水环境化学(1)-10-20.ppt

第三章水环境化学 WaterEnvironmentalChemistry 本章重点 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 第一节天然水的基本特征及污染物的存在形态 一 天然水体的基本特征 BasicCharacterofNaturalWaters 1 天然水的组成 ConstitutionofNaturalWaters 可溶性物质悬浮物悬浮物质颗粒物水生生物 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 n 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 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 总含盐量 TDS TDS K Na Ca2 Mg2 HCO3 NO3 Cl SO42 1 天然水的主要离子组成 2 水中的金属离子 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 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 氧在干燥空气中的含量为20 95 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 25 时 水的蒸汽压为0 03167 105Pa 氧的亨利定律常数为1 26 10 8mol L Pa 求氧在1 013 105Pa 25 饱和水中的溶解度 氧在水中的溶解度 不同温度下 气体在水中溶解度的计算 Clausius Clapeyron方程 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 Pco2 1 0130 0 03167 105 3 14 10 4 30 8 Pa CO2 aq KHPco2 3 34 10 7 30 8 1 028 10 5mol L 1 CO2在水中离解 则 H HCO3 4 45 10 7 H 1 028 10 5 4 45 10 7 1 2 2 14 10 6mol L 1pH 5 67 CO2在水中的溶解度 CO2 HCO3 1 028 10 5 2 14 10 6 1 24 10 5mol L 1 0 55mg L 1 水生生物直接影响水中许多物质的存在 具有代谢 摄取 转化 存储和释放等的作用 4 水生生物 如藻类的生成和分解106CO2 16NO3 HPO42 122H2O 18H 痕量元素 respiration R P photosynthesis C106H263O110N16P 138O2 利用太阳能从无机矿物合成有机物的生物体称为生产者 水体产生生物体的能力称为生产率 生产率是由化学及物理的因素相结合而决定的 在高生产率的水体中藻类生产旺盛 死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低 这就是水体的富营养化 绿色的赤潮 太湖水体富营养化 蓝藻暴发 滇池绿藻泛滥 赤潮 Algalbloom或Redtide 是海水中某些微小浮游植物 原生动物或细菌在一定的环境条件下突发性的增殖 引起一定范围一段时间的海水变色现象 5 赤潮 起始阶段 存在诱发赤潮的物质条件 表面现象不明显 发展阶段 赤潮生物迅速繁殖 水体颜色开始转变 稍微不同于周围水体 维持阶段 赤潮现象出现后至临近消失时所持续的时间 颜色较深 消亡阶段 赤潮现象消失的过程 水体表面出现较多泡沫 赤潮的长消大致可分为四个阶段 海水颜色异常 主要为红色 褐色 而且颜色分布不均 或呈块状 或呈条带状 或呈不规则形状 pH值升高 透明度降低 海水中溶解氧白天明显增高 夜间明显降低 一种或少数几种赤潮生物处于优势地位 数量急剧升高 1 怎样判断赤潮 海域中存在赤潮生物种源 海洋中有330多种浮游生物能形成赤潮 有毒的种类大约有80多种 目前在中国沿海海域的赤潮生物约有150种 2 为什么会发生赤潮 海域水体的富营养化 含有有机质和丰富营养盐的工农业废水和生活污水排入海洋 尤其是水体交换能力差的河口海湾地区 污染物不容易被稀释扩散 海水养殖密度高的区域也往往存在水体的富营养化 合适的海流作用和天气形势 一般在海潮流缓慢 