第3章 水环境化学1.ppt

1、第二章大气环境化学回顾，大气温度层结辐射逆温层气团的绝热过程和干绝热减少率大气稳定度是影响大气污染物迁移的因素， 光化学反应基础大气中的重要自由基来源氮氧化物的转化烃化合物的转化光化学烟雾硫氧化物的转化以及硫酸烟雾酸性降水和酸雨大气颗粒物世界温室效应臭氧杀菌层的形成和消耗第三章水环境化学，本章的重点是： 1、无机污染物在水体中沉淀溶解、氧化还原、配比作用、吸附解吸3、水体中有机污染物的迁移转化过程和分配系数、挥发速度、水解速率、光解速度和生物降解速度的修正方法。 水环境化学研究了天然水体中化学物质的存在形态、反应机理、迁移转化、归向规律和化学行为及其对生态的影响。 水和生命：人体成分的70%为

2、水，胎儿体内水量可达95%。 每个人每天大姨妈需要23升的水量，体内水的损失的2%口渴，脱水的15%领便当。 水是构成生命的主要物质之一。 水循环：自然段水源有六个。 海洋，河流，湖泊，大气中的水蒸气，两极的冰山和雪，地下水。 这些个在蒸发、凝结、降雨、渗透、流出等途径中不断循环。 影响水循环的作用有三个基本因素： (1)水的物理性质可决定水循环；(2)日照是水循环的源动力；(3)循环渠道的结构和性质，特别是地表循环渠道的结构和性质，如地质地形、土壤和生物等类型和性质，不仅是降水的分布和输送，还包括下渗透和输水道的特性3、地球上的水分布，地球上的水分布在海洋、湖泊、湿地、河川、冰川、雪地，以及

3、大气、生物体、土壤和地层。 水的总量约为13.86亿km3，其中海水为96.5%，淡水为0.35亿km3，占总水量的2.35%。 比较便于开发利用的是，与人类的生活和生产有密切关系的淡水蕴藏量为400万km3多，仅占淡水的11，总水量的0.3。 表3-1的自然环境水量分布，中国现在可利用的水资源量每年约为11000亿m3，人均地表水资源约占2700m3，居世界第88位，仅是世界人均占有量的四分之一。 亩产占地表水1755m3，相当于世界平均水平的1/2。 总的来说，中国的淡水资源不丰富，处于水资源短缺状态，且水资源时空分布非常不均衡，东南多，西北少，耕地面积占全国33个长江流域和长江以南的地辖

4、区，水资源占全国70个。 我国许多地方是水资源短缺或严重的水资源短缺，水污染比较严重。 另一方面，由于人口的激增、农业生产的迅速发展，我国也和西方国家一样面临着水质下降、水源不足的威胁。 因此，控制水体污染、保护水资源已成为刻不容缓的任务。3.1天然水的基本特征和污染物的存在形态、3.1.1天然水的基本特征天然水的组成(Constitution of Natural Waters )根据物质在水中的存在状态可分为悬浮物质、胶体物质、溶解物质3种。 在此探讨天然水体中溶解物质的种类及其存在形态。 天然水中的主要络离子组成为k、Na、Ca2、Mg2、HCO3-、NO3-、Cl-和SO42-，是天然

5、水中常见的八大络离子，占天然水中络离子总量的9599。 水中这些个主要络离子的分类常被用作表征水体主要化学特征的指标，如表3-3所示。 表3-3水中的主要络离子组成图，天然水中常见的主要络离子总量为水的总含盐量(TDS ):TDS=ca2mg2nak HCO3- so42-cl-海水中na和cl -络离子含量占优势，河水中为ca2陆地水中下列成分的含有顺序一般为HCO3- SO42- Cl-、Ca2 Na Mg2，而海水中的对应含有顺序为Cl- SO42- HCO3-、Na Mg2 Ca2。 地下水受到局部环境地质条件的限制，其优势络离子变化较大。 水中的金属络离子：以Mn表示，水合金属阳络离

