第三章水环境化学.ppt
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1、第三章 水环境化学 水环境化学是研究水环境化学是研究化学物质化学物质在天然水体在天然水体中的存在中的存在形态形态、反应机制反应机制、迁移转化迁移转化、归趋归趋的规律与化学行为及其的规律与化学行为及其对生态环境的影响对生态环境的影响。解决哪些问题?1.1.进进入入天天然然水水体体的的化化学学物物质质有有哪哪些些?其其来来源源怎怎样样?2.2.天天然然水水体体由由哪哪些些物物质质组组成成,具具有有哪哪些些基基本本性性质质?3.3.化化学学物物质质进进入入水水体体后后存存在在哪哪些些迁迁移移、转转化化方方式式、最终的存在形态怎样?最终的存在形态怎样?4.4.天天然然水水体体受受到到化化学学物物质质污
2、污染染后后,会会对对生生态态环环境境和和人体健康产生哪些影响?人体健康产生哪些影响?第一节第一节 天然水的基本特征和存在状态天然水的基本特征和存在状态第二节第二节 水中无机物的迁移转化水中无机物的迁移转化第三节第三节 水中有机物的迁移转化水中有机物的迁移转化第四节第四节 水质模型水质模型第三章 水环境化学概概 述述水的概述水的概述 地地球球上上水水的的总总量量约约13.8613.86万万亿亿立立方方米米,但但其其中中97.5%97.5%的的水水是是海海水水咸咸水水,2%2%的的水水被被冰冰川川、冰冰帽帽所所覆覆盖盖,剩剩下下的的部部分分则则储储藏藏在在地地下下深深处处人人们们难难以以取取用用。
3、可可供供人人类类利利用用的的淡淡水水资源仅有资源仅有0.26%0.26%左右。左右。水危机!据联合国公布的据联合国公布的世界水资源开发报告世界水资源开发报告:p全全球球用用水水量量在在2020世世纪纪增增加加了了6 6倍倍,其其增增长长速速度度是是人人口增速的口增速的2 2倍。倍。p40%40%的人缺乏基本卫生设施。的人缺乏基本卫生设施。p每每年年有有310310万万人人因因不不洁洁饮饮用用水水引引发发相相关关疾疾病病而而死死亡亡,其中近其中近90%90%是不满是不满5 5岁的儿童。岁的儿童。世界水日:世界水日:3月月23日日 我国水资源现状:我国水资源现状:p总量丰富,人均较少总量丰富,人均
4、较少 我我国国水水资资源源总总量量约约为为2.82.8万万亿亿立立方方米米,居居世世界界第第6 6位位。但但由由于于人人口口众众多多,人人均均水水资资源源占占有有量量不不足足仅仅为为22002200立立方方米米,约约为为世世界界人人均均占占有有量量的的1/41/4,被被列列为为世界几个人均水资源贫乏的国家之一。世界几个人均水资源贫乏的国家之一。p水资源时空分布不均,南多北少水资源时空分布不均,南多北少 比比如如,黄黄淮淮海海流流域域人人口口占占全全国国的的34.734.7,水水资资源源量量却却只只占占全全国国的的7.67.6,人人均均水水资资源源量量仅仅有有474m474m3 3,属属于于严严
5、重重缺缺水水地地区区;而而首首都都北北京京,人人均均水水资资源源量量不不足足m m3 3,是是世世界界上上最严重缺水的特大城市之一。最严重缺水的特大城市之一。p水体污染和浪费现象严重水体污染和浪费现象严重 目目前前,长长江江区区的的太太湖湖水水系系、西西北北诸诸河河、淮淮河河区区、黄黄河河区区和和海海河河区区有有近近一一半半的的水水源源地地水水质质不不合合格格;松松花花江江区区和和辽辽河河区区不不合合格格水水源源地地占占三三分分之之一一,我我国国有有1.91.9亿亿人人饮饮用用水水有有害害物物质含量超标。质含量超标。20032003年年我我国国万万元元GDPGDP用用水水量量为为465m465
