《水環(huán)境化學(xué)》PPT課件

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1、(Water Environmental Chemistry 1、 無 機(jī) 污 染 物 在 水 體 中 進(jìn) 行 沉 淀 -溶 解 、 氧 化 -還 原 、 配 合 作 用 、 吸 附 -解 吸 、 絮 凝 -沉 淀 的 基 本 原 理 ;2、 計(jì) 算 水 體 中 金 屬 存 在 形 態(tài) ;3、 pE計(jì) 算 ;4、 有 機(jī) 污 染 物 在 水 體 中 的 遷 移 轉(zhuǎn) 化 過 程 和 分 配 系 數(shù) 、揮 發(fā) 速 率 、 水 解 速 率 、 光 解 速 率 和 生 物 降 解 速 率 的計(jì) 算 方 法 。 一 、 天 然 水 體 的 基 本 特 征(Basic Character of Natur

2、al Waters)1、 天 然 水 的 組 成 (Constitution of Natural Waters)八 大 離 子 ：K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+、 HCO3-、 NO3-、 Cl-和 SO42-總 含 鹽 量 (TDS)：TDS=K +Na+Ca2+Mg2+HCO3-+NO3-+Cl-+SO42- （ 1） 碳 酸 平 衡 (Balance of H2CO3)水 體 中 存 在 四 種 化 合 態(tài) ： CO2、 CO32-、 HCO3-、 H2CO3 常 把 CO2和 H2CO3合 并 為 H2CO3*。 H2CO3* HCO3-CO32-體 系 可 用 下 面 的反

3、 應(yīng) 和 平 衡 常 數(shù) 表 示 ：CO2 + H2O = H2CO3* pK0 = 1.46 H2CO3* = H+ + HCO3- pK1 = 6.35 HCO3- = H+ + CO32- pK2 = 10.33 0 =H2CO3* /H2CO3* +HCO3- +CO32- 1= HCO3- /H2CO3* +HCO3- +CO32- 2 = CO32- /H2CO3* +HCO3- +CO32- 堿 度 （ Alkalinity） 指 水 中 能 與 強(qiáng) 酸 發(fā) 生 中 和 作 用的 全 部 物 質(zhì) ， 即 接 受 質(zhì) 子 的 物 質(zhì) 總量 ， 包 括 強(qiáng) 堿 、 弱 堿 及 強(qiáng) 堿

4、 弱 酸 鹽 。 H+ + OH- = H2O H+ + CO32- = HCO3- (酚 酞 終 點(diǎn) ) H+ + HCO3- = H2CO3 (甲 基 橙 終 點(diǎn) )測(cè) 定 方 法 ：酸 堿 滴 定 ， 雙 指 示 劑 法 總 堿 度 = HCO3- + 2CO32- + OH- H+酚 酞 堿 度 =OH-+CO32-H2CO3* H+苛 性 堿 度 = OH- HCO3- - 2CO32- H+ 酸 度 （ Acidity） 是 指 水 中 能 與 強(qiáng) 堿 發(fā) 生 中 和 作 用 的 全部 物 質(zhì) ， 亦 即 放 出 H+或 經(jīng) 過 水 解 能 產(chǎn) 生 H+的 物 質(zhì) 的 總 量 。強(qiáng)

5、 酸弱 酸強(qiáng) 酸 弱 堿 鹽 總 酸 度 = H+ HCO3- +2H2CO3* - OH- CO2酸 度 = H+ H2CO3* - CO32- - OH- 無 機(jī) 酸 度 = H+- HCO3-2 CO32- - OH- 1、 有 機(jī) 污 染 物 (Organic Pollutant)農(nóng) 藥 有 機(jī) 氯有 機(jī) 磷多 氯 聯(lián) 苯 (PCBS)鹵 代 脂 肪 烴醚 單 環(huán) 芳 香 族 化 合 物苯 酚 類 和 甲 酚 類酞 酸 酯 類多 環(huán) 芳 烴 （ PAH)亞 硝 胺 和 其 他 化 合 物 2、 金 屬 污 染 物 (Metal Pollutant)Cd、 Hg、 Pb、 As、 Cr、

