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1、第三章水环境化学 AquaticEnvironmentalChemistry 主编戴树桂 第二节水中无机污染物的迁移转化 无机污染物 特别是重金属和准金属等污染物 一旦进入水环境 均不能被生物降解 主要通过沉淀 溶解 氧化 还原 配合作用 胶体形成 吸附 解吸等一系列物理化学作用进行迁移转化 参与和干扰各种环境化学过程和物质循环过程 环境化学两个要素要记住 污染物和介质 2 矿物微粒和粘土矿物 主要为石英 SiO2 长石 KAlSi3O8 云母及粘土矿物等硅酸盐矿物 粘土矿物 具有胶体性质 片层结构 3 腐殖质 带负电的高分子弱电介质 富里酸 腐殖酸和腐黑物 在不同pH下 展现不同立体结构 4
2、 水体悬浮沉积物 粘土为核心骨架 金属氧化物及有机质结合在表面 5 其他 藻类 细菌 病毒和表面活性剂 油滴等 1 几种吸附作用概念表面吸附 胶体表面具有巨大的比表面和表面能 胶体表面积越大 吸附作用越强 离子交换吸附 环境中大部分胶体带负电荷 容易吸附各种阳离子 胶体每吸附一部分阳离子 同时也放出等量的其他阳离子 这种作用称为离子交换吸附作用 属于物理化学吸附 该反应是可逆反应 不受温度影响 交换能力与溶质的性质 浓度和吸附剂的性质有关 2 水环境中颗粒物的吸附作用 专属吸附 指在吸附过程中 除了化学键作用外 尚有加强的憎水键和范德华力或氢键作用 该作用不单可以使表面点荷改变符号 还可以使离
3、子化合物吸附在同号电荷的表面上 专属吸附特点 1 这种吸附作用发生在胶体双电层的stern层中 被吸附的金属离子进入Stern层后 不能被通常提取交换性阳离子的提取剂提取 只能被亲和力更强的金属离子取代 或是在强酸性条件下解吸 2 它在中性表面甚至在与吸附离子带相同电荷符号的表面也能进行吸附作用 水合氧化物对金属离子 的专属吸附与非专属吸附的区别 2 吸附等温线和等温式 在固定温度下 当吸附达到平衡时 颗粒物表面的吸附量 G 与溶液中溶质平衡浓度 c 之间的关系可用吸附等温线表达 Henry型等温线为直线型G k ck 分配系数Freundlich型等温线G k c exp 1 n lgG l
4、gk 1 nlgcLangmuir型等温线G G0 c A c 1 G 1 G0 A G0 1 c G0 单位表面上达到饱和时间的最大吸附量 A 常数 吸附 指溶液中的溶质在界面层浓度升高的现象 常见的吸附等温线 当溶质浓度甚低时 可能在初始阶段呈现H型 当浓度较高时 可能表现为F型 但统一起来仍属于L型的不同区段 n是一个经验值 不是由一个过程控制 一般适用于有机物 单分子吸附适用于金属 影响吸附的因素 溶液的pH值 一般情况下颗粒物对重金属的吸附量随pH值升高而增大 当溶液pH超过某元素的临界pH值时 则该元素在溶液中的水解 沉淀起主要作用 颗粒物的粒度和浓度 吸附量随粒度增大而减少 并且
5、当溶质浓度范围固定时 吸附量随颗粒物浓度增大而减少 温度变化 几种离子共存 竞争作用 等 3 沉积物中重金属的释放 属于二次污染问题 诱发释放的主要因素有 1 盐浓度升高 碱金属和碱土金属阳离子可将被吸附在固体颗粒上的金属离子交换出来 2 氧化还原条件的变化 有机物增多 产生厌氧环境 铁锰氧化物还原溶解 使结合在其中的金属释放出来 3 pH值降低 H 离子的竞争吸附作用 金属在低pH值条件下致使金属难溶盐类以及配合物的溶解 4 增加水中配合剂的含量 天然或合成的配合剂使用量增加 能和重金属形成可溶性配合物 有时这种配合物稳定度较大 可以溶解态形态存在 使重金属从固体颗粒上解吸下来 二 水中颗粒
