环境化学水环境化学水的特征和污染物存在形态省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第三章 水环境化学(Water Environmental Chemistry)第1页本章重点本章重点1、无机污染物在水体中进行沉淀、无机污染物在水体中进行沉淀-溶解、氧化溶解、氧化-还原、还原、配合作用、吸附配合作用、吸附-解吸、絮凝解吸、絮凝-沉淀基本原理沉淀基本原理;2、计算水体中金属存在形态、计算水体中金属存在形态;3、pE计算计算;4、有机污染物在水体中迁移转化过程和分配系数、有机污染物在水体中迁移转化过程和分配系数、挥发速率、水解速率、光解速率和生物降解速率计挥发速率、水解速率、光解速率和生物降解速率计算方法。算方法。第2页思索题思索题:1.什么是优先污染物?什么是优先污染物?2.
2、天然水中常见八大离子是什么?天然水中常见八大离子是什么?3.水中有机污染物主要包含哪些类化合物?水中有机污染物主要包含哪些类化合物?4.水中无机污染物主要有哪些?水中无机污染物主要有哪些?5.什么是自养生物、异养生物?什么是自养生物、异养生物?第3页世界水日、中国水周世界水日、中国水周 关注水质、关注水质、抓住机遇、抓住机遇、应对挑战应对挑战 严格水资源管理,保障可连续发展严格水资源管理,保障可连续发展第4页水环境化学水环境化学是研究是研究化学物质化学物质在在天然水体天然水体中存在形态、中存在形态、反应机制、迁移转化、归趋规律与化学行为及其对反应机制、迁移转化、归趋规律与化学行为及其对生态影响
3、。生态影响。1)水与生命:)水与生命:人体成份中人体成份中70%是水,胎儿体内水量更高,可达是水,胎儿体内水量更高,可达95%。每人天天生理需水量为。每人天天生理需水量为2-3升,体内水损失升,体内水损失2%就感口渴,就感口渴,失水失水15%就会死亡。水是组成生命主要物质之一。就会死亡。水是组成生命主要物质之一。2)水循环:)水循环:自然界水起源有五部分起源:海洋、江河、湖泊、大自然界水起源有五部分起源:海洋、江河、湖泊、大气中水蒸汽、南极冰山和雪以及地下水。它们经过蒸发、凝结、气中水蒸汽、南极冰山和雪以及地下水。它们经过蒸发、凝结、降雨、渗透、径流等路径不停地进行循环。降雨、渗透、径流等路径
4、不停地进行循环。第5页第6页 我国地表水径流总量约为我国地表水径流总量约为2.61012立方米,相当于全球陆立方米,相当于全球陆地径流总量地径流总量5.5,占全世界,占全世界第第5位位,但我国人均占有地表水,但我国人均占有地表水资源居世界资源居世界第第88位位。3)水资源性和有限性)水资源性和有限性海水冰川和冰山地下水淡水湖盐湖和内海土壤水河流水大气水97.22.150.620.0090.0080.0050.0010.001地球上水圈有地球上水圈有1.4109立方千米。全球立方千米。全球淡水资源约占水圈淡水资源约占水圈1.2,约有约有1.71016立方米,而其中立方米,而其中80是不能利用深层
5、地下是不能利用深层地下水。水。可见,水是有限,而且含有地域可见,水是有限,而且含有地域极大不平衡性。极大不平衡性。第7页第8页第一节 天然水基本特征及污染物存在形态n一、天然水基本特征一、天然水基本特征 1 1、天然水组成、天然水组成 2 2、天然水性质、天然水性质n二、水中污染物分布和存在形态二、水中污染物分布和存在形态 1 1、有机污染物、有机污染物 2 2、金属污染物、金属污染物n三、水体污染对人体健康危害三、水体污染对人体健康危害第9页第一节 天然水基本特征及污染物存在形态1.11.1天然水基本特征天然水基本特征1.1.1天然水组成天然水组成(Constitution of Natur
