环境管理_水环境中重金属的迁移转化

重金属在水环境中的迁移转化 制作人 白婷 重金属的定义 在化学中一般是指相对密度等于或大于5 0的金属 包括Fe Mn Cu Zn Cd Hg Ni Co等45种元素 在环境污染研究中 重金属多指Hg Cd Pb Cr以及类金属等生物毒性显著的元素 其次是指有一定毒性的一般元素 如Zn Cu Ni Co Sn等 污染特点 1 2 3 4 来源广 残留时间长 能沿着食物链转移富集 有放大作用 重金属离子在自然环境中不能被破坏 水体中的某些重金属可在微生物作用下转化为毒性更强的金属化合物 只要有微量重金属即可产生毒性效应 重金属的来源 1 大气中的重金属来源 3 土壤中的重金属来源 2 水体中的重金属来源 自然来源 由宇宙天体作用及地球上各种地质作用而使某些重金属元素进入大气中 人为来源 工业生产 汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等 大气中重金属的来源 自然因素 在没有人为污染的情况下 水体中的重金属的含量取决于水与土壤 岩石的相互作用 其值一般很低 不会对人体健康造成危害 但 导致水体受到重金属污染 人为因素 工矿业废水 生活污水等未经适当处理即向外排放 污染了土壤 废弃物堆放场受流水作用以及富含重金属的大气沉降物输入 都使水体重金属含量急剧升高 水体中的重金属来源 1 2 土壤中的重金属来源 污水灌溉 施用化肥农药 固体废弃物堆积 城市化 矿床开发 水环境中反应类型 吸附解吸 絮凝聚沉 沉淀溶解 氧化还原 配合作用 吸附解吸作用 天然水体中存在着大量黏土矿物 水合氧化物等无机高分子化合物和腐殖质等有机高分子化合物 它们是天然水体中存在的主要胶体物质 由于胶体具有巨大的比表面 表面能和带电荷 能够强烈地吸附各种分子和离子 对重金属离子在水体中的迁移有重大影响 胶体的吸附作用是使重金属从水中转入固相的主要途径 黏土矿物对重金属的吸附 离子交换吸附机制水解吸附机制 离子交换吸附机制 黏土矿物的微粒通过层状结构边缘的羟基氢和 OM基中M 离子以及层状结构之间的M 离子 与水中的重金属离子交换而将其吸附 水解吸附机制 重金属离子先水解 然后夺取黏土矿物微粒表面的羟基 形成羟基配合物而被吸附 Me2 nH2O Me OH n 2 n nH AOH Me OH n 2 n AMe OH n 1 1 n 水合金属氧化物对重金属离子的吸附 一般认为 水合金属氧化物对重金属离子的吸附过程是重金属离子在这些颗粒表面发生配位化合过程 可用下式表示 n AOH Men AO n Me nH 式中 代表微粒表面 A代表微粒表面的铁 铝 硅或锰 Men 为重金属离子 箭头代表配位键 腐殖质对重金属离子的吸附 腐殖质 Hum 微粒对重金属离子的吸附 主要是通过它对金属离子的螯合作用和离子交换作用来实现 例 Mn2 与腐殖质以离子交换吸附为主 腐殖质对Cu2 Ni2 以螯合作用为主 与Zn2 或Co2 则可以同时发生离子交换和螯合作用 重金属浓度高时 重金属浓度低时 离子交换机理 螯合作用 胶体微粒的吸附对金属离子的影响 吸附作用可控制水体中金属离子的浓度 胶体的吸附作用是使许多微量金属从饱和的天然水中转入固相的最重要的途径 胶体的吸附作用在很大程度上控制着微量金属在水环境中的分布和富集状况 大量资料表明 在水环境中所有富含胶体的沉积物由于吸附作用几乎都富集有Cu2 Ni2 Ba2 Zn2 Pb2 