6、物的聚集 1 物理凝聚理论凝聚coagulation电介质促成的聚集 卤水点豆腐 絮凝flocculation聚合物促成的聚集 1 前提 颗粒粒度均等 球体 范德化引力和静电排斥力是仅有的作用因素 没有化学专属吸附作用颗粒在水溶液中进行热运动 其平均动能为3 2kT 2 理论描述总的综合作用位能 VT VR VAVA 由范德华力产生的位能VR 由静电排斥力所产生的位能 两个离子靠得很近时 要考虑水化膜阻力 不同离子强度有不同VR曲线 呈指数下降 VA与粒子强度无关 只随颗粒间的距离变化 不同离子强度有不同的VT曲线 离子强度较小时 综合位能曲线上出现较大位能峰 排斥力占优势 体系保持分散稳定状
7、态 离子强度较大时 双电层被压缩 Vmax降低 一部分颗粒可能超越该位能峰 2 异体凝聚理论 1 适用条件 适用于物质本性不同 粒径不等 电荷符号不同 电位高低不等的分散体系 2 主要论点 A 电荷符号相异的胶体微粒接近时 吸引力总是占优势 B 电荷符号相同但电性强弱不等 则位能曲线上的能峰高度总是决定于荷电较弱而电位较低的一方 因此异体凝聚时 只要有一种胶体的稳定性甚低而电位达到临界状态 就可以发生快速凝聚 三 溶解和沉淀 溶解与迁移实际溶解沉淀过程的复杂性1 氧化物和氢氧化物 氧化物可以视作氢氧化物的脱水产物Me OH n s Men nOH 根据溶度积 Ksp Men OH n可转化为
8、Men Ksp OH n Ksp H Kwn lg Men lgKsp nlg H nlgKwpc pKsp npKw npH pKsp npOH可以做pc pH图 斜率等于n 即金属离子价 截距是pH 14 1 n pKsp P186图扫描表3 10 pH 如果考虑到羟基配合作用 那么金属氧化物或氢氧化物的溶解度 MeT 表征为 MeT Mez Me OH nz n 固体的氧化物和氢氧化物具有两性的特征 它们和质子或羟基离子都发生反应 存在一个pH值 在该值下溶解度为最小值 在碱性或酸性更强的pH值区域内 溶解度都会变得更大 2 硫化物 H2SH HS K1 8 9 10 8HS H S2
9、K2 1 3 10 15两者相加可得 H2S2H S2 K12 K1 K2 1 16 10 22在饱和水溶液中 H2S浓度总是保持在0 1mol L 因此可认为饱和溶液中H2S分子浓度也保持在0 1mol L 得 H 2 S2 1 16 10 22 0 1 1 16 10 23 Ksp 纯饱和溶液中 S2 Ksp H 2 1 16 10 23 8 9 10 9 1 3 10 15mol L任意水体中 S2 1 16 10 23 H 2 Me2 S2 Ksp因此 在H2S和硫化物均达到饱和的溶液中 溶液重金属离子的饱和浓度为 Me2 Ksp S2 Ksp H 2 Ksp Ksp H 2 0 1K
10、1K2 3 碳酸盐 多相平衡 pH通过控制碳酸根浓度影响沉淀平衡 封闭体系 只考虑固相和液相 把H2CO3 当作不挥发酸类处理 CT为常数时 CaCO3 s Ca2 CO32 Ca2 Ksp CT 2 根据上式 可以得出lg Me2 pH值的曲线 2 1 H 2 K1K2 H K2 1 Lg Me2 A 当pH pK2时 lg CO32 线斜率为零 lg Ca2 线斜率也为零 B 当pK1 pH pK2时 lg CO32 线斜率为1 lg Ca2 线斜率为 1 C 当pH pK1时 lg CO32 线斜率为2 lg Ca2 线斜率为 2 pH 2 CaCO3 s 在纯水中的溶解 Ca2 CT溶
11、液必须满足电中性条件 2 Ca2 H HCO3 2 CO32 OH 达到平衡时 Ca2 Ksp CT 2把上述几式综合考虑 得 Ca2 Ksp 2 1 2 lg Ca2 0 5pKsp 0 5p 2 对于其他金属碳酸盐则可写为 lg Me2 0 5pKsp 0 5p 2由2 Me2 H HCO3 2 CO32 OH 得 Ksp 2 1 2 2 1 2 2 H Kw H 0 当pH pK2时 2 1 CO32 为主 lg Ca2 0 5lgKSP 当pK1 pH pK2时 2 K2 H 1 1 2 K2 HCO3 H HCO3 为主lg Ca2 0 5lgKSP 0 5lgk2 0 5lgpH