6、al Waters)(1)天然水中主要离子组成:)天然水中主要离子组成:K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、NO3-、Cl-和和SO42-为为天然水中常见天然水中常见八大离子八大离子,占天然水中离子总量占天然水中离子总量9599。水中这些主要离子分类,惯用来作为表征水体主要化学特水中这些主要离子分类,惯用来作为表征水体主要化学特征性指标,如表征性指标,如表3-1所表示。所表示。第10页表表3-1水中主要离子组成水中主要离子组成第11页天然水中常见主要离子总量能够粗略地作为水天然水中常见主要离子总量能够粗略地作为水总含盐量总含盐量(TDS):TDS=Ca2+Mg2+Na+K+HCO3-
7、+SO42-+Cl-某矿泉水指标:某矿泉水指标:KNaCaMgHCO3-SO42-Cl-pH矿化度矿化度0.227.9578.2514.98262.3525.0125.47.54.3第12页用用Mn+表示,以表示,以M(H2O)xn+存在存在。酸。酸-碱、沉淀、络合及碱、沉淀、络合及氧化氧化-还原等反应是它们在水中到达最稳定状态过程。还原等反应是它们在水中到达最稳定状态过程。比如,铁能够比如,铁能够Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+和和Fe3+等等形态存在。在中性水体中浓度能够经过平衡常数计算,形态存在。在中性水体中浓度能够经过平衡常数计算,结果表明,水合铁离子浓度能够忽
8、略不计。结果表明,水合铁离子浓度能够忽略不计。(2)水中金属离子水中金属离子第13页大气中气体分子与溶液中同种气体分子间平衡为:大气中气体分子与溶液中同种气体分子间平衡为:X(g)X(aq)享利定律:享利定律:X(aq)=KHpG 式中:式中:KH:各种气体在一定温度下亨利定律常数,见表:各种气体在一定温度下亨利定律常数,见表3-1pG:各种气体分压。:各种气体分压。H2CO3=H+HCO3-HCO3-=H+CO32-(3)气体在水中溶解性:)气体在水中溶解性:查表查表pG=(p标标-p水蒸汽水蒸汽)V%第14页氧在水中溶解度:氧在水中溶解度:氧在干燥空气中含量为氧在干燥空气中含量为20.95
9、,大部分元素氧来自大气,所以,大部分元素氧来自大气,所以水体与大气接触再复氧能力是水体一个主要特征。水体与大气接触再复氧能力是水体一个主要特征。氧在水中溶氧在水中溶解度与水温度、氧在水中分压及水中含盐量相关。解度与水温度、氧在水中分压及水中含盐量相关。氧在氧在1atm,25饱和水中溶解度:饱和水中溶解度:首先从表首先从表3-3(见教材)可查出水在(见教材)可查出水在25时蒸气压为时蒸气压为0.03167l05Pa,因为干空气中氧含量为,因为干空气中氧含量为20.95%,所以氧分压为:,所以氧分压为:pO2(1.0130-0.03167)l050.20950.2056l05Pa第15页代入亨利定