6、 Cu、 Zn、 Tl、 Ni、 Be 第 二 節(jié) 水 中 無 機(jī) 污 染 物 的 遷 移 轉(zhuǎn) 化 (Transport and Transformation of inorganic Pollutants) 一 、 顆 粒 物 與 水 之 間 的 遷 移(Transport Between Particles and Water)1、 水 中 的 顆 粒 物 的 類 別礦 物 微 粒 和 黏 土 礦 物金 屬 水 合 氧 化 物腐 殖 質(zhì)懸 浮 沉 積 物其 他 腐 殖 質(zhì) (Humic Substances) 帶 負(fù) 電 荷 的 高 分 子 弱 電 解 質(zhì) ， 多 含 有 COOH、 OH

7、等 。 在 pH高 ， 離 子 強(qiáng) 度 低條 件 下 ， 羥 基 、 羧 基 大 多 離 解 ， 負(fù) 電 荷 相 互排 斥 ， 構(gòu) 型 伸 展 ， 親 水 性 強(qiáng) 。 2、 水 環(huán) 境 中 顆 粒 物 的 吸 附 作 用(Adsorption of Particals in Water Environmen)表 面 吸 附離 子 交 換 吸 附專 屬 吸 附 （ 1） 吸 附 等 溫 線 和 等 溫 式(Adsorption Isotherms and Isothermal Equation)吸 附 是 指 溶 質(zhì) 在 界 面 層 濃 度 升 高 的 現(xiàn) 象 ，水 體 中 顆 粒 物 對(duì) 溶

8、質(zhì) 的 吸 附 是 一 個(gè) 動(dòng) 態(tài)平 衡 過 程 。 H型 （ Henry） 等 溫 式 （ 直 線 型 ）kCGF型 （ Freundlich） 等 溫 式nkCG 1用 對(duì) 數(shù) 表 示 ： CnkG lg1lglg 式 中 ： K分 配 系 數(shù) 在 一 定 的 溫 度 下 ， 當(dāng) 吸 附 達(dá) 到 平 衡 時(shí) ， 顆 粒 物表 面 上 的 吸 附 量 （ G） 與 溶 液 中 溶 質(zhì) 平 衡 濃 度 (C) 之 間 的 關(guān) 系 用 吸 附 等 溫 式 表 達(dá) 。 L型 （ Langmuir） 等 溫 式 )/(0 CACGG )/1)(/(/1/1 00 CGAGG G0單 位 表 面 上

9、達(dá) 到 飽 和 時(shí) 的 最 大 吸 附 量A常 數(shù) 3、 沉 積 物 中 重 金 屬 的 釋 放 (Release of Heavy Metals in Sediment) 沉 積 物 中 的 重 金 屬 可 能 重 新 進(jìn) 入 水體 ， 這 是 產(chǎn) 生 二 次 污 染 的 主 要 原 因 。不 僅 對(duì) 于 水 生 生 態(tài) 系 統(tǒng) ， 而 且 對(duì) 于 飲用 水 的 供 給 都 是 很 危 險(xiǎn) 的 。 誘 發(fā) 釋 放 的 主 要 因 素 ：（ 1） 鹽 濃 度 升 高 ；（ 2） 氧 化 還 原 條 件 的 變 化 ；（ 3） 降 低 pH值 ；（ 4） 增 加 水 中 配 合 劑 的 含 量

10、。 二 、 水 中 顆 粒 物 的 聚 集(Aggregation of Particals in Water)膠 體 顆 粒 的 聚 集 亦 可 稱 為 凝 聚 或 絮 凝 。凝 聚 ： 由 電 介 質(zhì) 促 成 的 聚 集 。絮 凝 ： 由 聚 合 物 促 成 的 聚 集 。 膠 體 顆 粒 凝 聚 方 式 (Flocculation Way of Colloid Particulate)1、 壓 縮 雙 電 層 的 聚 集2、 專 屬 吸 附 凝 聚3、 膠 體 相 互 凝 聚4. “邊 對(duì) 面 ” 絮 凝 膠 體 顆 粒 凝 聚 方 式(Aggregation Way of Colloi