水体交换弱 天气形势稳定 风力较小 湿度大 气压低 闷热 阳光充足时 易发生赤潮 海流 风有时能使赤潮生物聚集在一起 沿岸的上升流可以将含有大量营养盐物质的下层水带到表层 也可以将赤潮生物的 种子 带入水表层 为赤潮的发生提供必要的物质条件 如果风力适当 风向适宜的话 就会促进赤潮生物的聚集 从而使赤潮的产生更加容易 适宜的水温和盐度 一般在表层水温的突然增加和盐度降低时 会促进赤潮的发生 2 天然水的性质 CharacteristicofNaturalWaters 1 碳酸平衡 BalanceofH2CO3 水体中存在四种化合态 CO2 CO32 HCO3 H2CO3实际上H2CO3的含量极低 主要是溶解性的气体CO2 常把CO2和H2CO3合并为H2CO3 H2CO3 HCO3 CO32 体系可用下面的反应和平衡常数表示 CO2 H2O H2CO3 pK0 1 46H2CO3 H HCO3 pK1 6 35HCO3 H CO32 pK2 10 33 以下将H2CO3 略写为H2CO3 请根据K1 K2值 给出以pH为主要变量的上述三种化合态的分布系数 o 1 2 0 H2CO3 H2CO3 HCO3 CO32 1 HCO3 H2CO3 HCO3 CO32 2 CO32 H2CO3 HCO3 CO32 H2CO3 HCO3 CO32 体系可用下面的反应和平衡常数表示 CO2 H2CO3 HCO3 CO32 100806040200 24681012 pH 图1碳酸化合态分布图 以上讨论没有考虑溶解性CO2与大气交换过程 假定将水中溶解的 H2CO3 看作不挥发性酸 即大气中CO2的分压不变 因而属于封闭的水溶液体系的情况 实际上 大气的组成在发生变化 大气中CO2的分压也在变化 因而总碳酸量CT与CO2的分压有关 CT H2CO3 HCO3 CO32 敞开水溶液体系中的平衡 考虑CO2与大气的交换 当考虑CO2在气相和液相之间平衡 各种碳酸盐化合态的平衡浓度可表示为PCO2和pH的函数 此时可应用亨利定律 图开放体系碳酸化合物形态分布 lgCT pH作图 CT H2CO3 HCO3 CO32 敞开体系中 HCO3 CO32 和CT均随pH改变而变化 当pH13时 溶液主要为CO32 比较封闭体系和开放体系可以发现 在封闭体系中 H2CO3 HCO3 CO32 可随pH变化而改变 但总的碳酸量CT始终保持不变 而对于开放体系来说 HCO3 CO32 和CT均随pH改变而变化 但 H2CO3 总保持与大气相平衡的固定数值 因此 在天然条件下开放体系是实际存在的 而封闭体系是计算短时间溶液组成的一种方法 即把其看作是开放体系平衡过程中的一个微小阶段 在实用上认为是相对稳定而加以计算 2 天然水中的碱度和酸度 AcidityandAlkalinityinNaturalWaters A 碱度 Alkalinity 是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质 亦即能接受质子的物质的总量 组成水中碱度的物质可归纳为三类 强碱 弱减 强碱弱酸盐 总碱度 用一个强酸标准溶液滴定 用甲基橙为指示剂 当溶液由黄色变成橙红色 pH约4 3 停止滴定 此时所得的结果 也称为甲基橙碱度 H OH H2OH CO32 HCO3 H HCO3 H2CO3总碱度 HCO3 2 CO32 OH H 酚酞碱度 滴定以酚酞为指示剂 当溶液pH值降到8 3时 表示OH 被中和 CO32 全部转化为HCO3 得到酚酞碱度表达式 酚酞碱度 CO32 OH H2CO3 H 苛性碱度 达到pHCO32 所需酸量时碱度 但不易测得 苛性碱度 OH HCO3 2 H2CO3 H 2酚酞碱度 总碱度 pH B 酸度 Acidity 指水中能与强碱发生中和作用的全部物质 亦即放出H 或经过水解能产生H 的物质总量 组成水中酸度的物质可归纳为三类 强酸弱酸和强酸弱碱盐 无机酸度 以甲基橙为指示剂滴定到pH 4 3无机酸度 H HCO3 2 CO32 OH 游离CO2酸度 以酚酞为指示剂滴定到pH 8 3游离CO2酸度 H HCO3 CO32 OH 总酸度 在pH 10 8处得到 但此时滴定曲线无明显突越 难以选择合适的指示剂 故一般以游离CO2作为酸度主要指标 总酸度 H HCO3 2 H2CO3 OH 二 水中污染物的分布及存在形态 1 有机污染物 OrganicPollutant 农药 有