10、律即可求出氧在水中摩尔浓度为:代入亨利定律即可求出氧在水中摩尔浓度为:O2(aq)KHpO21.26l0-80.2056l052.6l0-4mol/L氧摩尔质量为氧摩尔质量为32g/mol,所以其,所以其溶解度为溶解度为8.32mgL。气体溶解度随温度升高而降低,气体溶解度随温度升高而降低,这种影响可由这种影响可由Clausius-Clapeyron方程式显示出:方程式显示出:第16页CO2溶解度:溶解度:CO2含量为含量为0.0314,25时水蒸气压力时水蒸气压力0.03167l05Pa,CO2亨利亨利定律常数是定律常数是3.3410-7mol/(LPa):CO2KHpCO21.02810-
11、5mol/LCO2在水中离解部分可产生等浓度在水中离解部分可产生等浓度H+和和HCO3-。H+和和HCO3-浓度浓度可从可从CO2酸离解常数酸离解常数K1计算出(计算出(参考分析化学酸碱平衡参考分析化学酸碱平衡):):H+=HCO3-H+2/CO2=K1=4.4510-7H+=2.1410-6mol/LpH5.67故故CO2在水中溶解度应为在水中溶解度应为CO2+HCO3-=1.24l0-5mol/L。第17页(4)水生生物)水生生物水生生物体可分为水生生物体可分为自养生物自养生物和和异养生物异养生物。自养生物:自养生物:利用利用太阳能或化学能量太阳能或化学能量,把简单、,把简单、无生命无生命
12、无机物元素无机物元素引进至复杂生命分子中即引进至复杂生命分子中即组成组成生命体,生命体,比如藻类。比如藻类。第18页 藻类生成和分解是水体中进行藻类生成和分解是水体中进行光合作用光合作用(P)和呼吸作用和呼吸作用(R)经典过程经典过程106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H(+痕量元素和能量)PRC106H263O110N16P+138O2生产生产1kg藻类需要消耗碳藻类需要消耗碳358g、氧、氧496g、氮、氮63g、磷、磷9g,磷磷是最小限制原因。是最小限制原因。1磷可刺激磷可刺激100藻生长藻生长,赤潮海域无机磷赤潮海域无机磷超标超标1525倍。倍。第19页水体产生
13、生物体能力称为生产率。水体产生生物体能力称为生产率。在高生产率水中藻在高生产率水中藻类生产旺盛,死藻分解引发水中溶解氧水平降低,这类生产旺盛,死藻分解引发水中溶解氧水平降低,这种情况常被称为种情况常被称为富营养化富营养化。(。(赤潮赤潮、水化水化)第20页异异养养生生物物:利利用用自自养养生生物物产产生生有有机机物物作作为为能能源源及及合合成成它它本本身身生命原始物质生命原始物质。决决定定水水体体中中生生物物范范围围及及种种类类关关键键物物质质是是氧氧,在在测测定定河河流流及及湖湖泊生物特征时,首先要测定水中泊生物特征时,首先要测定水中溶解氧溶解氧浓度。浓度。BOD是是指指在在一一定定体体积积
14、水水中中有有机机物物生生物物降降解解所所要要耗耗用用氧氧量量。BOD高水体,不可能很快补充氧气,显然对水生生物是不利。高水体,不可能很快补充氧气,显然对水生生物是不利。第21页(1)CO2碳酸平衡:碳酸平衡:在水体中存在着在水体中存在着CO2、H2CO3、HCO3-和和CO32-等四种化合态,等四种化合态,常把常把CO2和和H2CO3合并为合并为H2CO3*。水中。水中H2CO3*-HCO3-CO32-体系可用下面反应和平衡常数表示:体系可用下面反应和平衡常数表示:CO2H2OH2CO3*pK0=1.46H2CO3*HCO3+H+pK1=6.35HCO3CO32-+H+pK2=10.33 1.
