《水环境化学》PPT课件.ppt

第二章天然水的重要离子 教学内容 水的化学分类法水的硬度及钙镁离子水的碱度 碳酸根 碳酸氢根离子硫酸根离子 氯离子 钾离子 钠离子海水主要成分的恒定性 教学要求 掌握天然水主要离子的来源 水的化学分类法 水硬度 碱度的概念 单位及换算 与水产养殖的关系 硫在天然水中的转化 硫酸盐还原作用的条件 初步掌握硫酸根离子 氯离子 钾离子 钠离子在天然水中含量的概况 对生物的毒性 及海水主要成分的恒定性 重点难点 水硬度 碱度的概念 单位及换算 硫在天然水中的转化 硫酸盐还原作用的条件 天然水体主要离子有 主要阴离子 CO32 HCO3 SO42 Cl 主要阳离子 Ca2 Mg2 Na K 第一节天然水的化学分类法 按含盐量分类按主要离子成分分类 按含盐量分类 O A 阿列金提出分类法 矿化度g L 淡水 1微咸水1 25具海水盐度的水25 50盐水 50 S g Kg 淡水湖 库 3缺盐湖 100mg Kg半咸水湖 库 3 10淡水湖100 500半咸水湖10 40浓淡水湖500 1000盐湖 40咸淡水湖1000 3000 按主要离子成分分类 O A 阿列金法 1 按阴离子将水分为三类2 按阳离子将水分为三组3 根据阴 阳离子含量的比例关系水分为四类型 按阴离子将水分为三类 碳酸盐类 C HCO3 与CO32 硫酸盐类 S 氯化物类 Cl 按阳离子将水分为三组 钙组 Ca 镁组 Mg 钠组 Na 根据阴 阳离子含量的比例关系水分为四类型 型 弱矿化水 型 混合起源水 型 混合起源水 型 不含HCO3 型 弱矿化水 型 HCO3 1 2CO32 1 2Ca2 1 2Mg2 主要在含大量Na 和K 的火成岩地区形成 水中含有大量NaHCO3 此型水多半是低矿化度水 干旱半干旱地区的内陆湖 如果由 型水特征很强的水所补给 有可能形成微咸水的苏打湖 在硫酸盐与氯化物类的钙组和镁组中也不可能有 型水 型 混合起源水 型 HCO3 1 2CO32 1 2Ca2 1 2Mg2 HCO3 1 2CO32 1 2SO42 形成既与水和火成岩的作用有关 又与水和沉积岩的作用有关 多为中低矿化度 500mg L 的河水 湖水 地下水 型 混合起源水 型 1 2Ca2 1 2Mg2 HCO3 1 2CO32 1 2SO42 或 Cl Na 一般具有很高的矿化度 在此条件下 由于离子交换作用使水的成分明显变化 通常是水中的Na 交换出土壤和沉积岩中的Ca2 和Mg2 海水 受海水影响地区的水和许多具高矿化度的地下水属此类型 型 不含HCO3 型 HCO3 1 2CO32 0酸型沼泽水 硫化矿床水和火山水属此型 在碳酸盐类水中不可能有 型水 硫酸盐与氯化物类的钠组一般没有 型水 水的化学类型表示方法 一般表示方法为 分类符号的排列 先写 类 组 写在 类 的右上方 型 则用罗马字标在 类 符号的右下方 如 CCa 表示碳酸类钙组第 型水 SNa 表示硫酸盐类钠组第 型水 CCa5 0 0 4表示碳酸类 钙组 第 型水 含盐量为0 4g L 总硬度为5 0mmol L 表天然水的分类 第二节水的硬度和钙镁离子 定义 硬度 指水中二价及多价金属离子含量的总和 其中构成天然水硬度的主要离子是Ca2 和Mg2 因此 一般都以Ca2 和Mg2 离子的含量来计算硬度 单位 mmol L mg LCaCO3 HG关系 1mmol L 2 