第三章水中无机污染物的迁移转化

1第三章水中无机污染物的迁移转化无机污染物主要通过沉淀-溶解、氧化-还原、配合作用、胶体形成、吸附-解吸等一系列物理化学作用进行迁移转化，参与和干扰各种环境化学过程和物质循环过程，最终以一种或多种形态长期存留在环境中，造成永久性的潜在危害。2(一)颗粒物与水之间的迁移水中颗粒物矿物微粒和粘土矿物天然水中常见矿物微粒为石英、长石、云母及粘土矿物等硅酸盐矿物。粘土矿物是由其他矿物经化学风化作用而生成，主要为铝或镁的硅酸盐。金属水合氧化物腐殖质腐殖质是一种带负电的高分子弱电解质。3富里酸的结构式4(一)颗粒物与水之间的迁移水体悬浮沉积物悬浮沉积物是以矿物微粒，特别是粘土矿物为核心骨架，有机物和金属水合氧化物结合在矿物微粒表面上，成为各微粒间的粘附架桥物质，把若干微粒组合成絮状聚集体（聚集体在水体中的悬浮颗粒粒度一般在数十微米以下），经絮凝成为较粗颗粒而沉积到水体底部。其他5(一)颗粒物与水之间的迁移水环境中颗粒物的吸附作用表面吸附、离子交换吸附和专属吸附由于胶体具有巨大的比表面和表面能，因此固液界面存在表面吸附作用，胶体表面积愈大，所产生的表面吸附能也愈大，胶体的吸附作用也就愈强，属于一种物理吸附。由于环境中大部分胶体带负电荷，容易吸附各种阳离子，在吸附过程中，胶体每吸附一部分阳离子，同时也放出等量的其他阳离子，因此把这种吸附称为离子交换吸附，属于物理化学吸附。6(一)颗粒物与水之间的迁移专属吸附是指吸附过程中，除了化学键的作用外，尚有加强的憎水键和范德华力或氢键在起作用。专属吸附作用不但可使表面电荷改变符号，而且可使离子化合物吸附在同号电荷的表面上。7(一)颗粒物与水之间的迁移吸附等温线和等温式水体中颗粒物对溶质的吸附是一个动态平衡过程。在固定的温度条件下，当吸附达到平衡时，颗粒物表面上的吸附量(G)与溶液中溶质平衡浓度(c)之间的关系，可用吸附等温线来表达。水体中常见的吸附等温线有三类，即Henry型、Freundlich型、Langmuir型。Henry型等温线直线型，等温式：G=kcFreundlich型等温式：G=kc1/nLangmuir型等温式：G=G0c/（A+c）8(一)颗粒物与水之间的迁移沉积物中重金属的释放诱发释放因素盐浓度升高氧化还原条件的变化降低pH值增加水中配合剂的含量9(二)水中颗粒物的聚集胶体颗粒的聚集亦可称为凝聚或絮凝。把由电介质促成的聚集称为凝聚，而由聚合物促成的聚集称为絮凝。颗粒聚集方式（1）压缩双电层凝聚（2）专属吸附凝聚（3）胶体相互凝聚（4）“边对面”絮凝（5）第二极小值絮凝10(二)水中颗粒物的聚集（6）聚合物粘结架桥絮凝（7）无机高分子的絮凝（8）絮团卷扫絮凝（9）颗粒层吸附絮凝（10）生物絮凝11(三)水环境中的溶解和沉淀作用一般金属化合物在水中迁移能力可以用溶解度来衡量。天然水中各种矿物质的溶解度和沉淀作用遵守溶度积原则。平衡计算所得结果与实际观测值相差原因：然环境中非均相沉淀溶解过程的影响。特点:(1)某些非均相平衡进行得缓慢，在动态环境下不易达到平衡；(2)根据热力学对于一组给定条件所预测的稳定固相可能不一定就是所形成的相。(3)可能存在过饱和现象，即出现物质的溶解量大于溶解度极限值的情况；(4)固体溶解所产生的离子可能在溶液中进一步进行反应；(5)引自不同文献的平衡常数有差异等。12(三)水环境中的溶解和沉淀作用沉淀发生通常可分为三个阶段（1）成核；（2）晶体聚集（3）晶体生长。溶解是沉淀的逆过程，其溶解速率与固体物质的性质、接触界面、溶剂性质和温度等条件有关。13(四)天然水中的氧化-还原平衡水体中氧化还原类型、速率和平衡，决定了水中重要溶质物类的性质。关于天然水及污水中的氧化-还原反应，需要特别强调:许多重要的氧化-还原反应均为微生物催化反应。