11、d Particulate)（ 5） 第 二 極 小 值 絮 凝 ；（ 6） 聚 合 物 粘 結(jié) 架 橋 絮 凝 ；（ 7） 無 機(jī) 高 分 子 的 絮 凝 ；（ 8） 絮 團(tuán) 卷 掃 絮 凝 ；（ 9） 顆 粒 層 吸 附 絮 凝 ；（ 10） 生 物 絮 凝 。 三 、 沉 淀 和 溶 解 (Precipitation and Dissolution)1、 金 屬 氧 化 物 和 氫 氧 化 物 nOHMSOHM nn )()( nnSP OHMK nSPn OHKM lglglg lglglg HnKnK OHnKM WSP SPn npHnpKpKpC WSP 金 屬 氧 化 物 和

12、氫 氧 化 物 的 溶 解 度與 溶 液 的 pH值 呈 線 性 關(guān) 系 。 2、 硫 化 物 (Sulfide) 金 屬 硫 化 物 是 比 氫 氧 化 物 溶 度 劑 更 小的 一 類 難 溶 沉 淀 物 。 在 硫 化 氫 和 硫 化 物 均 達(dá) 到 飽 和 的 溶 液中 ， 可 算 出 溶 液 中 金 屬 離 子 的 飽 和 濃 度 為 ：Me2+=Ksp/S2-=KspH+2/(0.1K1K2) （ 1） 封 閉 體 系 (Closed System for the Atmosphere)CT為 常 數(shù) ， CaCO3的 溶 解 度CaCO3 = Ca2+ + CO32-KSP =

13、Ca2+ CO32- = 10-8.23 2232 TSPSP CKCOKCa 22 lglglglg TSP CKCa 1 2212 )1(: KHKKH已 知 201 COHT pKC 20223 COH pKCO for the Atmosphere CaCO3暴 露 在 含 有 CO2的 氣 相 中 ，大 氣 中 pCO2固 定 ， 溶 液 中 CO2濃 度 也 相應(yīng) 固 定 。 四 、 氧 化 -還 原 (Oxidation and Reduction)1、 電 子 活 度 和 氧 化 還 原 電 位（ 1） 電 子 活 度 的 概 念pE = -lg(e) e水 溶 液 中 電 子

14、 的 活 度還 原 劑 電 子 給 予 體氧 化 劑 電 子 接 受 體 熱 力 學(xué) 定 義 : 根 據(jù) H2 的 半 電 池 反 應(yīng) 2H+(aq)+ 2e = H2 當(dāng) 反 應(yīng) 的 全 部 組 分 活 度 為 1單 位 ， 該 反 應(yīng) 的 自由 能 變 化 G可 定 義 為 零 。 即 當(dāng) H+(aq)為 1個(gè)單 位 活 度 與 H2為 1.0130 105 Pa (活 度 1)平 衡的 介 質(zhì) 中 ， 電 子 活 度 為 1， 則 pE = 0.0。 Ox + n e = Red 根 據(jù) Nernst方 程 ， OxdnFRTEE Relog303.20 氧 化 還 原 電 位 E與 p

15、E的 關(guān) 系 OHeHO 22 2141 75.200 pE2、 天 然 水 體 的 pE-pH圖 (pE in Natrual Water)水 的 氧 化 還 原 限 度氧 化 限 度 1.0130 105Pa 氧 分 壓 HPOpEpE 4120 logpE = 20.75-pH 221 HeH 00.00 pE HpEpE log0 pHpE 還 原 限 度 1.0130 105Pa 氫 分 壓 3、 天 然 水 的 pE和 決 定 電 位 (pE in Natrual Water ) 水 中 主 要 氧 化 劑 ： Fe(III)、 Mn(IV)、 S(VI)等還 原 劑 ：H 2O、

16、 Fe(II)、 Mn(II)、 S(-II)、 有 機(jī) 物 等 決 定 電 位 ： 某 個(gè) 單 體 系 的 含 量 比 其 他 體 系 高 得 多 ， 該 單 體 系 的 電 位 幾 乎 等 于 混 合 體 系 的pE， 被 視 作 決 定 電 位 。 在 一 般 水 環(huán) 境 中 ， 溶 解 氧 是“ 決 定 電 位 ” ， 而 有 機(jī) 污 染 物 積 累的 厭 氧 體 系 中 有 機(jī) 物 是 “ 決 定 電位 ” 。 水 中 氮 的 形 態(tài) 主 要 是 ： NH4+、 NO2-、 NO3-等 。 lg05.13 23 FeFepE 天 然 水 中 的 鐵 主 要 以 Fe(OH)3(S)或

