天然水的基本特征ppt课件

环境化学 第一章绪论第二章大气环境化学第三章水环境化学第一节天然水的基本特征及污染物的存在形态第二节水中无机污染物的迁移转化第三节水中有机污染物的迁移转化第四章土壤环境化学第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性第六章典型污染物在环境过程中的转归与效用第七章有害废弃物及放射性固体废弃物 1 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 水中污染物的分布及存在形态1 有机污染物2 金属污染物 2 水的特性及其意义 1 水 生命之源泉地球表面的70 以上覆盖着水大多数生物体内水的含量也达2 3以上 人体血液的矿化度为9g L 与30亿年前的海水是相同的 在自然界的植物体内 水分含量更高 有些甚至高达95 3 水的特性及其意义 2 水的优异的自然性质及对人类和生态环境的特殊意义 水是无色透明的 水是一种极好的溶剂 除液氨外 水的比热是所有的液体和固体中最大的 水在4 时的密度最大 冰轻于水 4 水的特性及其意义 水是无色透明的水允许太阳光中的可见光和波长较长的紫外线部分可以透过 使光合作用所需的光能能够到达水面以下的一定深度 而对生物体有害的短波紫外线则被阻挡在外 这不仅在地球上生命的产生和进化过程中起了关键性的作用 今天对生活在水中的各种生物也具有重要意义 5 水的特性及其意义 水是一种极好的溶剂水的介电常数在所有的液体中是最高的 使得大多数离子化合物能够在其中溶解并发生最大程度的电离 水为生命过程中营养物和废弃物的传输提供了最基本的媒介 6 水的特性及其意义 水的比热大 蒸发热极高水的比热为4 18J g 仅次于液氨 水的蒸发热也极高 在20 下为2 4kJ g 水体白天吸收到达地表的太阳光的热量 夜晚又将热量释放到大气中 避免了剧烈的温度变化 月球表面气温为 120 到 150 火星表面气温为 27 到 133 7 水的特性及其意义 水在4 时的密度最大在控制水体温度分布中的重要作用当水体趋于一种稳定状态 水底温度是4 在这一层中水生物可以幸存 在控制垂直循环中的重要作用 在气温急剧下降的夜晚 水面上较重的水层向水底沉降 与下部水层更换 使得溶解在水中的氧及其他营养物得以在整个水域分布均匀 8 水的特性及其意义 冰轻于水冰的密度为0 92g 可以浮在水面上 气温降低时水面结成的冰不会沉入水底 不会导致整个水体完全冻结 这一特性对水下生物具有十分重要的意义 9 水的循环示意图 天然水的类型 海水雨水 降水 地下水地表水 河流 湖泊 10 一 天然水的的基本特征 1 天然水的组成可溶性物质 成分复杂 岩石风化过程中 经水溶解迁移的地壳矿物质悬浮物质 悬浮物 颗粒物 水生生物等 1 天然水中的主要离子组成天然水中常见主要离子总量可粗略作为水的总含盐量 TDS TDS Ca2 Mg2 Na K HCO3 SO42 Cl 11 2 水中的金属离子 它可通过化学反应 酸 碱 沉淀 配合及氧化 还原等 达到最稳定的状态 水中可溶性金属离子可以多种形态存在 如当pH低 pH高时 Fe 的变化 Fe3 Fe OH 2 Fe OH 2 Fe2 OH 24 Fe OH 3 12 3 气体在水中的溶解性溶解在水中气体 对水生生物的生存是非常重要的 鱼类需要O2 排出CO2藻类的光合作用需要CO2 排出O2过饱和的N2在血液中形成气泡 可使鱼类死亡 1978年 杜鲁门坝的修建使下游40万条鱼死亡 溶解氧对水处理也具有重要意义生活污水的生化处理水体的自净作用 日本福冈大濠公园 13 气体分子在气液相两间的平衡 亨利定律 KX 气体X在一定温度下的亨利 定律 常数 pX 气体X的分压 CX 气体X在液相中的溶解度 14 15 利用亨利定律时的注意事项 在计算气体的溶解度时 需考虑水蒸气对气体分压的影响Px Pa PH2O fxPa 大气压 fX 大气中气体的摩尔分数亨利定律不能反应气体在溶液中的进一步的化学反应 如CO2的溶解 CO2 g CO2 aq CO2 aq H2OH HCO3 16 表3 2水在不同温度下的分压 17 温度对气体溶解度的影响 Clausius Clapeyron方程式 c c0 温度T和T0时气体在水中的浓度 H 溶解热 J mol H 0 R 气体常数 8 314J mol K 气体的溶解度随温度升高而降低 如O2 0 14 74mg L 35 7 03mg