804 HG 50 05mg LCaCO3 天然水的硬度的分类 按形成硬度的离子不同1 按阳离子分 钙硬度 镁硬度 铁硬度等2 按阴离子组成分 碳酸盐硬度 水中与HCO3 与CO32 所对应的硬度 在水加热煮沸后 绝大部分可以因生成CaCO3 而除去 故又称为暂时硬度 非碳酸盐硬度 由钙镁的硫酸盐 氯化物形成的硬度 它们用一般煮沸的方法不能从水中除去 所以又称为永久硬度 根据硬度和阴离子含量 1 1 2Ca2 1 2Mg2 HCO3 1 2CO32 2 HCO3 1 2CO32 1 2Ca2 1 2Mg2 一般把天然水按硬度分成五类 天然水的硬度含量情况 不同地区 环境 水体状况其硬度不一样 雨水的硬度一般很低 靠雨水或融化雪水补给的河流 水硬度都比较低干旱半干旱地区的盐碱 涝洼地的地面水与地下水 硬度多数都比较高一般来说 随着含盐量的增加 水硬度也增大一些特殊水文地质条件下形成的苏打湖 碳酸盐类钠组 型水 水硬度则相对较低 鱼池水硬度的变化 养鱼池水的硬度首先决定于水源水的硬度新修建的养鱼池 土壤中的可溶性钙 镁也会转入池水中 使水硬度增高 生产管理上的操作及水中生物代谢活动也可使池水硬度发生变化比如施用过磷酸钙 泼洒石灰浆水 甚至水生生物的光合作用和呼吸作用 都能使池水硬度变化 盐碱地在开发初期 注水后水的盐度 硬度 碱度都会增加 随着塘龄的增加 土壤中的钙 镁会因淋溶而减少 致使池水的总硬度也逐年降低 鱼池硬度的变化 硬度与水产养殖的关系 钙 镁是生物生命过程所必需的营养元素 它们不仅是生物体液及骨骼的组成成分 还参与体内新陈代谢的调节 1 钙是动物骨骼 介壳及植物细胞壁的重要组成元素 而且对蛋白质的合成与代谢 碳水化合物的转化 细胞的通透性以及氮 磷的吸收转化等均有重要影响 缺钙会引起动植物的生长发育不良 藻类细胞必需钙 硅藻大都喜欢在硬水中生长 水中钙含量过少会限制藻类的繁殖 2 镁是叶绿素中的成分 各种藻类都需要镁 镁在糖代谢中起着重要的作用 植物在结实过程中需要较多的镁 镁不足 核糖核酸 RNA 的净合成将停止 氮代谢混乱 细胞内积累碳水化合物及不稳定的磷脂 缺镁还会影响对钙的吸收 有调查发现 池水总硬度小于10mg L 0 2mmol L 即使施用无机肥料 浮游植物也生长不好 总硬度为10 20mg L 0 2 0 4mmol L 时 施无机肥料的效果不稳定 仅在总硬度大于20mg L时 施用无机肥料后浮游植物才大量生长 美国有人在软水池塘进行施生石灰的试验 当总硬度由7 8mg L增至32mg L后 水中碱度增大至原来的4倍 罗非鱼的产量增加约25 2 钙离子可降低重金属离子和一价金属离子的毒性有人用硬头鳟鱼做试验 当水的硬度从10mg L增加到100mg L时 铜和锌的毒性大约降低了3 4 见48页钙 镁离子可增加水的缓冲性一定的硬度 可以使水具有较好的缓冲性 即具有较好的保持pH的能力 水中钙 镁离子比例 对海水鱼 虾 贝的存活有重要影响比例不合适 会引起养殖种类的大批死亡 作为养殖水体水质 底质改良剂促进有机物絮凝 促进固氮和微生物活动 加速有机物的矿化作用 稳定水质和底质的酸度 养殖水体对硬度的要求 一般适宜值为 1 3mmol L 鲤科鱼类 5 8 HG 不能小于 HG或大于 HG鲑科鱼类 8 12 HG温室育苗常 硬水软化沿海 Ca2 2HCO3 CaCO3 CO2内陆 Ca SO42 CaSO4清除方法 