17、 Fe2+形 態(tài) 存 在 。設(shè) 總 溶 解 鐵 的 濃 度 為 1.00 10-3 mol/LFe3+ + e = Fe2+ pEo = 13.05 Oxidation of Organic in Water) 微 生 物 利 用 水 中 的 溶 解 氧 對(duì) 水 中的 有 機(jī) 物 進(jìn) 行 有 氧 降 解 ， 可 以 表 示 為 ：CH2O + O2 CO2 + H2O 當(dāng) 水 中 有 機(jī) 物 增 多 ， 溶 解 氧 減 少 ，可 能 發(fā) 生 缺 氧 降 解 ， 主 要 產(chǎn) 物 為NH4+、 H2S、 CH4等 ， 使 水 質(zhì) 進(jìn) 一步 惡 化 。 天 然 水 體 有 自 凈 能 力 。 1、

18、水 中 多 數(shù) 金 屬 污 染 物 以 配 合 物 形 態(tài) 存 在天 然 水 體 中 重 要 的 無 機(jī) 配 體 有 ：OH-、 Cl-、 CO32-、 HCO3-、 F-、 S2-、 CN-、 NH3 有 機(jī) 配 體 情 況 復(fù) 雜 ， 包 括 動(dòng) 植 物 組 織中 的 天 然 降 解 產(chǎn) 物 ， 如 氨 基 酸 、 糖 、 腐殖 質(zhì) 以 及 生 活 廢 水 中 的 洗 滌 劑 、 NTA、EDTA等 。 （ 1） 大 多 數(shù) 配 合 物 穩(wěn) 定 地 存 在 于 水 中 ；（ 2） 羥 基 、 鹵 素 配 體 的 競(jìng) 爭(zhēng) 配 位 作 用 ，影 響 金 屬 難 溶 鹽 的 溶 解 度 ；（ 3

19、） 重 金 屬 離 子 與 不 同 配 體 的 配 位 作 用 ，改 變 其 化 學(xué) 形 態(tài) 和 毒 性 。 腐 殖 質(zhì) 的 配 合 作 用 ( of Humic Substances) 腐 殖 酸 （ Humic acid） 溶 于 稀 堿 不 溶 于 酸 分 類 富 里 酸 （ Fulvic acid） 溶 于 酸 堿 ， 腐 黑 物 （ Humin） 不 被 酸 堿 提 取 。 結(jié) 構(gòu) ： 含 大 量 苯 環(huán) ， 還 含 大 量 羧 基 、 醇 基和 酚 基 ， 隨 親 水 性 基 團(tuán) 含 量 的 不 同 ， 腐 殖質(zhì) 的 水 溶 性 不 同 ， 并 且 具 有 高 分 子 電 解 質(zhì)的

20、 特 性 ， 表 現(xiàn) 為 酸 性 。 第 三 節(jié) 水 中 有 機(jī) 污 染 物 的 遷 移 轉(zhuǎn) 化(Transport and Transformation of organic Pollutants) 有 機(jī) 污 染 物 在 水 環(huán) 境 中 的 遷 移 轉(zhuǎn) 化取 決 于 有 機(jī) 污 染 物 的 自 身 性 質(zhì) 和 水 體 的環(huán) 境 條 件 。遷 移 轉(zhuǎn) 化 主 要 方 式 ：吸 附 、 揮 發(fā) 、 水 解 、 光 解 、 生 物 富 集 、生 物 降 解 等 。 Partition)1、 分 配 理 論 Partition Theory)吸 著 （ sorption） 指 有 化 合 物 在

