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第三课. 第 二 章 水环境化学. 教学内容 ( 一 ). 天然水的基本特征 〔 重点、难点内容 〕 ，水中污染物的分布和存在形态，水中营养元素及水体富营养化 颗粒物与水之间的迁移 〔 重点、难点内容 〕 ，水中颗粒物的聚集 〔 重点、难点内容 〕 ，溶解和沉淀 〔 重点、难点内容 〕 ，氧化还原 〔 重点、难点内容 〕 ，配合作用 〔 重点、难点内容 〕. 教学内容 ( 二 ). 分配作用 〔 重点、难点内容 〕 ， 水解作用 〔 重点、难点内容 〕 ， 光解作用 〔 重点、难点内容 〕 ， 生物降解作用 〔 重点、难点内容 〕 ， 挥发作用
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教学内容(一) • 天然水的基本特征〔重点、难点内容〕，水中污染物的分布和存在形态，水中营养元素及水体富营养化 • 颗粒物与水之间的迁移〔重点、难点内容〕，水中颗粒物的聚集〔重点、难点内容〕，溶解和沉淀〔重点、难点内容〕，氧化还原〔重点、难点内容〕，配合作用〔重点、难点内容〕 Company name
教学内容(二) • 分配作用〔重点、难点内容〕，水解作用〔重点、难点内容〕，光解作用〔重点、难点内容〕，生物降解作用〔重点、难点内容〕，挥发作用 • 氧平衡模型〔重点内容〕，湖泊富营养化预测模型，有毒有机污染物的归趋模型〔重点、难点内容〕，多介质环境数学模型 Company name
教学要求(一) • 本章主要介绍天然水的基本特征，水中重要污染物存在形态及分布，污染物在水环境中的迁移转化的基本原理及水质模型。要求了解天然水的基本性质，掌握无机污染物在水环境中进行沉淀－溶解、氧化还原、配合作用、吸附－解吸、絮凝－沉降等迁移转化过程的基本原理，并运用所学原理计算水体中金属存在形态，确定各类化合物溶解度，以及天然水中各类污染物的pE计算及pE－pH图的制作。 Company name
教学要求(二) • 了解颗粒物在水环境中聚集和吸附-解吸的基本原理，掌握有机污染物在水体中的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的计算方法，了解各类水质模型的基本原理和应用范围。 Company name
第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态 一、天然水的基本特征 1.天然水的组成： 天然水中一般含有可溶性物质和悬浮物质（包括悬浮物、颗粒物、水生生物等）。 可溶性物质的成分十分复杂，主要是在岩石的风化过程中，经水溶解迁移的地壳矿物质。 Company name
天然水中存在的主要物质 Company name
天然水重要的离子 （1）天然水中的重要离子组成：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、NO3-、 Cl-、 SO42-为天然水中常见的八大离子，占天然水中离子总量的９５％－９９％.水中这些主要离子的分类，常用来作为表征水体主要化特征性指标。 天然水中常见的主要离子总量可以粗略地作为水的总含盐量（ＴＤＳ）： ＴＤＳ＝［ K+＋Na+＋Ca2+＋Mg2+］＋［HCO3-＋Cl-＋SO42-］ Company name
水中主要离子组成图 Company name
水中的金属离子 (2) 水中的金属离子： 水溶液中金属离子的表示式常写成Ｍn+，预示着是简单的水合金属阳离子 M（Ｈ２Ｏ）xn+.它可通过化学反应达到最稳定的状态，酸-碱、沉淀、配合及氧化-还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。 水中可溶性金属离子可以多种形态存在。 Company name
水中的气体 (3)气体在水中的溶解性：气体溶解在水中，对于生物种类的生存是非常重要的．例如鱼需要溶解氧，在污染水体许多鱼的死亡，不是由于污染物的直接毒性致死，而是由于在污染的生物降解过程中大量消耗水体中的溶解氧，导致它们无法生存． 大气中的气体分子与溶液中同中气体分子间的平衡为：Ｘ（g） Ｘ（ag） 该平衡服从亨利定律，即一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压． Company name
