《环境化学第3章-水环境化学-1-水的特征及污染物存在形态》由会员分享，可在线阅读，更多相关《环境化学第3章-水环境化学-1-水的特征及污染物存在形态（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章 水环境化学,(Water Environmental Chemistry）,本章重点,1、无机污染物在水体中进行沉淀-溶解、氧化-还原、配合作用、吸附-解吸、絮凝-沉淀的基本原理;,2、计算水体中金属存在形态;,3、pE计算;,4、有机污染物在水体中的迁移转化过程和分配系数、挥发速率、水解速率、光解速率和生物降解速率的计算方法。,思考题： 1.什么是优先污染物？ 2.天然水中常见的八大离子是什么？ 3.水中有机污染物主要包括哪些类化合物？ 4.水中无机污染物主要有哪些？ 5.什么是自养生物、异养生物？,世界水日、中国水周,关注水质、 抓住机遇、 应对挑战,严格水资源管理，保障可持续发展
2、,水环境化学是研究化学物质在天然水体中的存在形态、反应机制、迁移转化、归趋的规律与化学行为及其对生态的影响。 1）水与生命：人体成分中70%是水，胎儿体内水量更高，可达95%。每人每天生理需水量为2-3升，体内水损失2%就感口渴，失水15%就会死亡。水是构成生命的主要物质之一。 2）水的循环：自然界的水来源有五部分来源：海洋、江河、湖泊、大气中的水蒸汽、南极的冰山和雪以及地下水。它们通过蒸发、凝结、降雨、渗透、径流等途径不断地进行循环。,我国地表水径流总量约为2.6 1012立方米，相当于全球陆地径流总量的5.5，占全世界第5位，但我国人均占有地表水资源居世界第88位。,3）水的资源性和有限性
3、,地球上水圈有1.4109立方千米。全球的淡水资源约占水圈的1.2，约有1.71016立方米，而其中80是不能利用的深层地下水。可见，水是有限的，而且具有地区的极大不平衡性。,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、水中污染物的分布和存在形态1、有机污染物2、金属污染物 三、水体污染对人体健康的危害,第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态,1.1天然水的基本特征 1.1.1 天然水的组成(Constitution of Natural Waters) （1）天然水中的主要离子组成：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、N
4、O3-、Cl-和SO42-为天然水中常见的八大离子，占天然水中离子总量的9599。水中这些主要离子的分类，常用来作为表征水体主要化学特征性指标，如表3-1所示。,表3-1 水中的主要离子组成,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- 某矿泉水指标：K Na Ca Mg HCO3- SO42- Cl- pH 矿化度 0.22 7.95 78.25 14.98 262.35 25.01 25.4 7.5 4.3,用Mn+表示，以M(H2O)xn+存在 。酸-碱、沉淀、络合及氧化
5、-还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。例如，铁可以Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+和Fe3+等形态存在。在中性水体中的浓度可以通过平衡常数计算，结果表明，水合铁离子的浓度可以忽略不计。,（2） 水中的金属离子,大气中的气体分子与溶液中同种气体分子间的平衡为：X(g) X(aq) 享利定律：X(aq)=KHpG 式中：KH：各种气体在一定温度下的亨利定律常数，见表3-1pG：各种气体的分压。H2CO3 = H+ + HCO3-HCO3- = H+ + CO32-,（3）气体在水中的溶解性：,氧在水中的溶解度：氧在干燥空气中的含量为20.95，大部分元素氧来自大气，
6、因此水体与大气接触再复氧的能力是水体的一个重要特征。 氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压及水中含盐量有关。氧在1atm，25饱和水中的溶解度：首先从表3-3（见教材）可查出水在25时的蒸气压为0.03167 l05Pa，由于干空气中氧的含量为20.95%，所以氧的分压为： pO2（1.0130-0.03167）l05 0.20950.2056 l05Pa,代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为：O2(aq)KHpO21.26 l0-8 0.2056 l052.6 l0-4mol/L 氧的摩尔质量为32g/mol，因此其溶解度为8.32mgL。气体的溶解度随温度升高而降低，这种影响可由
7、Clausius-Clapeyron方程式显示出：,CO2的溶解度： CO2的含量为0.0314， 25时水蒸气压力0.03167 l05Pa ，CO2的亨利定律常数是3.3410-7mol/(LPa) ：CO2 KHpCO2 1.02810-5 mol/L CO2在水中离解部分可产生等浓度的H+和HCO3-。H+和HCO3-的浓度可从CO2的酸离解常数K1计算出（参考分析化学酸碱平衡）：H+= HCO3- H+2/CO2 =K1=4.4510-7H+=2.1410-6 mol/L pH5.67故CO2在水中的溶解度应为CO2 + HCO3-=1.24l0-5 mol/L。,（4）水生生物,水
8、生生物体可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至复杂的生命分子中即组成生命体，例如藻类。,藻类的生成和分解是水体中进行光合作用(P)和呼吸作用(R)的典型过程106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H(+痕量元素和能量）,P,R,C106H263O110N16P+138O2,生产1 kg藻类需要消耗碳358 g、氧496 g、氮63 g、磷9 g，磷是最小限制因素。1磷可刺激100藻生长,赤潮海域无机磷超标1525倍。,水体产生生物体的能力称为生产率。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
