天然水的组成及性质

水环境化学第二章天然水的组成和性质第一节水的分子结构与性质第二节天然水的组成第三节天然水的演化及其特征2.1水的分子结构及其性质2.1.1水的分子结构极性很大分子间有很强的氢键2.1.2水的基本性质2.2天然水的组成与分类天然水仅指处于天然状态下的水，不包括人为因素的作用，不含有水的社会属性和经济属性。1、天然水中的主要离子组成陆地水HCO3-＞SO42-＞Cl-Ca2+＞Na+＞Mg2+海水中Cl-＞SO42-＞HCO3-Na+＞Mg2+＞Ca2+地下水受局部环境地质条件限制，其优势离子变化较大。2.2.1天然水的组成总含盐量（TDS）=[Ca2++Mg2++Na++K+]+[HCO3-+SO42-+Cl-]（1）钙（Ca2+）在现代条件下，方解石的溶解是天然水中Ca2+的主要来源。钙广泛地存在于各种类型的天然水中，不同条件下天然水中钙的含量差别很大，潮湿地区的河水中Ca2+含量一般在20mg/L左右。它主要来源于含钙岩石（如石灰岩）的风化溶解，是构成水中硬度的主要成分。（2）镁（Mg2+）天然水中的镁以Mg(H2O)62+的形式存在，含量一般在1～40mg/L之间。镁是天然水中的一种常见的成分，它主要是含碳酸镁的白云岩以及其它岩石的风化溶解产物(火成岩的风化产物和沉积岩矿物)。镁是动物体内所必需的元素之一，人体每日需镁量约为0.3～0.5g，浓度超过125mg/L时，还能起导泻和利尿作用。总硬度水质0～4度很软水4～8度软水8～16度中等硬水16～30度硬水30度以上很硬水（3）钠（Na+）钠存在于大多数天然水中，主要来自火成岩的风化产物和蒸发岩矿物。天然水中的钠在含量很低时主要以游离态存在，在含盐量较高的水中可能存在多种离子和络合物。不同条件下天然水中钠的含量差别很悬殊，其含量从小于1mg/L到大于500mg/L不等。（4）钾（K+）钾是植物的基本营养元素，它存在于所有的天然水中，主要来自火成岩的风化产物和沉积岩矿物。尽管钾盐在水中有较大的溶解度，但因受土壤岩石的吸附及植物吸收与固定的影响，在天然水中K+的含量远低于Na+，为钠离子的4%～10%左右。大多数饮用水中，它的浓度很少达到20mg/L。在某些溶解性固体总量高的水与温泉中，钾的含量每升可达到几十至几百毫克。（5）氯（Cl-）天然水中的Cl-主要来自火成岩的风化产物和蒸发岩矿物。Cl-是水和废水中一种常见的无机阴离子。几乎所有天然水中都有氯离子存在，它的含量范围变化很大。在河流、湖泊、沼泽地区，氯离子含量一般较低，而在海水、盐湖及某些地下水中，含量可高达数十克/升。（6）碳酸氢根（HCO3-）、碳酸根（CO32-）天然水中的HCO3-来自碳酸盐矿物的溶解。在一般河水与湖水中HCO3-的含量不超过250mg/L，地下水中略高。（7）硫酸根（SO42-）硫酸盐在自然界分布广泛，天然水中的SO42-主要来自火成岩的风化产物、火山（温泉）气体、沉积中的石膏与无水石膏、含硫的动植物残体以及金属硫化物氧化等等。SO42-易与某些金属阳离子生成络合物和离子对；天然水中的SO42-含量除决定于各类硫酸盐的溶解度外，还决定于环境的氧化还原条件，其浓度可从几毫克/升至数千毫克/升。（8）主要离子缔合体由于配位体浓度较低，淡水中络合物的数量很少，海水中则有相当数量的离子束缚于络合物中。海水中的绝大部分阳离子为游离的水合金属离子。淡水中的主要无机络合物浓度：-logM离子HCO3-CO32-SO42-自由离子Na+6.37.66.43.30K+－－6.94.00Ca2+4.95.24.83.17Mg2+5.95.85.13.54H+－－9.68.0自由离子2.704.973.75－体系组成：C总＝2.05×10-7M；[Ca2+]总=7×10-4M；[Mg2+]总=3×10-4M；[Na+]=5×10-4M；[K＋]＝1×10-4M；[SO42-]=2×10-4M；pH=8（25℃）；离子强度=3×10-3M2、水中的金属离子水中金属离子以M(H2O)xn+以及各种络合态化合物存在。