环境化学天然水的基本特征及污染物的存在形态PPT课件.ppt

1 第三章水环境化学 AquaticEnvironmentalChemistry 2 3 本章重点及难点 1 无机污染物在水体中进行沉淀 溶解 氧化 还原 配合作用 吸附 解吸 絮凝 沉淀的基本原理 2 计算水体中金属存在形态 3 pE计算 4 有机污染物在水体中的迁移转化过程和分配系数 挥发速率 水解速率 光解速率和生物降解速率的计算方法 4 第一节天然水的基本特征及污染物的存在形态 一 天然水的基本特征1 天然水的组成2 天然水的性质二 水中污染物的分布和存在形态1 有机污染物2 金属污染物三 水中营养元素及水体富营养化1 水中营养元素2 水体富营养化 5 第一节天然水的基本特征及污染物的存在形态 一 天然水的基本特征 1 天然水的组成 水中八大主要离子 水中金属离子 气体在水中的溶解度 水生生物 2 天然水的性质 碳酸平衡酸度和碱度 6 1 八大离子 K Na Ca2 Mg2 HCO3 NO3 Cl 和SO42 总含盐量 TDS TDS K Na Ca2 Mg2 HCO3 Cl SO42 2 水中的金属离子 水溶液中金属离子 Mn 简单的水合金属离子M H2O n 水中可溶性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 在近于中性的天然水溶液中 水合铁离子的浓度可忽略不计 7 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 1 计算气体的溶解度时 需要对水蒸气的分压加以校正 2 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是亨利定律常数 mol L Pa 表3 2 1 天然水的组成 注意 8 氧在干燥空气中的含量为20 95 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 105Pa 氧在1 013 105Pa 25 饱和水中的溶解度 氧在水中的溶解度 1 天然水的组成 9 不同温度下 气体在水中溶解度的计算 Clausius Clapeyron方程式 1 天然水的组成 10 CO2在干燥空气中的含量为0 0314 水在25 时的蒸汽压为0 03167 105Pa CO2的亨利定律常数为3 34 10 7mol L Pa 则CO2在水中的浓度为 CO2的溶解度 1 天然水的组成 故CO2在水中的溶解度应为 CO2 HCO3 1 24 10 5mol L H HCO3 K1 4 45 10 7 11 4 水生生物 生态系统 食物链中的一个重要环节 生产者 消费者 分解者 自养生物 异养生物 生产率 富营养化 C N P 1 天然水的组成 富营养化问题中 多数情况 P是限制因素 有些情况下CO2也是一个限制因素 注意 12 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 2 天然水的性质 13 2 天然水的性质 2 1碳酸平衡 CT H2CO3 HCO3 CO32 CO2 H2O H2CO3 14 以上属封闭的水溶液体系的情况 没有考虑大气交换过程 图3 1碳酸化合态分布图 2 天然水的性质 CT H2CO3 HCO3 CO32 15 对于开放体系 应考虑大气交换过程 2 天然水的性质 一定温度下 PCO2是恒定不变的 所以 H2CO3 保持不变 但是随着pH的改变 HCO3 CO32 发生改变 16 lgC pH图 2 17 比较开放体系和封闭体系的区别 2 天然水的性质 H2CO3 HCO3 CO32 随着pH的改变而改变 但是CT不变 封闭体系 开放体系 CT HCO3 CO32 