生石灰苏打 阳离子交换 碱度 定义 碱度是指水中所含的能与强酸发生中和反应的全部物质 即能结合质子的物质的总量 水中的这些物质可以分为强碱 弱碱和强碱弱酸盐 如HCO3 CO32 OH H4BO4 H2PO4 HPO42 NH3等 对于大多数天然水 以前面4种离子的含量为主 其余的物质含量一般很小 表达式 AT HCO3 2 CO32 H4BO4 OH H HCO3 2 CO32 H4BO4 淡水中的AT HCO3 2 CO32 OH H 海水中AT HCO3 2 CO32 H4BO4 单位 mmol LmgCaCO3 L HG1mmol L 2 804 HG 50 05mg LCaCO3 碱度的来源分布情况 碱度的来源 主要来自集雨区岩石 土壤中碳酸盐的溶解碱度的分布情况 淡水 由于水文 地质和气候条件不同 我国地面水的总碱度具有一定的区域性 海水 海水中碱度一般较为稳定 通常在2 2 5mmol L范围内 地下水由于溶解了土壤中较高的CO2 使CaCO3等溶解度增加 水中碱度 硬度一般比较高 东南沿海 珠江水系 长江水系的碱度一般较低 例如珠江水系的东江最低仅达0 4mmol L 广东显岗水库碱度仅达0 33mmol L 一般均在1 5 2 3mmol L范围 长江干流武汉段水的碱度平均值丰水期1 93 枯水期2 46 年平均2 1mmol L 黄河流域碱度一般均高于2mmol L 黄河干流在2 21 5 00mmol L 平均3 25范围 内陆干旱 半干旱地区由阿列金分类 型水补给的湖泊 可能会积聚较多的碱度 例如 在我国西北 华北地区的一些盐碱泡沼 水的碱度能达100mmol L以上 失去了渔业利用价值 我国还有一批天然碱湖可以生产天然碱 Na2CO3 NaHCO3 例如松嫩平原上的大布苏碱湖 卤水的碱度高达17mol L 我国还有许多水体碱度在10 50mmol L范围 水质属于碳酸盐类钠组 或者氯化物类钠组 例如内蒙古的达里诺尔 碱度为44 5mmol L 属于碳酸盐类钠组 型水 有一定的渔业利用价值 但是许多鱼类在其中难以存活 渔产量很低 碱度的变化 影响碱度变化的因素 1 pHO2CO2等水化因子2 生物活动的影响3 当地地理条件碱度受水中光合作用和呼吸作用的影响 会发生变化 当光合作用速率超过呼吸作用速率时 碱度下降 当呼吸作用速率超过光合作用速率时 不断有雷衍之等提出 四大家鱼养殖用水的碱度的危险指标值是10mmol L 产生 碱度 上升 夏季碱度变化的幅度可以作为反映湖泊富营养化程度的一项指标 特贫营养湖 AT1 0mmol L 碱度与水产养殖的关系 络合重金属 降低重金属对水生生物的度性作为缓冲体系 碱度可以调节CO2的产耗关系 稳定水的pH值与鱼类的关系 碱度过高对许多养殖生物有毒在我国干旱与半干旱地区有一些水域 碱度偏大 水中经济水生生物的种类就明显减少 有的甚至没有经济种类生存 移殖驯化耐盐种类也未能成功 碱度的致毒原理 可能是影响酸碱平衡 对鳃和表皮有腐蚀作用 CO2对鱼类的影响 CO2 60mg L 正常CO2 80mg L 呼吸困难CO2 100mg L 昏迷 CO2 200mg L 死亡可用做为鱼类的麻醉剂 黎道丰等研究表明 鱼类的区系结构 种类数量和生长速度与水体盐碱度的高低有着密切关系 盐碱度高的水体其鱼类土著的种类数较少 生长速度较慢 雷衍之的报道 