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1、第三章 水环境化学Chapter 3. Aquatic Environmental Chemistry地球上水资源状况地球表面约有70以上被水所覆盖，所以地 球素有“水的行星”之称。地球上水约13.86亿 km3。可利用的淡水只占水总 量的0.3。而在这极少 的淡水资源中，又有70% 以上被冻结在南极和北极 的冰盖中，加上难以利用 的高山冰川和永冻积雪。 可利用的水资源占地球水 资源的0.64%.地球上水资源状况当前主要的缺水类型有：资源型缺水、工程 型缺水和水质型缺水。 由于缺水，危害了农作物生长、并影响着工 业生产、威胁着人体健康和生态、国家安全。中国水资源状况淡水资源总量为28000亿m
2、3，占全球水资源 的6，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世 界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界 平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121 位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一 。全国400座供水不足，110座严重缺水；在 46个重点城市中，45.6%水质较差。 中国水资源分布 中国水污染状况七大江河水系的741个监测断面的 水质：I类: 38.1% ；、类: 32.2%；劣类: 41%。水环境污染极其严重78条主要河流，有54条遭到污染， 其中有14条污染严重。同时我国47 个城市地下水源的调查中有43个城 市受到污染，占91.4%， 加剧我国水资源短缺的原因：水污染严
3、重、水浪费严重、水资 源重复利用率低。水环境化学本章内容天然水的基本特征及污染物的存在形态F 水中无机污染物的迁移转化F 水中有机污染物的迁移转化水环境化学一、天然水的基本特征及污染物的存在形态 1. 天然水的基本特征1.1 天然水的组成K+, Na+, Ca2+, Mg2+, HCO3-, NO3-, Cl-, SO42- 为天然水中常见的八大离子，占天然水离子总量的95%99%。(1) 天然水的主要离子组成：天然水中常见主要离子总量可以粗略地作为水的总含盐量(TDS)TDS=Ca2+ + Mg2+ + Na+ + K+ + HCO3 -+SO42- +Cl- +NO3- 1. 天然水的基本
4、特征(2) 水中的金属离子：水溶液中金属离子的表达式通常可以写成Mn+，表示简单的水合金属离子M(H2O) xn+。水中金属离子常常以多种形态存在。例如铁: Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe2(OH)24+, Fe3+ , (3) 气体在水中的溶解性大气中的气体与溶液中同种气体间的平衡为：G(aq) = KHpGp G- 各种气体分压亨利定律：一种气体在液体中的溶解度正比于所接触的该种气体的分压。但这并不能说明气体在溶液中进一步的化学反应。溶解于水中的实际气体的量，可以大大高于亨利定律表示的量。KH 是各种气体在一定温度下的亨利定律常数 (mol/LPa); 1. 天然水的基本特征
5、氧在干燥空气中的含量为 20.95% ，大部分元素氧来自大气。求氧在 1.013 105 Pa， 25 饱和水中的溶解度：水在25时的蒸汽压为0.03167 105 Pa。氧在水中的溶解度 1. 天然水的基本特征CO2在干燥空气中的含量为 0.0314% ，水在25时的蒸 汽压为0.03167 105 Pa，CO2的亨利定律常数为3.34 10-7 mol/L.Pa。则CO2在水中的溶解度为：CO2的溶解度 1. 天然水的基本特性H+=HCO3-H+2/CO2=K1v CO2在水中的溶解度=CO2+HCO3-不同温度下，气体在水中溶解度的计算： 1. 天然水的基本特征(4) 水生生物 1. 天
6、然水的基本特征水生生物分为自养生物和异养生物 。自养生物：利用太阳能或化学能量，把简单、无生命的无机物元素引进其复杂的生命分子中即组成生命体。如藻类等。异养生物：利用自养生物产生的有机物作为能源及合成它自身生命的原始物质。 藻类的生成和分解就是在水体中进行光合作用(P)和呼吸作 用(R)的一典型过程。 1. 天然水的基本特征水体产生物体的能力称为生产率。生产率是由化学的及物理的 因素相结合而决定的。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常被称为富营养化 。营养物质：C（二氧化碳）、N（硝酸盐）、P（磷酸盐）及 痕量元素（如 Fe）。 2.1 碳酸平衡在水体中存
7、在着CO2、H2CO3、 HCO3-、 CO32-等4种物质;常把CO2和H2CO3 合并为H2CO3*;实际上H2CO3 的含量极低，主要是溶解性的气体CO2。 以下将H2CO3*略写为H2CO3 2. 天然水的性质CT = H2CO3 + HCO3- + CO32- 2. 天然水的性质以上属封闭的水溶液体系的情况；没有考虑大气交换过程。CO2+H2CO3HCO3-CO32-100806040200 2 4 6 8 10 12pH 图3-1 碳酸化合态分布图 2. 天然水的性质对于开放体系，应考虑大气交换过程： 2. 天然水的性质开放体系和封闭体系区别?碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部
