天然水的基本特征

天然水的基本特征第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第三章水環(huán)境化學第一節(jié)天然水的基本特征及污染物的存在形態(tài) 一、天然水的基本特征 二、水中污染物的分布及存在形態(tài) 三、水中營養(yǎng)元素及水體富營養(yǎng)化第二節(jié)水中無機污染物的遷移第三節(jié)水中有機污染物的遷移轉化第四節(jié)水質模型×第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六水的特性及其意義1)水－生命之源泉地球表面的70％以上覆蓋著水大多數(shù)生物體內水的含量也達2／3以上。人體血液的礦化度為9g／L，與30億年前的海水是相同的。在自然界的植物體內，水分含量更高，有些甚至高達95％。第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六水的特性及其意義2)水的優(yōu)異的自然性質及對人類和生態(tài)環(huán)境的特殊意義 ① 水是無色透明的 ② 水是一種極好的溶劑 ③ 除液氨外，水的比熱是所有的液體和固 體中最大的 ④ 水在4℃時的密度最大 ⑤ 冰輕于水第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六水的特性及其意義①水是無色透明的水允許太陽光中的可見光和波長較長的紫外線部分可以透過，使光合作用所需的光能能夠到達水面以下的一定深度，而對生物體有害的短波紫外線則被阻擋在外。這不僅在地球上生命的產生和進化過程中起了關鍵性的作用，今天對生活在水中的各種生物也具有重要意義。第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六水的特性及其意義②水是一種極好的溶劑水的介電常數(shù)在所有的液體中是最高的，使得大多數(shù)離子化合物能夠在其中溶解并發(fā)生最大程度的電離。水為生命過程中營養(yǎng)物和廢棄物的傳輸提供了最基本的媒介。第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六水的特性及其意義③水的比熱大、蒸發(fā)熱極高水的比熱為4.18J／(g·℃),僅次于液氨。水的蒸發(fā)熱也極高，在20℃下為2.4kJ/g。水體白天吸收到達地表的太陽光的熱量，夜晚又將熱量釋放到大氣中，避免了劇烈的溫度變化。月球表面氣溫為+120℃到－150℃?；鹦潜砻鏆鉁貫?27℃到－133℃。第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六水的特性及其意義④水在4℃時的密度最大在控制水體溫度分布中的重要作用當水體趨于一種穩(wěn)定狀態(tài)，水底溫度是4℃，在這一層中水生物可以幸存。在控制垂直循環(huán)中的重要作用。在氣溫急劇下降的夜晚，水面上較重的水層向水底沉降，與下部水層更換，使得溶解在水中的氧及其他營養(yǎng)物得以在整個水域分布均勻，第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六水的特性及其意義⑤冰輕于水冰的密度為0.92g/℃，可以浮在水面上。氣溫降低時水面結成的冰不會沉入水底，不會導致整個水體完全凍結，這一特性對水下生物具有十分重要的意義。第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六水的循環(huán)示意圖天然水的類型:

海水 雨水(降水)

地下水 地表水(河流、湖泊) 第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六一、天然水的的基本特征

1.天然水的組成可溶性物質： 成分復雜，巖石風化過程中，經水溶解遷 移的地殼礦物質懸浮物質： 懸浮物、顆粒物、水生生物等(1)天然水中的主要離子組成天然水中常見主要離子總量可粗略作為水的總含鹽量(TDS)

TDS=[Ca2++Mg2++Na++K+]+[HCO3－+SO42－+Cl－]硬度酸堿金屬陽離子Ca2+、Mg2+H+Na+、K+HCO3－、CO32－、OH－SO42－、Cl－、NO3－陰離子堿度酸根第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六(2)水中的金屬離子它可通過化學反應(酸－堿、沉淀、配合及氧化-還原等)達到最穩(wěn)定的狀態(tài)；水中可溶性金屬離子可以多種形態(tài)存在。