亨利定律 溶解气体 CO 2、O2、H2S、CH4等污染性气体。 亨利定律计算公式： （1）计算气体溶解度时，需要对水蒸气的分压加以校正； （2）该定律与反应无关； （3）气体的溶解度随温度升高而降低； （4）亨利定律常数的使用 各气体的分压 亨利定律常数 Company name
亨利定律使用 • 氧在水中的溶解度计算 • 二氧化碳在水中的溶解度计算 • Clausius-Clapeyron equation 应用实例 温度的影响 Company name
水生生物 （4）水生生物：水生生物可直接影响许多物质的浓度，其作用有代谢、摄取、转化、存储和释放等。在水生生态系统中生存的生物体，可以分为自养生物和异样生物。 106CO2+16NO3-+HPO42-+ 122H2O+18H+(+痕量元素和能量) P R C106H263O110N16P+138O2 Company name
天然水的性质 ２天然水的性质(重点) (1) 碳酸平衡：CO2在水中形成酸，可同岩石中的碱性物质发生反应，并可通过沉淀反应变为沉积物而从水中除去．在水和生物之间的生物化学交换中，CO2占有独特地位． 在水体中存在着CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-等四种化合态，常把CO2 和H2CO3合并为H2CO3*。 Company name
CO2（g） CO2（aq）+H2O H++HCO3- H++CO32- CaCO3（s） MgCO3 (s） 碳酸盐系统 碳酸盐系统中的平衡关系表达为： Company name
碳酸盐系统的平衡关系 Company name
碳酸盐系统的平衡关系 因此水中H2CO3*、HCO3-、CO32-体系可用下面的反应和平衡常数表示： CO2+H2O=H2CO3* pK0=1.46 H2CO3 *= HCO3-+H+ pK1=6.35 HCO3-= CO32-+H+ pK2=10.33 根据K1及K2值,就可以制作以pH为主要变量的H2CO3*-HCO3--CO32-体系的形态分布图（见图3-2）.用分别代表上述三种化合态在总量中所占比例，可以给下面三个表示式： Company name
碳酸盐系统的形态分布函数 • 若用cT表示各种碳酸化合态的总量，则有 [H2CO3*]=cTα0、[HCO3-]=cTα1和[CO32-]=cTα2。 若把K1、K2的表示式代入上式， 就可得到作为酸离解常数和氢离子浓度的函数的形态分数。 • α0=(1+K1/[H+]+K1K2/[H+]2)-1 α1=( 1+K1/[H+]+K2/[H+])-1 α2 =( 1+[H+]2/k1k2+[H+]/K2)-1 Company name
碳酸盐系统的形态分布图 Company name
以上的讨论没有考虑溶解性CO2与大气交换过程，因而属于封闭的水溶液体系的情况。实际上，根据气体交换动力学，CO2在气液界面的平衡时间需数日。以上的讨论没有考虑溶解性CO2与大气交换过程，因而属于封闭的水溶液体系的情况。实际上，根据气体交换动力学，CO2在气液界面的平衡时间需数日。 • 若所考虑的溶液反应在数小时之内完成，就可应用封闭体系固定碳酸化合态总量的模式加以计算。 • 如果所研究的过程是常时期的，例如一年期间的水质组成，则认为CO2与水是处于平衡状态，可以更近似于真实情况。 Company name
碳酸盐物种浓度的计算 封闭体系：固定碳酸化合态总量 开放体系：CO2与水是处于平衡状态 Company name
碳酸盐物种浓度的计算-封闭体系 Company name
碳酸盐物种浓度的计算-开放体系 Company name
天然水的碱度和酸度 • 酸碱理论 Arrhenius(1887):离解氢离子和氢氧根 Brønsted(布朗斯台)：质子给予与接收，共轭酸碱 Lewis(路易斯)：孤对电子 Pearson:软硬酸碱 Company name
天然水的碱度和酸度 （2）天然水中的碱度和酸度：碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦既能接受质子H+的物质总量。 • 总碱度是水中各种碱度成分的总和，即加酸至HCO3-和CO32-全部转化为CO2。可归纳为三类：①强碱 ②弱碱③强碱弱酸盐。 • 根据溶液质子平衡条件，可以得到碱度的表示式： 总碱度= [HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+] Company name