6、子以M(H2O)xn存在。 酸碱、沉淀、络合和氧化还原等反应是这些个在水中达到最稳定状态的过程。 水中可溶性金属络离子可以以各种形态存在。 例如，铁元素可以以Fe(OH)2、Fe(OH)2、Fe2(OH)24、Fe3等的形式存在。 瓦斯气体在水中的溶解性：水中溶解的瓦斯气体以氧(O2 )和二氧化碳(CO2 )为重要因素，影响水生生物的生存与繁殖及水中物质的溶解、化合等化学与生化行为。 水中的氧的输入，一个是空气中的氧含量丰富。 水中的氧含量比饱和含量少时才能使水富集。 二是水生植物光合作用逃逸的氧气。 水中氧的输出部分包括有机物的氧化、有机体的呼吸和生物残骸的发酵腐败作用等。 水中的二氧化碳消

7、耗于生物的氧化分解、水生动植物的新陈代谢作用以及来自空气中二氧化碳的溶解的碳酸盐类的溶解和水生植物的光合成。 大气中的气体分子和溶液中的同种气体分子的平衡与X(g) X(aq )享利定律，即液体中的气体溶解度与液体接触的该气体的分压成比例。 X(aq)=KHpG式中： KH :各种瓦斯气体在一定温度下的亨利定律常数pG :各种瓦斯气体的分压。 但是，亨利定律无法说明气体在溶液中进一步的化学反应，例如，H2CO3=H HCO3- HCO3-=H CO32-、表3-4 25时的气体在水中的亨利定律常数、氧在水中的溶解度：干燥空气中的氧含量为20.95，氧在水中的溶解度为水的温度氧气一自动提升机，

8、25在饱和水中的溶解度：首先，从表3-5可知，水在25时的蒸气压为0.03167 l05Pa，由于干燥空气中的氧含量为20.95%，因此，通过代入氧的分压为： po2(1.0130-0.03167)l050的亨利定律而求出的氧在水中的克分子浓度khpo 21.26 l0-8. 2056 l 05.6 l0-4mol/l氧的分子量为32，其溶解度为8.32mgL。 气体溶解度随温度上升而降低，这种影响由C1ausius-C1apeyron方式可知，温度从0上升到35时，氧在水中的溶解度从14.74mg/L下降到7.03mg/L。CO2的溶解度、空气中的CO2的含量为0.0314 (体积)、25时

9、水汽压力为0.03167 l05Pa、CO2的亨利定律常数为3.34107 mol/(LPA ):co2kh pco 2.02810 h和HCO3-的浓度可由CO2的酸解离常数K1计算出： h=HCC 由于co2=k1=4. 45107 h=2. 14106 mol/lph5. 67，所以CO2在水中的溶解度为CO2十的水生生物：水生生物可以分为自养生物和异养生物。 自我营养生物：利用太阳能和化学能，将简单无生命的无机物导入复杂的生命分子，构成藻类等生命体。 铜色微囊藻、弯鱼腥藻、藻类的生成和分解是进行水体中光合作用(p )和呼吸作用(r )的典型过程。 106CO2 16NO3- HPO42

10、- 122H2O 18H (微量元素体和能量)、p、r、C106H263O110N16P 138O2、生产藻类1 kg需要碳358 g、氧496 g、氮666，一磷可以刺激100藻类的生长，刺激赤潮海域的赤潮的危害，破坏海洋的正常生态结构和生产过程，威胁海洋生物的生存，赤潮生物分泌细胞的黏液粘在鱼、虾、贝等鳃上，妨碍呼吸，导致窒息死亡，赤潮生物死后尸体的分解消耗大量的溶解氧，在引起虾、贝类大量死亡、鱼、贝类摄食的生产性高的水中异养生物：利用自养生物产生的有机物作为能量源，合成其自身生命的原始物质。 决定水体中生物范围和种类的重要物质是氧，在测定河流和湖泊的生物特征时，首先测定水中溶解氧的浓度。