如當pH低→pH高時，F(xiàn)e(Ⅲ)的變化： Fe3+→Fe(OH)2+→Fe(OH)2+→ Fe2(OH)24+→Fe(OH)3↓ 第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六(3)氣體在水中的溶解性溶解在水中氣體，對水生生物的生存是非常重要的。魚類需要O2，排出CO2藻類的光合作用需要CO2，排出O2過飽和的N2在血液中形成氣泡，可使魚類死亡(1978年，杜魯門壩的修建使下游40萬條魚死亡)。溶解氧對水處理也具有重要意義生活污水的生化處理水體的自凈作用第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六①氣體分子在氣液相兩間的平衡--亨利定律KH—氣體X在一定溫度下的亨利(定律)常數(shù)；pG—氣體X的分壓；[X(aq)]—氣體X在液相中的溶解度。第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六利用亨利定律時的注意事項在計算氣體的溶解度時，需考慮水蒸氣對氣體分壓的影響

Px=(Pa-PH2O)×fx

Pa:大氣壓； fX:大氣中氣體的摩爾分數(shù)亨利定律不能反映氣體在溶液中的進一步的化學反應，如CO2的溶解: CO2(g) CO2(aq) CO2(aq)

+H2OH+HCO3+第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六表3-3水在不同溫度下的分壓T(℃)P(H2O)(×105Pa)T(℃)

P(H2O)(×105Pa)05101520250.006110.008720.012280.017050.023370.0316730354045501000.042410.056210.073740.095810.123301.01300第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六②溫度對氣體溶解度的影響

(Clausius-Clapeyron方程式)： c，c0—溫度T和T0時氣體在水中的濃度； △H—溶解熱，J/mol，(△H<0)； R—氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)。氣體的溶解度隨溫度升高而降低， 如O2:0℃(14.74mg/L)→35℃(7.03mg/L)lg(C)lg(1/T)第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六③氣體在水中的溶解速率影響氣體溶解速率的因素氣體不飽和程度水的單位體積表面積擾動狀況溫度Cs:氣體的飽和溶解度C:水中氣體的實際濃度kg:氣體遷移系數(shù)A:水的表面積V:水的體積第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六④影響水體中的溶解氧濃度的因素

溶解氧濃度是耗氧與復氧過程動態(tài)平衡的結果耗氧過程：化學耗氧（有機物的還原性物質的氧化） 生物耗氧：（水生生物的呼吸）復氧過程：大氣中氧的溶解 水生生物的光合作用溫度↑→平衡氧濃度↓

0℃(14.74)→25℃(8.32)→35℃(7.03mg/L) →氧的溶解速度↑耗氧性有機物等的存在→降低溶解氧濃度↓復氧速率與水的流動，空氣氣泡大小及溫度等有關依靠分子擴散的復氧速率很慢

(在20℃1atm下，水下30m處O2濃度↑1mg/L需12天)第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六⑤CO2在水中的溶解25℃時水中[CO2]的值可以用亨利定律來計算:

PCO2=(Pa-PH2O)×fCO2 =(1.013-0.0317)×105×3.14×10-4 =30.8(Pa) [CO2]=3.34×10-7×30.8=1.03×10-5(mol/L)CO2在水中可部分離解，產生H+和HCO3-和CO32-，其濃度可從酸離解常數(shù)計算第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六(4)水生生物對溶解氧的影響水體中溶解氧(DO)濃度是耗氧過程與復氧過程平衡的結果耗氧過程有機物的氧化自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物的呼吸。復氧過程大氣中氧的溶解自養(yǎng)生物的光合作用第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六(4)水生生物對溶解氧的影響藻類(自養(yǎng)生物)的生成與分解生成:光合作用（P）分解:呼吸作用（R）106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H+PRC106H263O110N16P+138O2

第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六(4)水生生物對溶解氧的影響--富營養(yǎng)化水體產生生物體的能力稱為生產率。生產率通常由水中的營氧物(C,N,P)水平決定在高生產率的水中藻類生產旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平降低，這種情況稱為富營養(yǎng)化。第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六2.天然水的性質(1)碳酸體系的平衡關系碳酸鹽系統(tǒng)與水的酸度與堿度密切相關碳酸鹽系統(tǒng)是天然水中優(yōu)良的緩沖體系碳酸鹽系統(tǒng)與水生生物活動(光合、呼吸作用)活動有關碳酸鹽系統(tǒng)與水處理（水的軟化）密切相關第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六(1)碳酸體系的平衡關系兩個基本概念封閉體系與大氣沒有CO2交換，體系的總碳酸濃度總碳酸=[CO2(aq)]+[H2CO3]+[HCO3-]+[CO32-]開放體系與大氣有CO2交換，體系的H2CO3＊濃度不變定義:[H2CO3＊]=[CO2(aq)]