12、当pH pK1时 2 K1K2 H 2 H2CO3为主 lg Ca2 0 5lgKSP 0 5lgK1k2 lgpH 四 氧化还原 氧化 还原平衡对水环境中无机污染物的迁移转化具有重要意义 水体中氧化还原的类型 速率和平衡 在很大程度上决定了水中主要溶质的性质 例如 厌氧型湖泊 其湖下层的元素都将以还原形态存在 碳还原成 4价形成CH4 氮形成NH4 硫形成H2S 铁形成可溶性Fe2 其表层水由于可以被大气中的氧饱和 成为相对气体性介质 如果达到热力学平衡时 则上述元素将以氧化态存在 碳成为CO2 氮成为NO3 铁成为Fe OH 3沉淀 硫成为SO42 显然这种变化对水生生物和水质影响很大 四
13、 氧化还原 1 电子活度和氧化还原电位 1 电子活度 pE lg ae ae 水溶液中电子活度pE严格的热力学定义是基于下列反应的 2H aq 2eH2 g 当这个反应的全部组分都以1个单位活度存在时 该反应的自由能变化可定义为零 即当H aq 在1单位活度与1个标准大气压H2 g 平衡的介质中 电子活度才为1 pE越小 电子浓度越高 体系提供电子的倾向就越强 反之 pE越大 电子浓度越低 体系接受电子的倾向就越强 2 氧化还原电位E和pE的关系Ox ne Red 1 根据Nernst方程E E0 2 303RT nF lg Red Ox 2 当反应达平衡时 定义E0 2 303RT nF l
14、gK 3 从上述化学方程式 1 可写出K Red Ox e n 4 根据pE的定义pE lg e 1 n lgK lg Red Ox EF 2 303RT 5 E 0 059 2 氧化还原电位E和pE的关系 同样 pE0 E0 0 059根据Nernst方程 pE的一般表示形式为 pE pE0 1 n lg 反应物 生成物 平衡常数K lgK nE0F 2 303RT nE0 0 059 n pE0 25 自由能变化 可以从以下两个方程中任一个给出 G nFE G 2 303nRT pE 2 天然水体的pE pH图 水中铁的pE pH图 总可溶性铁浓度为1 0 10 7mol L O2 H2O
15、 Fe3 Fe OH 2 Fe2 H2 H2O FeOH Fe OH 2 s Fe OH 3 s 会写出线段 到 的表达式p196 3 天然水的pE和决定电位 1 决定电位 若某个单体系的含量比其他体系高得多 则此时该单体系电位几乎等于混合复杂体系的pE 称之为决定电位 2 一般天然水环境中 溶解氧是决定电位物质 而在有机物积累的厌氧环境中 有机物是决定电位物质 介于二者之间者 则其决定电位为溶解氧体系和有机物体系的结合 3 天然水的pE为13 58 该值随水中溶解氧的减少而降低 因而表层水呈氧化性环境 深层水及底泥呈还原性环境 同时天然水的pE随pH减少而增大 水稳定存在下界 土壤积水富有机
16、质盐水 海洋水深层湖水地下水与大气隔绝 矿泉水雨水正常水充气河水洋水盐水湖水 与大气接触 水稳定存在上界 认真看看P200页的计算过程 4 无机铁的氧化还原 天然水中铁的存在形态为Fe OH 3 s 或Fe2 现以Fe3 Fe2 H2O体系为例讨论pE对铁形态浓度的影响 设总溶解铁浓度为1 0 10 3mol L Fe3 eFe2 pE0 13 05pE 13 05 1 nlg Fe3 Fe2 当pE pE0时 Fe3 Fe2 Fe3 1 0 10 3mol Llg Fe2 10 05 pE 5 水中有机物的氧化 A 水中有机物可以通过微生物的作用 逐步降解转化为无机物 CH2O O2CO2 H2OB 水中有机物有氧分解产物为CO2 H2O SO42 NO3 等 不会引起水质恶化 而缺氧分解产物为NH3 H2S CH4 将会使水质恶化 氧下垂曲线 向河流中加入有机物后 将引起水体溶解氧发生变化 水中BOD升高 发生耗氧分解 河流的含氧量沿程迅速下降 微生物 1 配合物在溶液中的稳定性 1 概念稳定性 指配合物在溶液中离解成中心离子和配位体 当离解达到平衡时离解程度的大小 天然水体中重要
