水环境化学全

1环境化学EnvironmentalChemistry2第三章水环境化学AquaticEnvironmentalChemistry1.天然水的基本特征及污染物的存在形态2.水中无机污染物的迁移转化3.水中有机污染物的迁移转化4.水质模型31.1天然水的基本特征1.2水中污染物的分布和存在形态1.天然水的基本特征及污染物的存在形态4水体：在水环境化学中，水体指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等贮水体的总称。水体的组成不仅包括水，而且也包括其中的悬浮物质、胶体物质、溶解物质、底泥和水生生物，所以水体是个完整的生态系统，或是被水覆盖地段的自然综合体。1.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5天然水系的类别1.1天然水的基本特征1.天然水的基本特征及污染物的存在形态1.1.1天然水的组成1.天然水体中的悬浮物总残渣包括过滤性残渣(又称总溶解性固体物TDS)和非过滤性残渣(又称悬浮物或悬浮固体物SS)。总残渣又可分为挥发性残渣和固定残渣两部分.2.天然水体中颗粒物质的来源（1）陆生的岩石碎屑：包括石英(SiO2)、刚玉(Al2O3)或赤铁矿(Fe2O3)等颗粒物.（2）粘土矿物（3）碳酸盐和硅石（4）颗粒状有机物（5）天然和人造的化学物质1.1天然水的基本特征含有可溶性物质和悬浮物质（悬浮物、颗粒物、水生生物等）1.1天然水的基本特征1.1.1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%。3.天然水的主要离子组成：含有可溶性物质和悬浮物质（悬浮物、颗粒物、水生生物等）硬度酸碱金属阳离子Ca2+Mg2+H+Na+K+HCO3-CO32-OH-SO42-Cl-NO3-阴离子碱度酸根水中主要离子组成图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：2+2+++-2--34TDS=Ca+Mg+Na+K+HCO+SO+CI81.1天然水的基本特征1.1.1天然水的组成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)n+。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+,……4.水中的金属离子：95.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)]=KH×pG亨利定律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/L·Pa);1.1.1天然水的组成X(g)X(aq)10氧在干燥空气中的含量为20.95%，大部分元素氧来自大气。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。水在25℃时的蒸汽压为0.03167×105Pa。氧在1.013×105Pa，25℃饱和水中的溶解度：氧在水中的溶解度。，因此其溶解度为氧的分子量为mg/L32.832)mol/L(4106.25102056.081026.1OH)]aq(2O[)Pa(5102056.0%95.20)51003167.0100130.1(O252pKp1.1.1天然水的组成11KJ/mol314.8,J/mol,,)11(303.2lg21212112气体常数溶解热，；时气体在水中的溶解度为绝对温度为RHTTCCTTRHCC不同温度下，气体在水中溶解度的计算：1.1.1天然水的组成氧在水中的溶解度CO2在干燥空气中的含量为0.0314%，水在25℃时的蒸汽压为0.03167×105Pa，CO2的亨利定律常数为3.34×10-7mol/L.Pa。则CO2在水中的浓度为：CO2的溶解度5225CO852HCO(1.0130100.0316710)0.0314%30.8(Pa)[CO(aq)]3.341030.81.02810(mol/L)pKp]3CO2[H]3][HCOH[1-23COH3HCO-3HCOH3CO2HK]H[]3CO2H[12]23CO[][H]3CO2H[1]3HCO[]-3[HCO]23][COH[2KKKK1.1.1天然水的组成136.水生生物生态系统、食物链中的一个重要环节；生产者、消费者、分解者；自养生物、异养生物；生产率、富营养化、C、N、P1.1.1天然水的组成水体产生生物体的能力赤潮(Algalbloom或Redtide)是海水中某些微小浮游植物、原生动物或细菌在一定的环境条件下突发性的增殖，引起一定范围一段时间的海水变色现象。起始阶段：存在诱发赤潮的物质条件，表面现象不明显；发展阶段：赤潮生物迅速繁殖，水体颜色开始转变，稍微不同于周围水体；维持阶段：赤潮现象出现后至临近消失时所持续的时间，颜色较深；消亡阶段：赤潮现象消失的过程,水体表面出现较多泡沫。赤潮的长消大致可分为四个阶段：1.1.1天然水的组成6.水生生物15海水颜色异常。主要为红色、褐色，而且颜色分布不均，或呈块状，或呈条带状，或呈不规则形状。pH值升高，透明度降低。海水中溶解氧白天明显增高，夜间明显降低。一种或少数几种赤潮生物处于优势地位，数量急剧升高。怎样判断赤潮？6.水生生物16海域中存在赤潮生物种源。海洋中有330多种浮游生物能形成赤潮，有毒的种类大约有80多种，目前在中国沿海海域的赤潮生物约有150种。为什么会发生赤潮？海域水体的富营养化。含有有机质和丰富营养盐的工农业废水和生活污水排入海洋。尤其是水体交换能力差的河口海湾地区，污染物不容易被稀释扩散。海水养殖密度高的区域也往往存在水体的富营养化。6.水生生物合适的海流作用和天气形势。一般在海潮流缓慢、水体交换弱、天气形势稳定、风力较小、湿度大、气压低、闷热、阳光充足时，易发生赤潮。