15、1.2天然水性质天然水性质(碳酸平衡、酸碱度碳酸平衡、酸碱度)第22页第23页(2)天然水天然水中碱度和酸度中碱度和酸度:碱度(碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸发生中和作)是指水中能与强酸发生中和作用全部物质用全部物质,亦即能接收质子,亦即能接收质子H+物质总量。物质总量。强碱:强碱:NaOH,Ca(OH)2弱碱:弱碱:NH3,C6H5NH2,在水中有一部分反应生在水中有一部分反应生成成OH-离子;离子;强碱弱酸盐:强碱弱酸盐:如各种碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、如各种碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物和腐殖酸盐等。磷酸盐、硫化物和腐殖酸盐等。第24页用一个用一个强酸标准溶液强酸
16、标准溶液滴定,用滴定,用甲基橙甲基橙为指示剂,当溶液由黄色为指示剂,当溶液由黄色变成橙红色(变成橙红色(pH约约4.3),停顿滴定,此时所得结果称为总碱),停顿滴定,此时所得结果称为总碱度,也称为度,也称为甲基橙碱度。甲基橙碱度。其化学反应计量关系式以下:其化学反应计量关系式以下:H+OH-H2OH+CO32-HCO3-H+HCO3-H2CO3酚酞碱度:酚酞碱度:假如以假如以酚酞酚酞作为指示剂,当溶液作为指示剂,当溶液pH值降至值降至8.3时,表示时,表示OH-被中被中和,和,CO32-全部转化为全部转化为HCO3-,作为碳酸盐只中和了二分之一。,作为碳酸盐只中和了二分之一。总碱度测定方法:总
17、碱度测定方法:总碱度总碱度HCO3-+2CO32-+OH-H+酚酞碱度酚酞碱度CO32-+OH-H2CO3*-H+第25页酸度:酸度:是指水中能与强碱发生中和作用全部物质,是指水中能与强碱发生中和作用全部物质,也就是放出也就是放出H+或经过水解能产生或经过水解能产生H+物质总量。物质总量。组成水中酸度物质也可归纳为三类:组成水中酸度物质也可归纳为三类:强酸:强酸:HCl,H2SO4,HNO3等等弱酸:弱酸:CO2,H2CO3,H2S强酸弱碱盐:强酸弱碱盐:FeCl3,Al2(SO4)3第26页依据质子条件:依据质子条件:总酸度总酸度H+HCO3-2H2CO3*-OH-CO2酸度酸度H+H2CO
18、3*CO32-OH-无机酸度无机酸度H+HCO3-2CO32-OH-第27页应用总碳量应用总碳量(cT)和对应分布系数和对应分布系数()来表示:来表示:总碱度总碱度cT(1+22)+Kw/H+-H+总酸度总酸度cT(1+20)+H+-Kw/H+第三章第三章第三章第三章 水环境化学水环境化学水环境化学水环境化学第28页例例1某水体某水体pH为为8.00,碱度为,碱度为1.0010-3mol/L,计算,计算H2CO3*、HCO3-、CO32-及及OH-在水中浓度。在水中浓度。pH为为8.0时,碱度全部由时,碱度全部由HCO3-贡献,则:贡献,则:HCO3-=1.0010-3mol/LOH-=1.0
19、010-6mol/L依据酸解离常数,可计算:依据酸解离常数,可计算:H2CO3*=HCO3-H+/K1=2.2510-5mol/LCO32-=K2HCO3-/H+=4.6910-6mol/L第29页计算计算pH=6,酸度为,酸度为1.0010-3mol/L时各形态物质浓度。时各形态物质浓度。H+=1.0010-6mol/L酸度酸度=H+HCO3-+2H2CO3*=1.0010-3依据酸离解常数,可计算:依据酸离解常数,可计算:H2CO3*=HCO3-H+/K1则:则:H2CO3*=4.0910-4mol/LHCO3-=1.8210-4mol/L第30页天然水体天然水体pH=69,而且其,而且其