天然水的碱度和酸度 • 如果滴定是以酚酞作为指示剂，当溶液的pH值达到8.3时，表示OH-被中和，CO32-全部转化为HCO3-，作为碳酸盐只中和了一半，因此，得到酚酞碱度的表示式： 酚酞碱度= [ CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+] • 达到pHCO32-所需酸量时的碱度称为苛性碱度。 苛性碱度= [OH-]-[HCO3-]-2[ H2CO3*]- [H+] Company name
天然水的碱度和酸度 • 和碱度相反，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+或经过水解能产生H+的物质总量。 • 组成水中酸度的物质可归纳为三类：①强酸②弱酸③强酸弱碱盐。 • 以强碱滴定含碳酸水溶液测定其酸度时，其反应过程与上述相反。以甲基橙为指示剂滴定到pH=4.3,以酚酞为指示剂滴定到pH=8.3，分别得到无机酸度及游离CO2酸度。总酸度在pH=10.8处得到。 Company name
天然水的碱度和酸度 • 根据溶液质子平衡条件，得到酸度的表达式： 总酸度= [H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-] CO2酸度= [H+]+2[H2CO3*]–[CO32-]-[OH-] 无机酸度= [H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-] Company name
碳酸盐系统中的酸碱度及其滴定终点 Company name
碳酸盐系统中的酸碱度的滴定曲线图 Company name
碳酸盐系统中的酸碱度计算 Company name
碳酸盐系统中的酸碱度计算 • 如果应用总碳酸量（cT）和相应的分布系数（α）来表示，则有： 总碱度=cT (α 1+2α2)+KW/[H+] -[H+] 酚酞碱度= cT (α 1-2α0)+KW/[H+] -[H+] 苛性碱度= -cT (α 1+2α0)+KW/[H+] -[H+] 总酸度=cT (α 1+2α0)+[H+]-KW/[H+] CO2酸度= cT (α0-α2)+[H+] -KW/[H+] 无机酸度= -cT (α 1+2 α2)+[H+] - KW/[H+] Company name
碳酸盐系统中的酸碱度计算 • 如果已知水体的pH、碱度及相应的平衡常数，就可算出H2CO3*、HCO3-、CO32-及OH-在水中的浓度。 • 计算实例 封闭体系水体酸碱度和pH变化计算 开放体系水体酸碱度和pH变化计算 教材例题和课后习题 Company name
酸碱调整时的相应变化—加入下列物质1M Company name
水中污染物的分布和存在形态 二、水中污染物的分布和存在形态 ２０世纪６０年代美国学者曾把水中污染物大体划分为八类： ①耗氧污染物（一些能够较快被微生物降解成为二氧化碳和水的有机物）； ②致病污染物（一些可使人类和动物患病的病原微生物与细菌）； ③合成有机物； ④植物营养物； ⑤无机物及矿物； ⑥由土壤、岩石等冲刷下来的沉积物； ⑦放射性物质； ⑧热污染。 这些污染物进入水体后通常以可溶态或悬浮态存在，其在水体中的迁移 转化及生物可利用均可直接与污染物存在形态相关。 Company name
♠ 有机污染物：（1）农药（2） 多氯联苯（PCBS） （3）卤代脂肪烃（4）醚类（5）单环芳香族化合物 （6）苯酚类和甲酚类（7）酞酸酯类（8）多环芳烃类（PAH）（9）亚硝胺和其它化合物♠ 金属污染物 ：（1）镉（2）汞（3）铅（4）砷（5）铬（6）铜（7）锌（8） 砣（9）镍（10）铍 POPs和金属污染物的分布和存在形态 Company name
水中优先控制污染物 Company name
水体中污染物的迁移转化 大 气 直接间接光解 污染物A排入 大气干湿沉降 空气/水交换 污染物A流出 地下水渗滤 吸附 沉积物中转化 化学及生物转化 水 体 颗粒物沉降 各方向混合 沉积物水交换 化学及生物转化 沉积物 Company name
第二节 水中无机污染物的迁移转化 一、颗粒物与水之间的迁移 1.水中颗粒物的类别 （1） 矿物微粒和粘土矿物 （2） 金属水合氧化物 （3） 腐殖质 （4） 水体悬浮沉积物 (5) 藻类、细菌、病毒、表面活性剂、油滴 Company name
水体颗粒物分布的粒度谱Particle Size Spectrum Company name