例如，HCO3—在水中与H+反应生成气体CO2，HCO3—也可通过一系列复杂的细菌催化反应获得电子，生成甲烷气体。通常，在氧化-还原反应中，电子的迁移也常伴随着有质子的迁移，这就使氧化-还原和酸-碱平衡之间具有相当紧密的关系。14(四)天然水中的氧化-还原平衡天然水体的pE--pH图在氧化还原体系中，有H+或OH—参与转移。pE除了与氧化态和还原态浓度有关外，还受到体系pH的影响，这种关系可以用pE-pH图来表示。pE-pH图可显示水中各形态的稳定范围及边界线。15(四)天然水中的氧化-还原平衡16(四)天然水中的氧化-还原平衡天然水的pE天然水中含有许多无机及有机氧化剂和还原剂。水中主要的氧化剂有溶解氧、Fe3+、Mn4+和S6+，其作用后本身依次转变为H2O、Fe2+、Mn2+和S2—。水中主要还原剂有种类繁多的有机化合物、Fe2+、Mn2+和S2—，在还原物质的过程中，有机物本身的氧化产物是非常复杂的。由于天然水是一个复杂的氧化还原混合体系，其pE应是介于其中各个单体系的电位之间，而且接近于含量较高的单体系的电位。17(四)天然水中的氧化-还原平衡18(四)天然水中的氧化-还原平衡天然水中污染物的氧化还原转化（1）重金属元素的氧化还原转化（2）无机氮化物的氧化还原转化（3）无机硫的氧化还原转化硫是地球上含量较丰富的元素，存在于岩石矿层中，水体中溶解态硫主要以SO42—和少量H2S存在。生物体中硫是蛋白质的基本元素之一，硫主要以R一SH基团存在。19(四)天然水中的氧化-还原平衡（4）无机砷的氧化还原转化天然水中，砷可能存在的形态是H3AsO3、H2AsO3—、H3AsO4、H2AsO4—、HAsO42—，最主要的是以H2AsO4—和HAsO42—五价形态存在。在pH4的酸性水中，则可能存在H3AsO4和AsO+，而在pHl2.5的碱性水中，还可能存在AsO43—，甚至HAsO32—及AsO33—的形态。（5）水中有机物的氧化水中有机物可以通过微生物的作用，而逐步降解转化为无机物。20(五)环境中的配合作用天然水体的配合作用天然水体中有许多阳离子和阴离子，其中某些阳离子是良好的配合物中心体，某些阴离子则可作为配位体。天然水体中重要的无机配位体有OH—、Cl—、CO32—、F—、S2—。有机配位体情况比较复杂，天然水体中包括动植物组织的天然降解产物，如氨基酸、腐殖酸，以及生活废水中的洗涤剂、清洁剂、NTA、EDTA、农药和大分子环状化合物。腐殖酸是主要成分，有机物相当一部分具有配合能力。21(五)环境中的配合作用羟基配合作用22(五)环境中的配合作用腐殖质的配合作用腐殖质是有机高分子物质，分子量在300到30000以上。根据其在碱和酸溶液中的溶解度把其划分为三类：（1）腐殖酸可溶于稀碱液但不溶于酸的部分，分子量由数千到数万。（2）富里酸可溶于酸又可溶于碱的部分，分子量由数百到数千。（3）腐黑物不能被酸和碱提取的部分。23(五)环境中的配合作用在腐殖酸和腐黑物中，碳含量为50%~60%，氧含量为30%~35%，氢含量为4%~6%，氮含量为2%~4%，而富里酸中碳和氮含量较少，分别为44%~50%和1%~3%，氧含量较多，为44%~50%.不同地区和不同来源的腐殖质其分子量组成和元素组成都有区别。腐殖质在结构上的显著特点是除含有大量苯环外，还含有大量羧基、醇基和酚基。富里酸单位重量含有的含氧官能团数量较多，因而亲水性也较强。24富里酸的结构式25(五)环境中的配合作用金属离子能在腐殖质中的羧基及羟基间螯合成键或者在两个羧基间螯合26(五)环境中的配合作用与一个羧基形成配合物腐殖酸对水休中重金属的配合作用还将影响重金属对水生生物的毒性。腐殖酸与阴离子的作用。腐殖酸对有机污染物的作用。