21、土 壤 (沉 積 物 )中 的 吸 著 存 在 ， 可 以 用 二 種 機(jī) 理 來 描 述 有 機(jī)污 染 物 和 土 壤 質(zhì) 點(diǎn) 表 面 間 物 理 化 學(xué) 作 用 的 范圍 。 分 配 作 用 （ partition） 吸 附 作 用 （ adsorption) CwCsKp Cs、 Cw表 示 有 機(jī) 物 在 沉 積 物 和 水 中 的 平 衡 濃 度 。 有 機(jī) 物 在 沉 積 物 (土 壤 )與 水 之 間 的分 配 系 數(shù) Kp 有 機(jī) 毒 物 在 生 物 群 -水 之 間 的 分 配 稱為 生 物 濃 縮 或 生 物 積 累 。生 物 濃 縮 因 子 （ KB） 定 義 : 有 機(jī)

22、 體 在 生 物 體 某 一 器 官 內(nèi) 的 濃度 與 水 中 該 有 機(jī) 物 濃 度 之 比 ， 用 BCF或 KB表 示 。 CKtC v / tc /Kv 有 機(jī) 污 染 物 的 揮 發(fā) 速 率 及 揮 發(fā) 速 率 常 數(shù) 的 關(guān) 系 ： HXROHOHRX 2 有 機(jī) 毒 物 與 水 的 反 應(yīng) 是 X-基 團(tuán) 與OH-基 團(tuán) 交 換 的 過 程 ： 在 水 體 環(huán) 境 條 件 下 ， 可 能 發(fā) 生 水 解 的 官能 團(tuán) 有 烷 基 鹵 、 酰 胺 、 胺 、 氨 基 甲 酸 酯 、 羧酸 酯 、 環(huán) 氧 化 物 、 腈 、 磷 酸 酯 、 磺 酸 酯 、硫 酸 酯 等 。 四 、

23、光 解 作 用 (Photolysis)直 接 光 解敏 化 光 解氧 化 反 應(yīng) 五 、 生 物 降 解 作 用 (Biodegradation)1、 生 長(zhǎng) 代 謝 (Growth metabolism) 有 毒 有 機(jī) 物 作 為 微 生 物 培 養(yǎng) 的 唯 一碳 源 ， 使 有 毒 有 機(jī) 物 進(jìn) 行 徹 底 的 降 解 或礦 化 。 pH值溫 度鹽 度溶 解 氧 濃 度營(yíng) 養(yǎng) 物 料 的 種 類濃 度 等 。 影 響 生 物 降 解 作 用 的 因 素 還 有 環(huán) 境 條 件 ： 可 用 Monod方 程 式 來 描 述 當(dāng) 化 合 物 為唯 一 碳 源 時(shí) ， 化 合 物 的 降

24、解 速 率 ： cKBCYdtdBYdtdc S max1 當(dāng) 微 生 物 種 群 及 量 確 定 后 ， 通 常 可 以 用簡(jiǎn) 單 的 一 級(jí) 動(dòng) 力 學(xué) 方 程 表 示 降 解 速 率 為 ：CKdtdC b / 2、 共 代 謝 (Cometabolism) 某 些 有 機(jī) 物 不 能 作 為 微 生 物 培 養(yǎng) 的 唯一 碳 源 ， 必 須 有 另 外 的 化 合 物 提 供 微 生 物碳 源 或 能 源 ， 該 有 機(jī) 物 才 降 解 ， 這 類 降 解稱 共 代 謝 作 用 。 共 代 謝 作 用 直 接 與 微 生 物 種 群 的 多少 成 正 比 ， Paris等 描 述 了

25、微 生 物 催 化 水解 反 應(yīng) 的 二 級(jí) 速 率 定 律 ： BCKdtdC b2/ l 氧 平 衡 模 型l 湖 泊 富 營(yíng) 養(yǎng) 化 預(yù) 測(cè) 模 型l 有 毒 有 機(jī) 污 染 物 的 歸 趨 模 型 。 水 體 富 營(yíng) 養(yǎng) 化 預(yù) 測(cè) 模 型(Prediction Model of Eutrophic Water Body)水 體 的 富 營(yíng) 養(yǎng) 化 是 一 種 由 磷 、 氮 的化 合 物 過 多 排 放 引 起 的 二 次 污 染 。主 要 表 現(xiàn) 為 水 體 中 藻 類 的 大 量 繁 殖 ，嚴(yán) 重 影 響 了 水 質(zhì) 。 水 中 營(yíng) 養(yǎng) 物 質(zhì) 的 來 源雨 水農(nóng) 業(yè) 排 水城 市 污 水其 他 來 源