L 18 气体在水中的溶解速率 影响气体溶解速率的因素气体不饱和程度水的单位体积表面积扰动状况温度 Cs 气体的饱和溶解度C 水中气体的实际浓度kg 气体迁移系数A 水的表面积V 水的体积 19 氧在水中的溶解 水体中的元素氧主要来自大气温度 水中平衡氧浓度 0 14 74 25 8 32 35 7 03mg L 水中氧的溶解度低 一旦发生氧的消耗反应 则溶解氧的水平可以很快降至零 CH2O O2 CO2 H2O7 8mg8 3mg复氧速率与水的流动 空气气泡大小及温度等有关依靠分子扩散的复氧速率很慢在20 1atm下 30m处O2浓度 1mg L需12天 20 CO2在水中的溶解 25 时水中 CO2 的值可以用亨利定律来计算 PCO2 Pa PH2O fCO2 1 013 0 0317 105 3 14 10 4 30 8 Pa CO2 3 34 10 7 30 8 1 03 10 5 mol L CO2在水中可部分离解 产生等浓度的H 和HCO3 H 和HCO3 的浓度可从CO2的酸离解常数计算 21 4 水生生物对溶解氧的影响 水体中溶解氧 DO 浓度是耗氧过程与复氧过程平衡的结果耗氧过程有机物的氧化自养生物和异养生物的呼吸 复氧过程大气中氧的溶解自养生物的光合作用 22 4 水生生物对溶解氧的影响 藻类 自养生物 的生成与分解生成 光合作用 P 分解 呼吸作用 R 106CO2 16NO3 HPO42 122H2O 18H PRC106H263O110N16P 138O2 23 24 4 水生生物对溶解氧的影响 富营养化 水体产生生物体的能力称为生产率 生产率通常由水中的营氧物 C N P 水平决定在高生产率的水中藻类生产旺盛 死藻的分解引起水中溶解氧水平降低 这种情况称为富营养化 25 2 天然水的性质 1 碳酸体系的平衡关系碳酸盐系统与水的pH值密切相关碳酸盐系统是天然水中优良的缓冲体系碳酸盐系统与水生生物活动 光合 呼吸作用 活动有关CO2在水中形成酸 可溶解岩石中的碱性物质 26 1 碳酸体系的平衡关系 两个基本概念封闭体系 与大气没有CO2交换 体系的总碳酸浓度不变 总碳酸 CO2 aq H2CO3 HCO3 CO32 开放体系 与大气有CO2交换 体系的H2CO3 浓度不变定义 H2CO3 CO2 aq H2CO3 CO2 aq H2O H2CO3pKm 2 8H2CO3 H HCO3 pK 1 3 5H2CO3 HCO3 H pK1 6 3 27 封闭体系的碳酸形态分布图 pH图 CO2 g H2O H2CO3 pK0 1 46H2CO3 HCO3 H pK1 6 35HCO3 CO32 H pK2 10 33 28 封闭体系的碳酸形态分布图 pH图 29 30 开放碳酸体系的lgC pH图 CO2 H2O H2CO3 pK0 1 46H2CO3 HCO3 H pK1 6 35HCO3 CO32 H pK2 10 33 31 开放碳酸体系的lgC pH图 32 33 开放体系的碳酸形态分布图 pH图 封闭碳酸体系的lgC pH图 34 例题 某河流 pH 8 3 cT CO3 3 10 3mol LH2SO4的废水排入该河流 假如河流pH值不得降至6 7以下 问每升河水中可最终排入这种废水多少升 CO2 H2O H2CO3 pK0 1 46H2CO3 HCO3 H pK1 6 35HCO3 CO32 H pK2 10 33 35 解 36 解 当pH值从8 3中和到6 7时 每升河水需要加入H 为 HCO3 2 CO32 pH 8 3 HCO3 2 CO32 pH 6 7 1 2 2 pH 8 3 1 2 2 pH 6 7 CT 0 98 2 0 01 0 69 3 10 3 9 3 10 4 mol L 每升河水可容纳的硫酸废水为 9 3 10 4 2 10 2 0 047 L 37 38 2 天然水中的碱度和酸度 a 碱度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H 的物质总量 包括 强碱 如NaOH Ca OH 2等 全部电离 弱碱 如NH3等 部分电离 强碱弱酸盐 如Na2CO3 NaHCO3等 可水解产生OH 或直接接受质子 试比较以下两种不同溶液的碱度 0 001mol LNaOH溶液 pH 11 0 1mol LNaHCO3溶液 pH 8 3 什么情况下pH值的大小能反映碱度的大小 什么情况下不能 为什么 39 