以金属Fe为例，在中性水体中各形态存在如下平衡:432109.8]/[]][)([FeHOHFe2372[()][]/[]4.910FeOHHFe32324221023.1]/[]][)([FeHOHFe如果考虑到存在固体Fe(OH)3(S)，则当pH=7时,[Fe3+]=9.1×103×(1.0×10-7)3=9.1×10-18mol/LOHFeHsOHFe23333)()(333101.9]/[][HFe将这一数据代入上面的方程中，即可得到其它各形态的浓度：[Fe(OH)2+]=8.1×10－14mol/L[Fe(OH)2+]=4.5×10－10mol/L[Fe2(OH)24+]=1.02×10－23mol/L3、天然水中的微量元素它们的含量很小，常低于1ug/L。这类元素包括重金属(Zn、Cu、Pb、Ni、Cr等)，稀有金属（Li、Rb、Cs、Be等），卤素（Br、I、F）及放射性元素。尽管微量元素含量很低．但是对水中动植物体的生命活动却有很大影响。溶解氧：溶解于水中的氧称为溶解氧（DO），主要以分子状态存在于水中。水中的溶解氧主要来自空气中的氧和水生植物的光合作用产生的氧。水中的溶解氧主要消耗于生物的呼吸作用和有机物的氧化过程，消耗的氧从水生（生物）植物的光合作用和大气中补给。如果有机物含量较多，其耗氧速度超过补给速度，则水中溶解氧量将不断减少。当水体受到有机物严重污染时，则水中溶解氧甚至可能接近零。4、溶解在水中的气体O2、CO2、H2S、N2和CH4等CO2:来源于有机物的氧化分解、水生动植物的新陈代谢作用及空气中二氧化碳溶解。消耗于碳酸盐类水解和水生植物的光合作用。由于CO2的含量较低，且其是酸性气体，测定和计算水体中CO2的溶解度要比测定和计算氧气等其他气体的溶解度复杂得多。水体中游离的CO2浓度对水体中动植物、微生物的呼吸作用和水体中气体的交换产生较大的影响，严重的情况下有可能引起水生动植物和某些微生物的死亡。一般要求水中CO2的浓度应不超过25mg／L。非腐殖质：碳水化合物、脂肪酸、蛋白质、氨基酸、色素、纤维及其它低分子量有机物简单无机物腐殖质：植物残体经微生物分解时，不易分解的部分如油类、腊、树脂及木质素等残余物与微生物的分泌物相结合，形成褐色或墨色无定形胶态复合物富里酸(humicacid)溶于酸碱腐植酸(fulvicacid)溶于碱、不溶于酸胡敏酸(humin)不溶于酸碱（腐黑物）生物降解5、有机物结构：含大量苯环，还含大量羧基、醇基和酚基，随亲水性基团含量的不同，腐殖质的水溶性不同，并且具有高分子电解质的特性，表现为酸性。因而腐殖质具有弱酸性、离子交换性、配位化合及氧化还原等化学活性。它能与水体中的金属离子形成稳定的水溶性或不溶性化合物，还能与有机物相互作用。腐殖质对水体中重金属等污染物的迁移转化具有较大的影响。6、水生生物水生生物直接影响水中许多物质的存在，具有代谢、摄取、转化、存储和释放等的作用。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。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。（1）细菌细菌是关系到天然水体环境化学性质的最重要生物体。结构简单、形体微小，在环境条件下繁殖快分布广。多数是还原者。比表面甚大，从水体摄取化学物质的能力极强，细胞内含有各种酶催化剂，由此引起生物化学反应速度也非常快。按外型可将细菌分为球菌、杆菌和螺旋菌等类。它们可能是单细胞或多至几百万个细胞的群合体。单细胞细菌形体的示意图细胞体表面荚膜层由多糖或多肽类化合物组成，具有保护自身免受其他微生物进攻的作用。