随着pH的改变而改变 但是 H2CO3 不变 封闭体系是计算短时间溶液组成的一种方法 开放体系是实际存在的 18 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 包括 强碱 弱碱 强碱弱酸盐 总碱度 HCO3 2 CO32 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 总酸度 H HCO3 2 H2CO3 OH 总碱度不受H2CO3 的影响 19 某水体的pH 8 00 碱度为1 00 10 3mol L 该水体中 HCO3 CO32 OH H 等物质的浓度 2 天然水的性质 解 pH 8 00时 CO32 的浓度很低 与 HCO3 相比可忽略 可认为碱度全部由 HCO3 贡献 则 HCO3 碱度 1 00 10 3mol L 根据pH值 H 1 00 10 8mol L OH 1 00 10 6mol L 20 课后习题 若水体的pH为10 0 碱度为1 00 10 3mol L 则 HCO3 CO32 OH H 等物质的浓度 21 二 水中污染物的分布和存在状态 1 有机污染物 OrganicPollutant 1 农药2 多氯联苯 PCBs 3 卤代脂肪烃4 醚类5 单环芳烃6 苯酚类和甲酚类7 酞酸酯类8 多环芳烃类 PAH 9 亚硝胺和其他化合物 22 二 水中污染物的分布和存在状态 1 农药 农药是一种化学物质 用于防治病 虫 草害 包括杀虫剂 杀菌剂 除草剂 灭鼠剂 以及调节植物生长的化学药品和生物药品 其中用量最大的是前三种类型农药 1847年 德国著名化学家蔡德勒合成了一种有机氯化合物 化合物中含有两个氯苯和一个三氯甲基 化学名称为2 2 双 对氯苯基 1 1 1 三氯乙烷简称为DDT 我国又称滴滴涕 23 二 水中污染物的分布和存在状态 1 农药 DDT的化学性质稳定 不易降解 具有较低的溶解度和较高的辛醇水分配系数 在自然界及生物体内可以较长时间存在 通过食物链富集 毒性增大 导致鱼类和鸟类的死亡 甚至在南极大陆定居的企鹅体内都有DDT的存在 对人类的健康也构成了威胁 但是 24 农药在农产品中的分布 25 2 多氯联苯 PCBs 极难溶于水 不易分解 易溶于有机溶剂和脂肪 具有很高的辛醇 水分配系数 能强烈的分配到沉积物有机质和生物脂肪中 3 卤代脂肪烃挥发性有机物 可以挥发至大气中进行光解 水中的溶解度较高 辛醇 水分配系数低 4 醚类七种醚类属EPA优先污染物 其性质不同 其中五种 即双 氯甲基 醚 双 2 氯甲基 醚 双 2 氯异丙基 醚 2 氯乙基乙烯基醚及双 2 氯乙氧基 甲烷大多存在于水中 辛醇 水分配系数很低 因此它的潜在生物积累和在底泥上的吸附能力都低 4 氯苯基醚和4 溴苯基醚的辛醇 水分配系数较高 因此有可能在底泥有机质和生物体内累积 1 OrganicPollutant 26 5 单环芳烃挥发 光解 主要途径 吸附和生物富集均不是重要的迁移转化过程 6 苯酚类及甲酚类水溶性较高 低辛醇 水分配系数 主要通过生物降解和光解进行迁移和转化 7 酞酸酯类水中溶解度小 辛醇 水分配系数高 主要富集在沉积物有机质和生物脂肪中 8 多环芳烃类 PAHs 水中溶解度小 辛醇 水分配系数高 主要积累在沉积物 生物体内和溶解的有机质中 9 亚硝胺及其他沉积物或水中 1 OrganicPollutant 27 2 金属污染物 二 水中污染物的分布和存在状态 1 镉2 汞3 铅4 砷5 铬6 铜7 锌8 铊9 镍10 铍 28 1 镉A 镉是水迁移性元素 除了硫化镉外 其他镉的化合物均能溶于水 B 水体中悬浮物和沉积物对镉有较强的吸附能力 C 水生生物对镉有很强的富集能力 2 金属化合物 水生生物吸附 