b 碱度的表示 苛性碱度 causticalkalinity 用强酸滴定到溶液中碳酸 盐 全部转换为CO32 时所需酸量称为苛性碱度 终点pH在10 11之间 此时所有OH 被中和苛性碱度 OH HCO3 2 H2CO3 H 碳酸盐碱度 酚酞碱度 carbonatealkalinity 以酚酞为指示剂 用强酸滴定到溶液中碳酸 盐 全部转换为HCO3 时 终点pH8 3 所需酸量称为碳酸盐碱度 pH8 3时CO32 与OH 均被中和碳酸盐碱度 CO32 OH H2CO3 H 总碱度 甲基橙碱度 40 b 碱度的表示 苛性碱度碳酸盐碱度 酚酞碱度 总碱度 totalalkalinity 甲基橙碱度 以甲基橙为指示剂 用强酸滴定到溶液中碳酸 盐 全部转换为H2CO3 时 终点pH4 3 所需酸量称为总碱度 总碱度 HCO3 2 CO32 OH H 41 c 酸度 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 的物质的总量 包括 强酸 如HCl H2SO4 HNO3 弱酸 如H2CO3 H2S 强酸弱碱盐 如FeCl3 Al2 SO4 3 42 d 酸度的表示 无挺酸度 矿物酸度 mineralacidity 以甲基橙为指示剂 用强碱滴定到溶液中碳酸 盐 全部转换为H2CO3 时 终点pH4 3 所需碱量称为无机酸度 终点pH4 3时所有强酸 矿物酸 均被中和无机酸度 H HCO3 2 CO32 OH CO2酸度 carbondioxideacidity 以酚酞为指示剂 用强碱滴定到溶液中碳酸 盐 全部转换为HCO3 时 终点pH8 3 所需碱量称为CO2酸度 pH8 3时H2CO3 与H 均被中和CO2酸度 H H2CO3 CO32 OH 总酸度 43 c 酸度 无机酸度CO2酸度总酸度 totalacidity 用强碱滴定到溶液中碳酸 盐 全部转换为CO32 时所需碱量称为总酸度 终点pH在10 11之间 此时所有H HCO3 H2CO3 OH 被中和总酸度 H HCO3 2 H2CO3 OH 44 苛性碱度 OH HCO3 2 H2CO3 H 碳酸盐碱度 CO32 OH H2CO3 H 总碱度 HCO3 2 CO32 OH H 无机酸度 H HCO3 2 CO32 OH CO2酸度 H H2CO3 CO32 OH 总酸度 H HCO3 2 H2CO3 OH 45 用总碳酸量 cT 和相应的分布系数 计算酸度及碱度 总碱度 cT 1 2 2 OH H 酚酞碱度 cT 2 0 OH H 苛性碱度 cT 1 2 0 OH H 总酸度 cT 1 2 0 OH H CO2酸度 cT 0 2 OH H 无机酸度 cT 1 2 2 OH H cT 总碱度 OH H cT 总酸度 OH H 其中 1 1 2 2 46 例1 某水体的pH 10时 总碱度为1 00 10 3mol L 求 HCO3 和 O32 解 总碱度 cT 1 2 2 OH H 1 00 10 3 cT 0 681 2 0 319 1 00 10 4cT 6 82 10 4 HCO3 0 681 6 82 10 4 4 65 10 4 CO32 0 319 6 82 10 4 2 17 10 4 47 二 水中污染物的分布和存在形态 耗氧污染物 致病污染物 合成有机物 分类 植物营养物 无机物及矿物质 由土壤 岩石等冲刷下来的沉积物 放射性物质 热污染 水环境中有机污染物的种类繁多 特别是一些有毒 难降解的有机物 通过迁移 转化 富集或食物链循环 危及水生生物及人体健康 难降解 脂溶性 生物积累性强的污染物对生态系统危害性最大 48 49 2 金属污染物 50 持久性有机污染物 Persistentorganicpollutants POPs POPs对于全球环境和人类健康有巨大危害POPs已成为一个倍受关注的全球性环境问题 2001年5月23日 在瑞典首都127个国家的环境部长或高级官员代表各自政府签署了 关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约 51 什么是POPs POPs是指通过各种瞯境介质 大气 水 生物体等 能够长距离迁移并长期存在于环境 进而对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质 POPs的特性 能在环境中持久地存在 能蓄积在食物链中对有高营养等