海流、风有时能使赤潮生物聚集在一起，沿岸的上升流可以将含有大量营养盐物质的下层水带到表层，也可以将赤潮生物的种子带入水表层，为赤潮的发生提供必要的物质条件。如果风力适当，风向适宜的话，就会促进赤潮生物的聚集，从而使赤潮的产生更加容易。适宜的水温和盐度。一般在表层水温的突然增加和盐度降低时，会促进赤潮的发生。6.水生生物181.碳酸平衡在水体中存在着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1.1.2天然水的性质1912211232213213232023221-233213-3-23232312-23-3133203222)]H[]H[1(]H[]COH[]H[]COH[]COH[]COH[]H[]COH[][CO]H[]COH[]HCO[]HCO[]H][[CO]COH[]H][HCO[)33.10p(HCOHCO)35.6p(HHCOCOH)46.1p(COHOHCOKKKKKKKKKKKKKKCT=[H2CO3]+[HCO3-]+[CO32-]1.1.2天然水的性质12222121)]H[]H[1()]H[]H[1(11KKKKK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-CO32-10080604020024681012pH图6-1碳酸化合态分布图α1.1.2天然水的性质21对于开放体系，应考虑大气交换过程：222222COH221COH021T-23COH1COH011T-3COH002TCOH2]H[]CO[]H[]HCO[1/)]aq(CO[)]aq(CO[pKKKpKCpKKpKCpKCpK1.1.2天然水的性质221.1.2天然水的性质23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H+的物质总量。组成水中碱度的物质可以归纳为三类：①强碱：在溶液中全部电离生成OH-离子；②弱碱：在水中发生反应生成OH-离子；③强碱弱酸盐：如各种碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物和腐殖酸盐等，水解生成OH-或者直接接受质子H+。2.天然水中酸度和碱度1.1.2天然水的性质24总碱度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]–[H+]2.天然水中酸度和碱度1.1.2天然水的性质总碱度：是指水中各种碱度成分的总和，即加酸至水中HCO3-和CO32-全部转化为CO2。总碱度的测定方法：用强酸标准溶液来滴定，以甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变成橙红色（pH=4.3），停止滴定，此时所得的结果称为总碱度（甲基橙碱度）。+-2+2--33+-323H+OHHOH+COHCOH+HCOHCO25酚酞碱度=[CO32-]+[OH-]–[H2CO3*]-[H+]2.天然水中酸度和碱度1.1.2天然水的性质酚酞碱度的测定方法：用强酸标准溶液来滴定，以酚酞为指示剂，当溶液pH=8.3，停止滴定，表示OH-被中和，CO32-全部转化为HCO3-，作为碳酸盐只中和了一半，得到酚酞碱度表示式：苛性碱度：苛性碱度=[OH-]–[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]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。总酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]–[OH-]1.1.2天然水的性质2.天然水中酸度和碱度无机酸度的测定方法：用强碱标准溶液来滴定，以甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变成橙红色（pH=4.3）。游离CO2酸度：用强碱标准溶液来滴定，以酚酞为指示剂，当pH=8.3。总酸度：pH=10.8CO2酸度=[H+]+[H2CO3*]–[CO32-]-[OH-]1.1.2天然水的性质2.天然水中酸度和碱度无机酸度的测定方法：用强碱标准溶液来滴定，以甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变成橙红色（pH=4.3）。游离CO2酸度：用强碱标准溶液来滴定，以酚酞为指示剂，当pH=8.3。总酸度：pH=10.8无机酸度=[H+]-[HCO3-]–2[CO32-]-[OH-]1.1.2天然水的性质2.天然水中酸度和碱度如果应用总碳酸量（CT）和相应分布系数(α)来表示：+12++20++10+2-HH-HH2-HHwTwTwTKcKcKc总碱度酚酞碱度苛性碱度1.1.2天然水的性质2.天然水中酸度和碱度如果应用总碳酸量（CT）和相应分布系数(α)来表示：+10++02++12+2HHHH2HHwTwTwTKcKcKc2总酸度CO酸度无机酸度30某水体的pH=8.00,碱度为1.00×10-3mol/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]=1.00×10-3mol/L；根据pH值，[H+]=1.00×10-8mol/L;[OH-]=1.00×10-6mol/L1.1.2天然水的性质2.天然水中酸度和碱度mol/L1025.21045.41000.11000.1]CO[H]HCO[]H[]CO[H]CO[H]HCO[]H[HCOHCOH57383213323231332KKmol/L1069.41000.11000.11069.4]CO[]H[]HCO[]CO[]HCO[]CO][H[COHHCO6831123