8、物质，亦即能 接受H+的物质总量。组成水中碱度的物质可以归纳为三类： 强碱；弱碱； 强碱弱酸盐。 At pH values below 7, H+ in water detracts significantly from alkalinity, and its concentration must be subtracted in computing the total alkalinity. Therefore the following equation is the complete equation for alkalinity in a medium where the only c
9、ontributors to it are HCO3-, CO32-, and OH-.总碱度 = HCO3- + 2CO32- + OH- H+2.2 天然水中酸度和碱度 2. 天然水的性质酸度是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放 出H+或经水解能产生H+的物质总量。包括强酸、弱酸、强酸弱碱盐等。某水体的pH = 8.00, 碱度为1.0010-3 mol/L, 该水体中HCO3- 、 CO32-、 OH-、H+等物质的浓度。解：pH = 8.00时， CO32-的浓度很低，可认为碱度全部由 HCO3-贡献，则HCO3- = 碱度 = 1.0010-3 mol/L；根据pH值，H+
10、 = 1.00 10-8 mol/L; OH- = 1.00 10-6 mol/L总酸度 = H+ + HCO3- + 2H2CO3 OH- 2. 天然水的性质 2. 天然水的性质对于开放体系，应考虑大气交换过程： 2. 天然水的性质 主要污染物的危害 无机污染物-甲基汞 无机污染物-甲基汞 无机污染物-甲基汞 无机污染物-镉 持久性有机污染物- POPs1、POPs的定义持久性有机污染物（Persistent organic pollutants, POPs）是一系列在环境中长期残留和长 距离迁移，具有脂溶性和生物蓄积性，对人类和野生 动植物有高毒的含碳化合物。2、POPs五个特性 持久性
11、/长期残留性 ( Persistent in the environment) 生物蓄积性(Bioaccumulates in fatty tissues) 半挥发性 (Semi-volatility) 高毒性 (High-toxic) 长距离迁移性(Long-range transport) 3、来源联合国环境规划署 ( United Nations Environment Programme, UNEP）国际公约中首批控制的三类12种 POPs是艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、DDT、氯丹、六氯 苯、灭蚁灵、毒杀芬、七氯、多氯联苯、二恶英和苯并 呋喃。其中前9种属于有机氯农药。多氯联苯是精细化工
12、 产品，后2种是化学产品的衍生物杂质和含氯废物焚烧所产生的次生污染物。 持久性有机污染物- POPs1998年6月在丹麦奥尔胡斯召开的泛欧环境部长会议上，美国、加拿大和欧洲32个国家正式签署了关 于长距离越境空气污染物公约，提出了16种（类）加 以控制的POPs，除了UNEP提出的12种物质之外，还有 六溴联苯、林丹(99.5%的六六六丙体制剂）、多环芳 烃和五氯酚。 持久性有机污染物3、来源4、POPs在环境中的转归POPs空气 土壤 水体生物富集(食物链)呼吸 食物 饮水人体危害 持久性有机污染物- POPsPOPs在水体中的半衰期大多在几十天至20年，个别长达100年；在土壤中半衰期大多
13、在1-12年， 个别长达600年；而它们的生物富集因子（BCF） 高达4000-70000之间。以上性质决定了POPS对人 体健康和生态环境具有极大的危害。 持久性有机污染物- POPs内分泌干扰免疫毒性生殖系统毒性 POPs 人体危害 神经系统毒性 内脏器官毒性 致癌、致畸、致突变 AirFoodWater5、POPs对人体的危害多氯联苯(polychlorinated biphenyl，简称PCB)是许多联 苯的含氯化合物的统称，在多氯联苯中，部份苯环上的氢原 子被氯原子置换，一般式为 C12HnCl(10-n) (0n9)。依氯 原子的个数及位置不同，多氯联苯共有209种异性体存在。多氯
14、联苯耐热性及电绝缘性能良好，化学性质稳定。不溶于 水，易溶于有机溶剂及脂肪。常用作加热或冷却时的热载体 、电容器及变压器内的绝缘材料、也常作为涂料及溶剂使用 ，应用的范围很广。影响皮肤、神经、肝脏，破坏钙的代谢，导致骨骼、牙齿的 损害，并有慢性致癌和致遗传变异等的可能性。 PDPs-多氯联苯 1、来源 PDPs-多氯联苯 POPs-二恶英 二恶英- 英文名字dioxin, 二恶英是一个总称，它描 述了一类数百种在环境中高度稳定的，非挥发性的， 亲脂的，很难生物降解的有机氯化合物。国际癌症研 究中心（IARC）1997年2月14日宣布，毒性最大的二 恶英，2，3，7，8-TCDD,已被确认为是一
15、种致癌物。 二恶英包括多氯二苯并二氧六环（PCDD） 和多氯 二苯并呋喃（PCDF）这两类化合物。PCDD和 PCDF分别由75和135个同族体构成，它们的化学结 构相似，常简写PCDD/Fs。由于Cl原子取代数目不 同而使它们各有8个同系物，每个同系物随分子中Cl 原子的不同取代位置和数目，能产生200多种异构体 。 POPs-二恶英 PCDD PCDF毒性: 动物实验表明，小鼠的LD50值（毒死50%实验品 的量）为1g/kg，猴子为70g/kg 。 0.1克的二恶英毒量就能致数十人死亡，致上千只禽 类于死地。 具有环境雌激素效应，可以扰乱激素水平的调节， 造成生殖机能失常，使男性雌性化。 免疫系统受损，胸腺委缩，以及致畸、致突变等。 POPs-二恶英 有机污染物-二恶英 有机污染物-二恶英 人体微量摄入二恶英不会立即病变，但 摄入后却不易排出。如长期食用含二恶英的 食品，这种有毒成分会蓄积，最终可能致癌或引起慢性病。二恶英的主要污染源包括城 市垃圾焚烧、含氯化学工业、食品包装材料 等，90%以上的人体二恶英接触来源于食品 。 POPs- 二恶