20、pH几乎保持不变,这表明天然几乎保持不变,这表明天然水体含有一定缓冲能力。普通认为,各种碳酸化合物是控水体含有一定缓冲能力。普通认为,各种碳酸化合物是控制水体制水体pH值主要原因,并使水体含有缓冲作用。人们时常值主要原因,并使水体含有缓冲作用。人们时常依据它存在情况来估算水体缓冲能力。依据它存在情况来估算水体缓冲能力。对于碳酸水体系,当对于碳酸水体系,当pH8.3时能够只考虑一级碳酸平时能够只考虑一级碳酸平衡,故其衡,故其pH值可由下式确定:值可由下式确定:pH=pK1+lgHCO3-/H2CO3*(3)天然水体缓冲能力:天然水体缓冲能力:当当pH8.3时,时,pH=pK2+lgCO32-/H
21、CO3-第31页1.2 1.2 水中污染物分布和存在形态水中污染物分布和存在形态八大类八大类耗氧污染物耗氧污染物致病污染物致病污染物合成有机物合成有机物植物营养物植物营养物N、P无机物及矿物质无机物及矿物质酸碱类等及重金属,如酸碱类等及重金属,如Hg、Cr、Pb等等沉积物沉积物放射性物质放射性物质热污染:对生物危害比较大热污染:对生物危害比较大第32页1.2.1有机污染物有机污染物(Organic Pollutant)农药农药有机氯有机氯有机磷有机磷多氯联苯多氯联苯(PCBS)卤代脂肪烃卤代脂肪烃醚醚单环芳香族化合物单环芳香族化合物苯酚类和甲酚类苯酚类和甲酚类酞酸酯类酞酸酯类多环芳烃(多环芳烃
22、(PAH)PAH)亚硝胺和其它化合物亚硝胺和其它化合物第33页(1)农药农药水中常见农药概括起来,主要为水中常见农药概括起来,主要为有机氯和有机磷有机氯和有机磷农药,农药,另外还有氨基甲酸酯类农药。另外还有氨基甲酸酯类农药。有机氯农药有机氯农药因为难以被化学降解和生物降解,在环境因为难以被化学降解和生物降解,在环境中滞留时间很长,故很大一部分被分配到沉积物有机质中滞留时间很长,故很大一部分被分配到沉积物有机质和生物脂肪中。和生物脂肪中。有机氯农药,有机氯农药,DDT因为它持久性和经过因为它持久性和经过食物链累积性,己被许多国家禁用。食物链累积性,己被许多国家禁用。第34页有机磷农药和氨基甲酸酯
23、农药有机磷农药和氨基甲酸酯农药与有机氯农药相比,较易被生与有机氯农药相比,较易被生物降解,它们在环境中滞留时间较短,在土壤和地表水中降解速物降解,它们在环境中滞留时间较短,在土壤和地表水中降解速率较快,杀虫力较高,惯用来毁灭那些不能被有机氯杀虫剂有效率较快,杀虫力较高,惯用来毁灭那些不能被有机氯杀虫剂有效控制害虫。控制害虫。氨基甲酸酯类和有机磷杀虫剂沉积物吸附和生物累积过程是次氨基甲酸酯类和有机磷杀虫剂沉积物吸附和生物累积过程是次要,然而当它们在水中浓度较高时,有机质含量高沉积物和脂类要,然而当它们在水中浓度较高时,有机质含量高沉积物和脂类含量高水生生物也会吸收相当量该类污染物。当前在地表水中
24、能含量高水生生物也会吸收相当量该类污染物。当前在地表水中能检出不多,污染范围较小。检出不多,污染范围较小。除草剂及其中间产物是污染土壤、地下水以及周围环境主要污除草剂及其中间产物是污染土壤、地下水以及周围环境主要污染物。染物。第35页(2)多氯联苯()多氯联苯(PCBs)多多氯氯联联苯苯是是联联苯苯经经氯氯化化而而成成。氯氯原原子子在在联联苯苯不不一一样样位位置置取取代代110个个氢氢原原子子,能能够够合合成成210种种化化合合物物,通通常常取取得得为为混混合物。合物。有有化学稳定性化学稳定性和和热稳定性热稳定性很好。很好。多多氯氯联联苯苯极极难难溶溶于于水水,不不易易分分解解,但但易易溶溶于
25、于有有机机溶溶剂剂和和脂脂肪肪,含含有有高高辛辛醇醇-水水分分配配系系数数,能能强强烈烈分分配配到到沉沉积积物物有有机质和生物脂肪中。机质和生物脂肪中。1973年以后,各国陆续开始降低或停顿生产。年以后,各国陆续开始降低或停顿生产。第36页辛醇辛醇-水分配系数水分配系数是有机化合物在水和是有机化合物在水和N-辛醇两相平衡浓辛醇两相平衡浓度之比度之比,是描述一个有机化合物在水和沉积物中,有机,是描述一个有机化合物在水和沉积物中,有机质之间或水生生物脂肪之间分配一个很有用指标质之间或水生生物脂肪之间分配一个很有用指标。分配分配系数数值越大,有机物在有机相中溶解度也越大,即在系数数值越大,有机物在有
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