6、m3 3,是是世世界界平平均均水水平平的的4 4倍倍;农农业业灌灌溉溉用用水水有有效效利利用用系系数数为为0.40.40.50.5,是是发发达达国国家家的的1/21/2;水水的的重重复复利利用用率率为为5050,发发达达国国家家已已达达到到了了8585;全国城市供水管网漏损率达全国城市供水管网漏损率达2020左右。左右。p 水危机的出现水危机的出现 根根据据水水利利部部2121世世纪纪中中国国水水供供求求分分析析,20102010年年我我国国工工业业、农农业业、生生活活及及生生态态环环境境总总需需水水量量在在中中等等干干旱旱年年为为69886988亿亿立立方方米米,供供水水总总量量667066
7、70亿亿立立方方米米,缺缺水水318318亿亿立立方方米米。这这表表明明,20102010年年后后我我国国将将开开始始进进入入严严重重的的缺缺水水期期。这这份份报报告告还还称称,20302030年年,我我国国将将缺缺水水400400亿亿立立方米至方米至500500亿立方米,缺水高峰将会出现。亿立方米,缺水高峰将会出现。第一节 天然水的基本特征和存在状态一、天然水的基本特征一、天然水的基本特征在在水水污污染染化化学学中中,水水体体指指河河流流、湖湖泊泊、沼沼泽泽、水水库库、地地下下水、冰川、海洋等贮水体的总称。水、冰川、海洋等贮水体的总称。水水体体的的组组成成不不仅仅包包括括水水,而而且且也也包
8、包括括其其中中的的悬悬浮浮物物质质、胶胶体体物物质质、溶溶解解物物质质、底底泥泥和和水水生生生生物物,所所以以水水体体是是一一个个完完整的生态系统。整的生态系统。图 水环境体系(水体)(1 1)主要离子)主要离子阳离子:阳离子:K K+、NaNa+、CaCa2+2+、MgMg2+2+阴离子:阴离子:HCOHCO3 3-、NONO3 3-、ClCl-、SOSO4 42-2-总含盐量(总含盐量(TDSTDS):):TDS=CaTDS=Ca2+2+MgMg2+2+NaNa+K K+HCOHCO3 3-SOSO4 42-2-ClCl-(2 2)微量元素和营养物质)微量元素和营养物质p金属离子:金属离子
9、:FeFe、CuCu、CdCd、HgHg、AsAs等等p营养元素:氮、磷、硅等营养元素:氮、磷、硅等 其存在形态与水的酸碱性、氧化还原性有关。其存在形态与水的酸碱性、氧化还原性有关。(3 3)可溶性气体)可溶性气体p一一般般情情况况下下,天天然然水水中中存存在在的的气气体体主主要要有有氧氧气气、二二氧氧化化碳碳、硫化氢、甲烷等。硫化氢、甲烷等。p可溶性气体对于水生生物的生存非常重要。可溶性气体对于水生生物的生存非常重要。p可溶性气体溶解度计算:可溶性气体溶解度计算:亨利定律亨利定律 X(g)X(aq)X(g)X(aq)G(aq)G(aq)K KH H p pG GK KH:H:各种气体在一定温
10、度下的亨利定律常数。各种气体在一定温度下的亨利定律常数。p pG G:各种气体的分压。各种气体的分压。溶解于水中气体的量可能高于亨利定律表示的量。溶解于水中气体的量可能高于亨利定律表示的量。p氧在氧在25 25,1.013X101.013X105 5PaPa下溶解度计算:下溶解度计算:由亨利定律由亨利定律 G(aqG(aq)=)=K KH H*p pG G 不同温度下,气体在水中溶解度的计算:不同温度下,气体在水中溶解度的计算:pCOCO2 2在在25 25,1.013X101.013X105 5PaPa下溶解度计算下溶解度计算 (4 4)水体富营养化)水体富营养化(eutrophicatio
11、n)(eutrophication)由于水体中氮磷营养物质的富集,引起由于水体中氮磷营养物质的富集,引起藻类及其他浮游生物的迅速繁殖,使水体藻类及其他浮游生物的迅速繁殖,使水体溶解氧含量下降,造成藻类、浮游生物、溶解氧含量下降,造成藻类、浮游生物、植物、水生物和鱼类衰亡甚至绝迹的污染植物、水生物和鱼类衰亡甚至绝迹的污染现象。现象。(4 4)水生生物)水生生物富营养化:在许多情况下,富营养化:在许多情况下,P是限制的营养物是限制的营养物生化需氧量:表示水中有机物经微生物分解生化需氧量:表示水中有机物经微生物分解时所消耗的溶解氧的数量,以时所消耗的溶解氧的数量,以mg/L作单位。作单位。2.2.天