在荚膜层上还联结着很多基团（羧基、氨基、羟基等），在水体pH发生变化时，可能通过这些基团的电离或质子化作用等使细胞体表面带电：低pH条件下+H3N(+Cell)CO2H（带正电），中pH条件下+H3N(Cell)COO-（不带电），高pH条件下H2N(-Cell)COO-（带负电）营养方式，可将细菌分为自养菌和异养菌两类。按照有机营养物质在氧化过程（即呼吸作用）中所利用的受氢体种类，还可将细菌分为：①好氧细菌②厌氧细菌③兼氧细菌(2)藻类藻类是在缓慢流动水体中最常见的浮游类植物。按生态观点看，藻类是水体中的生产者，它们能在阳光辐照条件下，以水、二氧化碳和溶解性氮、磷等营养物为原料，不断生产出有机物，并放出氧。合成有机物一部分供其呼吸消耗之用，另一部分供合成藻类自身细胞物质之需。在无光条件下，藻类消耗自身体内有机物以营生，同时也消耗着水中的溶解氧，因此在暗处有大量藻类繁殖的水体是缺氧的。按藻类结构，它们可能是以单细胞、多细胞或菌落形态生存。一般河流中可见到的有绿藻、硅藻、甲藻、金藻、蓝藻、裸藻、黄藻等大类。（a）绿藻（衣藻属）（b）硅藻（舟形属）（c）蓝－绿藻（念珠藻属）藻类等浮游植物体内所含碳、氮、磷等主要营养元素间一般存在着一个比较确定的比例。按质量计C∶N∶P=41∶7.2∶1，按原子数计C∶N∶P=106∶16∶1。大致的化学结构式为(CH2O)106(NH3)16H3PO4。106CO2+16NO3+HPO42-+122H2O+18H++(痕量元素)(respiration)RP(photosynthesis)C106H263O110N16P+138O2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，可用一简单的化学计量关系来表征：利用太阳能从无机矿物合成有机物的生物体称为生产者，水体产生生物体的能力称为生产率，生产率是由化学及物理的因相结合而决定的。在高生产率的水体中藻类生产旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低，这就是水体的富营养化。2.2.2天然水体中化学物质的存在形态化学物质在环境中有一定的赋存形态。广而言之，“形态”一词含义包括物理结合状态、化学态（有机的或无机的）、价态、化合态和化学异构态等多方面。具有一定形态的化学污染物在环境中有其发生和演变的过程。认为污染物具有确定的分子结构和环境特性，只是相对的，而其变化则是绝对的。2.2.3天然水的分类1天然水按离子总量（矿化度）的分类苏联学者O.A.阿列金于1970年提出如下的分类方案：淡水离子总量＜1g/kg微咸水1～25g/kg具海水盐度的咸水25～50g/kg盐水（卤水）＞50g/kg美国（1970）所采用的按离子总量分类的数值界限稍有区别：淡水离子总量＜1g/kg微咸水1～10g/kg咸水10～100g/kg盐水＞100g/kg2天然水按优势离子的分类首先按优势阴离子将天然水划分为三类：重碳酸盐类、硫酸盐类和氯化物盐类。然后在每一类中再按优势阳离子划分为钙质、镁质和钠质三个组。每一组内再按离子间的毫克当量比例关系划分为四个水型：Ⅰ型[HCO3-]＞[Ca2+]+[Mg2+]Ⅱ型[HCO3-]＜[Ca2+]+[Mg2+]＜[HCO3-]+[SO42-]Ⅲ型[HCO3-]+[SO42-]＜[Ca2+]+[Mg2+]或[Cl-]＞[Na+]Ⅳ型[HCO3-]=0Ⅰ型水是弱矿化水，主要形成于含大量Na+与K+的火成岩地区，水中含有相当数量的NaHCO3成分，在某些情况下也可能由Ca2+交换土壤和沉积物中的Na+而形成。II型水为混合起源水，其形成既与水和火成岩的作用有关，又与水和沉积岩的作用有关。大多数低矿化和中矿化的河水、湖水和地下水属于这一类型。III型水也是混合起源的水，但具有很高的矿化度。在此条件下由于离子交换作用使水的成分激剧地变化，通常是水中的Na+交换出土壤和沉积物中的Ca2+和Mg2+。大洋水、海水、海湾水、残留水和许多具高矿化度的地下水属此类型。Ⅳ型水是酸性水，其特点是缺少HCO3-。这是酸型沼泽水、硫化矿床水和火山