富集是水体中重金属迁移转化的一种形式 通过食物链的作用可对人类造成严重威胁 众所周知 日本的痛痛病就是由于长期食用含镉量高的稻米所引起的中毒 29 2 汞A 汞与其他元素等形成配合物是汞能随水流迁移的主要因素之一 B 水中悬浮物能大量摄取溶解性汞 使其最终沉降到沉积物中 C 沉积物中的无机汞能转变成剧毒的甲基汞而不断释放至水体中 2 金属化合物 甲基汞与无机汞的迁移不同 是一种危害人体健康与威胁人类安全的生物地球化学迁移 日本著名的水俣病就是食用含有甲基汞的鱼造成的 30 3 铅水体中悬浮颗粒物和沉积物对铅有强烈的吸附作用 因此铅化合物的溶解度和水中固体物质对铅的吸附作用是导致天然水中铅含量低 迁移能力小的重要因素 4 砷砷可被颗粒物吸附 共沉淀而沉积到底部沉积物中 水生生物能很好富集水体中无机和有机砷化合物 水体无机砷化合物还可被环境中厌氧细菌还原而产生甲基化 形成有机砷化合物 一般认为 砷的生物有机化过程 是自然界的解毒过程 但是三甲基砷却是有剧毒 并且容易挥发进入空气 2 金属化合物 31 5 铬铬存在形态决定着其在水体的迁移能力 三价铬大多数被底泥吸附转入固相 少量溶于水 迁移能力弱 六价铬在碱性水体中较为稳定并以溶解状态存在 迁移能力强 六价铬毒性比三价铬大 它可被还原为三价铬 还原作用的强弱主要取决于DO BOD5 COD值 DO值越小 BOD5值和COD值越高 则还原作用越强 因此 水中六价铬 可先被有机物还原成三价铬 然后被悬浮物强烈吸附而沉降至底部颗粒物中 这也是水体中六价铬的主要净化机制之一 2 金属化合物 32 6 铜水生生物对铜特别敏感 故渔业用水铜的容许浓度为0 01mg L 是饮用水容许浓度的百分之一 水体中大量无机和有机颗粒物 能强烈的吸附或螯合铜离子 使铜最终进入底部沉积物中 因此 河流对铜有明显的自净能力 7 锌锌可被水体中悬浮颗粒物吸附 或生成化学沉积物向底部沉积物迁移 沉积物中锌含量为水中的1万倍 水生生物对锌有很强的吸收能力 因而可使锌向生物体内迁移 富集倍数达103 105倍 2 金属化合物 33 铊 Thallium 是一种分散的元素 大部分铊以分散状态的同晶形杂质存在于铅 锌 铁 铜等硫化物和硅酸盐矿物中 黄铁矿和白铁矿中有最大的含铊量 目前 铊主要从处理硫化矿时所得到的烟道中抽取 铊在天然水中含量为1 0ug L 但受采矿废水污染的河水中铊含量可达8 0ug L 铊在氧化后 一般拥有 3或 1氧化态 形成离子盐 水溶铊盐大部份几乎无味 且都是剧毒物 曾被用作杀鼠剂和杀虫剂以及谋杀工具 这类化合物的使用已经被多国禁止或限制 铊中毒会造成脱发 8 铊 34 铊中毒 2 金属化合物 朱令 100 伤残 全身瘫痪 双目近乎失明 大脑迟钝 100公斤的体重和基本语言能力丧失 35 朱令是谁 她1973年11月出生在北京 1992年考入清华大学化学系物理化学和仪器分析专业 曾为清华大学民乐队队员 曾获1994年全国高校艺术表演独奏组二等奖 曾是北京市游泳二级运动员 1994年冬和1995年春 朱令至少两次摄入致死剂量重金属铊盐 第二次中毒后昏迷多日 几近成为植物人 1995年5月经对症治疗后得救 但因为误诊时间过长等原因 肌体受到严重损害 并留下了严重的后遗症 网友给朱令过生日 36 三 水中营养元素及水体富营养化 1 水中营养元素N P C O和微量元素 Fe Mn Zn 必需 营养化状况判断 N P 100 贫营养 N P 10 富营养 100 N P 10 正常 一般总磷超过0 02mg L 无机态氮超过0 3mg L 即处于危险状态 37 2 水体富营养化 富营养化的定义 富营养化 生物所需的氮 磷等营养物质进入湖泊 河口 海湾等缓流水体 引起藻类及其浮游生物迅速繁殖 水体DO下降 鱼类等其它生物大量死亡的现象 污染物大量