+[H2CO3]

第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六①封閉體系的碳酸形態(tài)分布圖(α-pH圖) CO2(g)+H2O＝H2CO3＊ pK0=1.46 H2CO3＊＝HCO3-+H+ pK1=6.35 HCO3-＝CO32-+H+ pK2=10.33第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六①封閉體系的碳酸形態(tài)分布圖(α-pH圖)第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六②開放碳酸體系的lgC-pH圖 CO2+H2O＝H2CO3＊ pK0=1.46 H2CO3＊＝HCO3-+H+ pK1=6.35 HCO3-＝CO32-+H+ pK2=10.33第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六②開放碳酸體系的lgC-pH圖第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六?開放體系的碳酸形態(tài)分布圖 (α-pH圖)?封閉碳酸體系的lgC-pH圖?第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（2）天然水中的堿度和酸度

a)堿度指水中能與強酸發(fā)生中和作用的全部物質，亦即能接受質子H+的物質總量。 強堿，如NaOH,Ca(OH)2等堿度= 弱堿，如NH3等 強堿弱酸鹽，如Na2CO3,NaHCO3等?試比較以下兩種不同溶液的堿度。0.001mol/LNaOH溶液(pH=11)0.1mol/LNaHCO3溶液(pH=8.3)第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六b)堿度的表示（以碳酸鹽體系為例） 總堿度堿度的幾個定義 酚酞堿度（碳酸鹽堿度） 苛性堿度總堿度(totalalkalinity，甲基橙堿度)以甲基橙為指示劑，用強酸滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉換為H2CO3*時(終點pH4.3)，所需酸量?？倝A度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH－]-[H+]第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六b)堿度的表示酚酞堿度（碳酸鹽堿度，carbonatealkalinity）以酚酞為指示劑，用強酸滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉換為HCO3-時(終點pH8.3)所需酸量。酚酞堿度=[CO32-]+[OH－]-[H2CO3＊]-[H+]苛性堿度（causticalkalinity）用強酸滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉換為CO32-時所需酸量?？列詨A度=[OH－]-[HCO3－]-2[H2CO3＊]-[H+]第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六c)酸度指水中能與強堿發(fā)生中和作用的全部物質，亦即放出H+或經過水解能產生H+的物質的總量。 強酸，如HCl、H2SO4、HNO3；酸度= 弱酸，如H2CO3，H2S； 強酸弱堿鹽，如FeCl3，Al2(SO4)3。第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六d)酸度的表示 總酸度堿度的幾個定義 CO2酸度 無機酸度總酸度(totalacidity)用強堿滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉換為CO32-時所需堿量（終點pH10-11）總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3＊]-[OH－]第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六d)酸度的表示CO2酸度(carbondioxideacidity)以酚酞為指示劑，用強堿滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉換為HCO3-時(終點pH8.3)，所需堿量CO2酸度=[H+]+[H2CO3＊]-[CO32-]-[OH－]無機酸度(礦物酸度，mineralacidity)以甲基橙為指示劑，用強堿滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉換為H2CO3*時(終點pH4.3)，所需堿量。無機酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH－]第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六用總碳酸量（cT）和相應的分布系數(shù)α

計算酸度及堿度總堿度 =cT(α1+2α2)+[OH-]-[H+]酚酞堿度 =cT(α2-α0)+[OH-]-[H+]苛性堿度

=-cT(α1+2α0)+[OH-]-[H+]總酸度 =cT(α1+2α0)

-[OH-]+[H+]CO2酸度

=cT(α0-α2)-[OH-]+[H+]無機酸度

=-cT(α1+2α2)-[OH-]+[H+]cT=α{總堿度-[OH-]+[H+]}cT=α{總酸度+[OH-]-[H+]}其中，α=1/(α1+2α2)第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六例題某河流，pH=8.3，cT,CO3=3×10-3mol/L若有濃度為0.01mol/L的H2SO4廢水排入該河流。假如河流pH值不得降至6.7以下，問每升河水中可最終排入這種廢水多少升?

