的基本特征和水污染第二章 天然水的基本特征和水污染五、水中的氮、磷和富营养化水体中的氮主要以N2、NH4+、NO3-、NO2-和有机氮等形式存在。氮在环境中能完成最基本的循环过程。水体中的磷主要以正磷酸盐、多磷酸盐和有机磷等形式存在。磷是一种生命必需的元素，所有生命形式在为细胞代谢提供能量的过程中都需要磷。第二章 天然水的基本特征和水污染五、水中的氮、磷和富营养化藻类原生质的组成C106H262O110N16P，可以看出，自然环境中，每产生一千克藻类，需要NP最少、所以从养分供给的角度看，磷和氮最容易超限。第二章 天然水的基本特征和水污染五、水中的氮、磷和富营养化水体的富营养化是指生物所需的氮、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，水体溶解氧含量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。第二章 天然水的基本特征和水污染六、水环境中的腐殖质腐殖质是有机高分子物质，分子量在300到30000以上。根据其在碱和酸溶液中的溶解度把其划分为三类：（1）腐殖酸： 可溶于稀碱液但不溶于酸的部分，分子量由数千到数万。（2）富里酸： 可溶于酸又可溶于碱的部分，分子量由数百到数千。（3）胡敏酸： 不能被酸和碱提取的部分。 在腐殖酸和胡敏酸中，碳含量为50%60%，氧含量为30%35%，氢含量为4%6%，氮含量为2%4%，而富里酸中碳和氮含量较少，氧含量较多，为44% 50%。 不同地区和不同来源的腐殖质其分子