碳酸盐碱度对鱼的毒性随着pH的升高而增加水的盐度也会使碱度的毒性增加 一些经济鱼类对高碱度的耐受能力大致有如下顺序 青海湖裸鲤 瓦氏雅罗鱼 鲫 丁鱥 尼罗罗非鱼 鲤 草鱼 鳙 鲢 养殖用水碱度的适宜量以1 3mmol L较好雷衍之等提出 四大家鱼养殖用水的碱度的危险指标值是10mmol L 硫酸盐 硫存在形式 SO42 SO32 SS2 一定条件下可互相转化 构成动态循环 1 蛋白质的分解作用微生物作用下蛋白质的硫分解为 2价硫2 氧化作用 有氧条件 2H2S O2硫化菌2S 2H2OH2S 2O2细菌SO42 2H 3 还原作用条件 缺乏氧气 0 16mg L 含有丰富的有机物 微生物参与 硫酸根离子的含量 SO42 有机物硫酸还原菌S2 H2O CO2缺氧S2 2H H2SH2S为二元弱酸 可发生离解 H2SHS S2 不同pH条件下的存在形式 4 沉淀与吸附作用Fe2 H2S FeS 2H Fe3 3H2S 2FeS S 6H SO42 可被CaCO3 黏土矿物等以CaSO4吸附沉淀5 同化作用硫是合成蛋白质必需元素 可被植物 微生物吸收利用SO42 中的硫 硫酸根离子的来源 土壤岩石中含硫矿物的溶解作用水源的补给工业废水 农业施肥养殖投饵 有机物 残饵和粪便中的有机物在厌氧菌的作用下分解产生硫化物 H2S的毒性及管理原则 毒性 H2S与血红蛋白中Fe2 化合 从而使鱼缺氧 硫化氢是一种带有臭鸡蛋味的可溶性气体 是水产动物的剧毒物质 当水中含量过高时 硫化氢可以通过渗透和吸收进入鱼虾的组织和血液中 与血红蛋白中的铁结合 使之失去结合氧的力 使组织产生凝血性坏死 导致呼吸困难 甚至死亡 硫化氢中毒的表现1 鱼虾骚动不安 摄食不好 2 水中溶解氧 特别是底层溶解氧特别低 3 下风处可以闻到臭鸡蛋味 管理办法 1 清塘时 彻底清除含有大量有机质的池塘淤泥 2 促进水体混合流转 打破水体分层合理使用增氧机增氧3 合理使用水质改良剂使用含铁物质 红土 黄土 沼铁矿 褐铁矿 铁矾土4 保持底层呈中性偏碱性 pH值越高 中毒可能性越低 可使用生石灰调节 但要确认水中氨氮含量不高5 选择合适饲料 促进消化 提高饵料利用率 减少残饵7 避免含有大量硫酸盐的水进入养殖水体 海水主要离子组成的恒定性 海水常量成分恒定性定义定义 海水的总含盐量或盐度是可变的 但常量成分浓度之间的比值几乎保持恒定 海水常量成分恒定性原理 又称为 主要成分恒比关系原理 海水组成的恒定性原理 Marcet原理 和 Dittmar定律 常量成分恒定性原理的发现1819年Marcet在分析了北冰洋 大西洋 地中海 黑海 波罗的海 中国海和白海等多处海水水样后 提出了 全世界一切海水水样 都含有同样种类的成分 这些成分之间只有盐含量总值不同的区别 Dittmar从 H M S Challenger 号调查船在环球航行所采集的77个水样分析中也证实了Marcet结论的正确性 海水中常量成份的含量 海水常量成分浓度之间的比值只是几乎保持恒定并非绝对恒定1 若干常量元素在垂直方向上因为压力效应 氯度比值会有所变化2 河口滨海区常量成分浓度之间的相关性有别于大洋水故养殖生产中 有必要对河口区育苗和养殖用水的配方进行特定的研究3 海水主要离子中的HCO3 及碱度的恒定性比较差 恒定性原理 不适用于海水中的微量成分 包括氮 磷营养元素的含量 对海水的溶氧也不适用 海水常量成分恒定性成因 混合作用体积巨大 海水常量成分恒定