11、 BOD (生物化学需氧量)是指有机物在一定体积的水中生物分解所消耗的氧量。 显然，BOD高的水体不能立即补充氧气，对水生生物不利。天然水的性质、CO2碳酸平衡：水体中存在CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-种化合状态，CO2和H2CO3多合并为H2CO3*。 水中H2CO3*-HCO3-CO32-体系可以由以下反应和平衡常数表示：在co2h2o h2co3* PK0=1. 46 h2co3* HCO3hpk1=6. 35 HCO3co32-HP k2=的高pH区中，主要由CO32-、HCO3-表示天然水中的盐基度和酸度：所谓盐基度(Alkalinity )，是指在水中可以产生强酸和中和

12、作用的所有物质，即可以接受质子h的物质的总量。 强碱： NaOH，Ca(OH)2，在溶液中全部电离生成oh络离子。 弱碱： NH3，C6H5NH2(苯胺)，在水中部分反应生成OH-络离子。 强碱性弱酸盐：各种碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物、胡敏素盐等，水解作用时可生成OH-络离子或直接接收h。 总盐基度的测定方法：用强酸标准溶液滴定，以甲基橙为指示剂，溶液从黄色变成橘红色(pH约4.3 )后停止滴定，其结果也称为总盐基度，也称为甲基橙盐基度。 其化学反应的修正量关系式为，将H OH- H2O H CO32- HCO3- H HCO3- H2CO3酚酞盐基度：酚酞作为指示剂时，溶液的p

13、H降低到8.3时，OH-被中和，CO32-全部变换为HCO3-的关系式总盐基度HCO3- 2CO32- OH- H、酚酞盐基度CO32- OH- H2CO3* - H、酸度：在水中产生强盐化学基和中和作用的所有物质，即释放h或因水解作用而产生h的物质的总量。 构成水中酸性度的物质为强酸： HCl、H2SO4、HNO3等弱酸： CO2、H2CO3、H2S强酸弱碱盐： FeCl3、Al2(SO4)3、基于溶液的质子平衡条件：总酸性为10.8而得到：总酸性H HCO3- 2 H2CO3* - OH- CO2酸度以ph8.3得到： CO2酸度H H2CO3* CO32- OH-无机酸度以pH4.3得到

14、：无机酸度H HCO3- - 2CO32- - OH-，例1某水体的ph为8.0，盐基度为1.0010-3mol/L，H2CO3* 修正的pH为8.0时，如果盐基度全部有助于HCO3-，则HCO3-=1. 0010-3 mol/loh-=1. 0010-6 mol/l通过酸的解离常数，可以修正HCO3-的H=1.0010-6mol/L酸度=h HCO3- 2=1.0010-3是酸的解离常数，H2CO3*=HCO3-H /K1在可订正为h2co的水环境化学中非常重要，被研究的污染物是重金属和有机物。我国水质污染化学研究始于70年代，始于重金属、耗氧有机物、DDT、6666等农药污染，目前研究重点

15、已转向有机污染物，特别是难分解有机物，由于其在环境中的贮存期长，易沿食物链(网)蓄积(富集)，威胁生物生长和人体健康1 有机污染物(Organic Pollutant )、农药、有机氯元素、有机磷、聚氯联苯(PCBS )、卤化脂肪烃、醚、单环芳香族化合物、酚类与甲基酚类、邻苯二甲酸盐类、聚有机氯元素农药难以化学分解或生物降解，环境中滞留时间长，因此大部分分布于沉积物和生物脂肪由于DDT等有机氯元素农药的持续性和食物链引起的累积性，在很多国家被禁用。 与有机氯元素农药相比，有机磷农药和乌拉坦农药更容易被生物降解，在环境中的停留时间短，在土壤和地表水中的降解速度快，杀虫力高，经常用于驱除不能被有机氯元素杀虫剂有效控制的害虫。 虽然乌拉坦类和有机磷杀虫剂的堆积物吸附和生物蓄积过程是次要的，但水中浓度越高有机质含量高的堆积物和脂质含量高的水生生物也吸收相当量的污染物。 现在地表水中能检测的很少，污染范围很小。 除草剂及其中间产物是污染土壤、地下水和周围环境的主要污染物。 聚氯联苯(PCBs )、聚氯联苯是联苯的氯元素化产物。 氯元素原子在联苯的不同位置取代110个氢原子，可以合成210种化合物，通常可