CO2+H2O＝H2CO3＊ pK0=1.46 H2CO3＊＝HCO3-+H+ pK1=6.35 HCO3-＝CO32-+H+ pK2=10.33第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六解:第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六解:

當pH值從8.3中和到6.7時，每升河水需要加入H+為:

{[HCO3-]+2[CO32-]}pH=8.3-{[HCO3-]+2[CO32-]}pH=6.7 ={(α1+2α2)pH=8.3–(α1+2α2)pH=6.7}×CT ={(0.98+2×0.01)-0.69}×3×10-3 =9.3×10-4(mol/L)每升河水可容納的硫酸廢水為: 9.3×10-4/(2×10-2)=0.047(L)第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六解:

總堿度=cT(α1+2α2)+[OH-]-[H+]

1.00×10-3=cT(0.681+2×0.319)+1.00×10-4cT=6.82×10-4[HCO3-]=cTα1=0.681×6.82×10-4=4.65×10-4[CO32-]=cTα2=0.319×6.82×10-4=2.17×10-4例1:

某水體的pH=10時，總堿度為1.00×10-3mol/L，求[HCO3-]和[CO32-]。第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六課堂練習題已知空氣中CO2分壓為30.8Pa，CO2的亨利常數(shù)為3.34×10-7mol/(L·Pa)，若空氣中的CO2與pH值分別為6.0,7.0,8.0的水溶液平衡，試利用表3-3分別求水中的總碳濃度？第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六二、水中污染物的分布和存在形態(tài)

①耗氧污染物；②致病污染物；③合成有機物；

分類④植物營養(yǎng)物；⑤無機物及礦物質；⑥由土壤、巖石等沖刷下來的沉積物；⑦放射性物質；⑧熱污染。

水環(huán)境中有機污染物的種類繁多，特別是一些有毒、難降解的有機物，通過遷移、轉化、富集或食物鏈循環(huán)，危及水生生物及人體健康污染物（重金屬等）的毒性與其存在形態(tài)有密切的關系難降解、脂溶性、生物積累性強的污染物對生態(tài)系統(tǒng)危害性最大第48頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六1.有機污染物污染物種類分布農藥有機氯農藥：難降解，辛醇-水分配系數(shù)（Kow)大，強烈地分配到沉積物有機質和生物脂肪中有機磷農藥

和氨基甲酸酯農藥：Kow小，較易被生物降解多氯聯(lián)苯（PCBs）難降解，Kow大，強烈地分配到沉積物有機質和生物脂肪中鹵代脂肪烴大多數(shù)揮發(fā)性較強，易光解，Kow小，水中的溶解度高醚類雙-(氯甲基)醚、雙-(2-氯甲基)醚、2-氯乙基-乙烯基醚、雙-(2-氯乙氧基)甲烷，Kow小，潛在生物積累能力低4-氯苯-苯基醚及4-溴苯-苯基醚，Kow較大。單環(huán)芳香族化合物主要是揮發(fā)，然后是光解。它們在沉積物有機質或生物脂肪層中的分配趨勢較弱。苯酚類和甲醚類Kow小，主要遷移轉化過程是在水中的生物降解和光解。酞酸酯類Kow大，主要富集在沉積物有機質和生物脂肪體中。多環(huán)芳烴類（PAH）主要累積在沉積物、生物體內和溶解的有機質中亞硝胺和其他化合物主要殘留于沉積物中第49頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六2.金屬污染物種類存在形態(tài)分布鎘除硫化鎘外，主要為Cd2+

吸附于懸浮物和沉積物中，水生生物吸附、富集汞Hg2+、Hg(OH)2、CH3Hg+、CH3Hg(OH)、CH3HgCl、C6H5Hg+被懸浮物和底質吸附，最終沉