9、被称为富营养化。（赤潮、水化）,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。决定水体中生物的范围及种类的关键物质是氧，在测定河流及湖泊的生物特征时，首先要测定水中溶解氧的浓度。BOD是指在一定体积的水中有机物生物降解所要耗用的氧的量。BOD高的水体，不可能很快补充氧气，显然对水生生物是不利的。,（1） CO2碳酸平衡： 在水体中存在着 CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-等四种化合态，常把CO2和H2CO3合并为H2CO3* 。水中H2CO3*-HCO3-CO32-体系可用下面的反应和平衡常数表示：CO2H2O H2CO3* pK0 =1.46H2CO3* HC
10、O3 + H+ pK1 =6.35HCO3 CO32- + H+ pK2 =10.33,1.1.2 天然水的性质（碳酸平衡、酸碱度）,（2）天然水中的碱度和酸度： 碱度（Alkalinity）是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。 强碱：NaOH, Ca(OH)2 弱碱：NH3, C6H5NH2，在水中有一部分反应生成OH-离子； 强碱弱酸盐：如各种碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物和腐殖酸盐等。,用一个强酸标准溶液滴定，用甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变成橙红色（pH约4.3），停止滴定，此时所得的结果称为总碱度，也称为甲基橙碱度。其化学反应的计量关系式如
11、下：H+ + OH- H2OH+ + CO32- HCO3-H+ + HCO3- H2CO3 酚酞碱度：如果以酚酞作为指示剂，当溶液的pH值降至8.3时，表示OH-被中和，CO32- 全部转化为HCO3-，作为碳酸盐只中和了一半。,总碱度的测定方法：,总碱度HCO3- + 2CO32-+ OH- H+,酚酞碱度 CO32- + OH- H2CO3* - H+,酸度：是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，也就是放出H+或经过水解能产生H+的物质的总量。 组成水中酸度的物质也可归纳为三类： 强酸：HCl, H2SO4, HNO3等 弱酸：CO2, H2CO3, H2S 强酸弱碱盐：FeCl3,
12、Al2(SO4)3,根据质子条件： 总酸度 H+ + HCO3- 2 H2CO3* - OH- CO2酸度 H+ + H2CO3* CO32- OH- 无机酸度H+ HCO3- - 2CO32- - OH-,应用总碳量(cT)和相应的分布系数()来表示： 总碱度cT(1+22) + Kw/H+ - H+总酸度cT(1+20) + H+ - Kw/H+,第三章 水环境化学,例1 某水体的pH为8.00，碱度为1.0010-3mol/L，计算H2CO3*、HCO3-、CO32-及OH-在水中的浓度。pH为8.0时，碱度全部由HCO3-贡献，则：HCO3-= 1.0010-3mol/LOH-= 1.
13、0010-6mol/L 根据酸的解离常数，可计算：H2CO3*= HCO3-H+/K1=2.2510-5mol/LCO32-=K2 HCO3-/ H+=4.6910-6mol/L,计算pH=6，酸度为1.0010-3mol/L时各形态物质浓度。H+= 1.0010-6mol/L酸度=H+ + HCO3- + 2 H2CO3*= 1.0010-3 根据酸的离解常数，可计算：H2CO3*= HCO3-H+/K1 则： H2CO3*= 4.0910-4mol/LHCO3-=1.8210-4mol/L,天然水体的pH=69，而且其pH几乎保持不变，这表明天然水体具有一定的缓冲能力。一般认为，各种碳酸化
14、合物是控制水体pH值的主要因素，并使水体具有缓冲作用。人们时常根据它的存在情况来估算水体的缓冲能力。对于碳酸水体系，当pH8.3时可以只考虑一级碳酸平衡，故其pH值可由下式确定：pH=pK1 + lgHCO3-/H2CO3*,（3）天然水体的缓冲能力：,当pH8.3时，pH=pK2 + lgCO32-/HCO3-,1.2 水中污染物的分布和存在形态,八大类 耗氧污染物 致病污染物 合成有机物 植物营养物 N、P 无机物及矿物质 酸碱类等及重金属，如Hg、Cr、Pb等 沉积物 放射性物质 热污染：对生物危害比较大,1.2.1有机污染物 (Organic Pollutant),农药,有机氯,有机磷
15、,多氯联苯 (PCBS),卤代脂肪烃,醚,单环芳香族化合物,苯酚类和甲酚类,酞酸酯类,多环芳烃（PAH),亚硝胺和其他化合物,（1）农药 水中常见的农药概括起来，主要为有机氯和有机磷农药，此外还有氨基甲酸酯类农药。有机氯农药由于难以被化学降解和生物降解，在环境中的滞留时间很长，故很大一部分被分配到沉积物有机质和生物脂肪中。有机氯农药，DDT由于它的持久性和通过食物链的累积性，己被许多国家禁用。,有机磷农药和氨基甲酸酯农药与有机氯农药相比，较易被生物降解，它们在环境中的滞留时间较短，在土壤和地表水中降解速率较快，杀虫力较高，常用来消灭那些不能被有机氯杀虫剂有效控制的害虫。氨基甲酸酯类和有机磷杀虫剂的沉积物吸附和生物累积过程是次要的，然而当它们在水中浓度较高时，有机质含量高的沉积物和脂类含量高的水生生物也会吸收相当量的该类污染物。目前在地表水中能检出的不多，污染范围较小。除草剂及其中间产物是污染土壤、地下水以及周围环境的主要污染物。,