Tl U等金属 絮凝聚沉 胶体微粒的聚沉是指胶体颗粒通过碰撞结合成聚集体而发生沉淀现象 这现象也称凝聚 影响胶体聚沉的两个主要因素 微粒电荷 大量阳离子的存在 可促进胶体凝聚 水化膜 水化膜使有机胶体微粒距离增大 分子间作用力变弱 难以聚沉 沉淀溶解反应 重金属化合物在水中的溶解度可直观地体现它在水环境中的迁移能力 溶解度大者迁移能力大 溶解度小者迁移能力小 重金属的氯化物和硫酸盐 AgCl Hg2Cl2 PbSO4等除外 基本上是可溶的 重金属的碳酸盐 硫化物 氢氧化物却是难溶的 沉淀溶解反应 主要包括以下几种化合物的沉淀溶解平衡反应 1 氢氧化物 2 硫化物 3 碳酸盐 氢氧化物 金属氢氧化物的溶解平衡可表示为 Me OH n Men nOH 溶度积为 Ksp Men OH n一般说来 如果水体中没有其他配位体 大部分金属离子氢氧化物在pH较高时 其溶解度较小 迁移能力较弱 若水体pH较小 金属氢氧化物的溶解度升高 金属离子的迁移能力也就增大 硫化物在中性条件下大多数重金属硫化物不溶于水 当天然水体中存在硫化氢时 重金属离子等就可能形成金属硫化物 在硫化氢和金属硫化物均达到饱和的水中 同时存在着两种平衡 H2S H HS K1 H HS H2S HS H S2 K2 H S2 HS Me2 S2 MeS s Ksp Me2 S2 碳酸盐 HCO3 是天然水体中主要阴离子之一 它能与金属离子形成碳酸盐沉淀 从而影响水中重金属离子的迁移 水中碳酸盐的溶解度 在很大程度上取决于其中二氧化碳的含量和水体pH 水体中二氧化碳能促使碳酸盐的溶解 MeCO3 s Co2 H2O Me2 2HCO3 可见 水体pH升高 碳酸盐溶解度下降 金属离子的迁移能力也就减小 沉淀溶解的作用 沉淀溶解作用能使水体中重金属离子与相应的阴离子生成硫化物 碳酸盐等难溶化合物 大大限制了重金属污染物在水体中的扩散范围 使重金属主要富集于排污口附近的底泥中 降低了重金属离子在水中的迁移能力 在某种程度上可以对水质起净化作用 配合作用 水体中存在着各种各样的无机配位体 有机配位体 它们能与重金属离子形成各种络合物或螯合物 对水体中重金属迁移及生物效应有很大的影响 羟基的配合作用 氯离子的配合作用 无机配位体 有机配位体 配合作用 无机配位体对重金属的配合作用 羟基对重金属离子的配合作用 羟基对重金属的配合作用实际上是重金属离子的水解反应 重金属与碱金属 碱土金属不同 能在较低的pH值下水解 以二价离子为例 羟基与其的配合反应可表示如下 Me2 OH MeOH K1MeOH OH Me OH 2K2Me OH 2 OH Me OH 3 K3Me OH 3 OH Me OH 42 K4 氯离子的配合作用氯离子是天然水体中最常见的阴离子之一 被认为是较稳定的配合剂 它与金属离子 以Me2 为例 的反应主要有 Me2 Cl MeCl Me2 2Cl MeCl2Me2 3Cl MeCl3 氯离子配合作用对重金属迁移的影响主要表现为 大大提高了难溶重金属化合物的溶解度 由于氯络重金属离子的生成 减弱了胶体对重金属离子的吸附作用 有机配位体与重金属离子的配合作用 腐殖质是起配合作用的主要物质腐殖质与金属离子的螯合反应示意如下 氧化还原反应 水体中常见的氧化剂常见的还原剂 Fe Mn S Cr As 溶解氧等 Fe Mn S2 和有机化合物 水体氧化还原条件对重金属的存在形态及其迁移能力有很大的影响 铬 矾 硫化合物 易溶物 难溶