12、然水的性质天然水的性质(1 1)碳酸平衡)碳酸平衡COCO2 2在水中的形态:在水中的形态:H2CO3*(CO2、H2CO3)、)、HCO3-、CO32-化学反应平衡:化学反应平衡:p分分布布分分数数:0 0 、1 1、2 2分分别别表表示示化化合合物物在在总总量量中中的的比比例例则:则:0=H2CO3*/H2CO3*+HCO3+CO32-1=HCO3-/H2CO3*+HCO+CO32-2=CO32-/H2CO3*+HCO3-+CO32-C CT T=H=H2 2COCO3 3*+HCO*+HCO3 3-+CO+CO3 32-2-试计算封闭体系和开放体系中各碳酸形态的表示式?试计算封闭体系和开
13、放体系中各碳酸形态的表示式?(1 1)封闭体系)封闭体系 总碳酸量不变总碳酸量不变 (2 2)开放体系)开放体系 HH2 2COCO3 3*保持不变保持不变p封闭体系:封闭体系:开放体系:(2 2)天然水的酸度和碱度)天然水的酸度和碱度碱碱度度(alkalinity)(alkalinity):水水中中能能与与强强酸酸发发生生中中和和作作用用的的所有物质。所有物质。组组 成成 水水 中中 碱碱 度度 的的 物物 质质 可可 分分 为为:A.A.强强 碱碱,如如 NaOHNaOH、Ca(OH)Ca(OH)2 2;B.B.弱弱碱碱,如如 NHNH3 3、C C6 6H H5 5NHNH2 2;C.C
14、.强碱弱酸盐,强碱弱酸盐,如如 NaCONaCO3 3、NaNa3 3POPO4 4等。等。测定方法:测定方法:酸碱滴定,双指示剂法酸碱滴定,双指示剂法 H+OH-=H2O H+CO32-=HCO3-(酚酞终点酚酞终点)H+HCO3-=H2CO3 (甲基橙终点甲基橙终点)p总总碱碱度度:即即加加酸酸至至 HCOHCO3 3-、COCO3 32-2-全全部部转转化化为为COCO2 2。此此时时溶溶液液的的pHpH约为约为4.34.3。总碱度总碱度 =HCO=HCO3 3-+2CO+2CO3 32-2-+OH+OH-H H+p酚酚酞酞碱碱度度:OHOH-被被中中和和,COCO3 32-2-全全部部
15、转转化化为为HCOHCO3 3-。此此时时,溶溶液的液的pHpH约为约为8.38.3。酚酞碱度酚酞碱度 =CO=CO3 32-2-+OH+OH-H-H+-H-H2 2COCO3 3*p苛性碱度:苛性碱度:达到达到pHCOpHCO3 32-2-所需酸量时的碱度。所需酸量时的碱度。苛性碱度苛性碱度 =OH=OH-HCO-HCO3 3-2 H-2 H2 2COCO3 3*-H-H+p酸度(酸度(AcidityAcidity):):水中能与强碱发生中和作用的全部物质。水中能与强碱发生中和作用的全部物质。组成水中酸度的物质可分为:组成水中酸度的物质可分为:A.A.强酸,如强酸,如 HClHCl、H H2
16、 2SOSO4 4;B.B.弱酸,如弱酸,如 COCO2 2、H H2 2COCO3 3、各种有机酸等各种有机酸等C.C.强酸弱碱盐,强酸弱碱盐,如如 FeClFeCl、Al2(SO4)3等。等。p总酸度总酸度:用碱滴定酸至用碱滴定酸至pH=10.8pH=10.8可得到总酸度可得到总酸度 总酸度总酸度=H+HCO3-+2H2CO3*-OH-pCO2酸度酸度:以酚酞为指示剂,滴定到以酚酞为指示剂,滴定到pH=8.3pH=8.3 CO2酸度酸度=H+H2CO3*-CO32-OH-p无机酸度无机酸度:以甲基橙为指示剂,滴定到以甲基橙为指示剂,滴定到pH=4.3pH=4.3。无机酸度无机酸度=H+-H
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- 第三 水环境 化学
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