天然水的基本特征

環(huán)境化學(xué)第一章緒論第二章大氣環(huán)境化學(xué)第三章水環(huán)境化學(xué)第一節(jié)天然水的基本特征及污染物的存在形態(tài)第二節(jié)水中無(wú)機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化第三節(jié)水中有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化第四章土壤環(huán)境化學(xué)第五章生物體內(nèi)污染物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過程及毒性第六章典型污染物在環(huán)境過程中的轉(zhuǎn)歸與效用第七章有害廢棄物及放射性固體廢棄物天然水的基本特征第一節(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

1.天然水的組成

2.天然水的性質(zhì)二、水中污染物的分布及存在形態(tài)

1.有機(jī)污染物

2.金屬污染物天然水的基本特征水的特性及其意義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(nèi)水的含量也達(dá)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(nèi)，水分含量更高，有些甚至高達(dá)95％。天然水的基本特征水的特性及其意義2)水的優(yōu)異的自然性質(zhì)及對(duì)人類和生態(tài)環(huán)境的特殊意義 ① 水是無(wú)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(shí)的密度最大 ⑤ 冰輕于水天然水的基本特征水的特性及其意義①水是無(wú)色透明的水允許太陽(yáng)光中的可見光和波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紫外線部分可以透過，使光合作用所需的光能能夠到達(dá)水面以下的一定深度，而對(duì)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(chǎn)生和進(jìn)化過程中起了關(guān)鍵性的作用，今天對(duì)生活在水中的各種生物也具有重要意義。天然水的基本特征水的特性及其意義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(yíng)養(yǎng)物和廢棄物的傳輸提供了最基本的媒介。天然水的基本特征水的特性及其意義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(dá)地表的太陽(yáng)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℃。天然水的基本特征水的特性及其意義④水在4℃時(shí)的密度最大在控制水體溫度分布中的重要作用當(dāng)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(yíng)養(yǎng)物得以在整個(gè)水域分布均勻，天然水的基本特征水的特性及其意義⑤冰輕于水冰的密度為0.92g/℃，可以浮在水面上。氣溫降低時(shí)水面結(jié)成的冰不會(huì)沉入水底，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)水體完全凍結(jié)，這一特性對(duì)水下生物具有十分重要的意義。天然水的基本特征水的循環(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) 天然水的基本特征一、天然水的的基本特征

1.天然水的組成可溶性物質(zhì)： 成分復(fù)雜，巖石風(fēng)化過程中，經(jīng)水溶解遷 移的地殼礦物質(zhì)懸浮物質(zhì)： 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(yáng)離子Ca2+、Mg2+H+Na+、K+HCO3－、CO32－、OH－SO42－、Cl－、NO3－陰離子堿度酸根天然水的基本特征(2)水中的金屬離子它可通過化學(xué)反應(yīng)(酸－堿、沉淀、配合及氧化-還原等)達(dá)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(dāng)pH低→pH高時(shí)，F(xiàn)e(Ⅲ)的變化：

Fe3+→Fe(OH)2+→Fe(OH)2+→ Fe2(OH)24+→Fe(OH)3↓ 天然水的基本特征(3)氣體在水中的溶解性溶解在水中氣體，對(duì)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(wàn)條魚死亡)。溶解氧對(duì)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(日本福岡大濠公園)天然水的基本特征①氣體分子在氣液相兩間的平衡--亨利定律KX—?dú)怏wX在一定溫度下的亨利(定律)常數(shù)；pX—?dú)怏wX的分壓；CX—?dú)怏wX在液相中的溶解度。天然水的基本特征天然水的基本特征利用亨利定律時(shí)的注意事項(xiàng)在計(jì)算氣體的溶解度時(shí)，需考慮水蒸氣對(duì)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?jǐn)?shù)亨利定律不能反應(yīng)氣體在溶液中的進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，如CO2的溶解: CO2(g) CO2(aq) CO2(aq)

+H2OH+HCO3+天然水的基本特征表3-2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天然水的基本特征②溫度對(duì)氣體溶解度的影響

(Clausius-Clapeyron方程式)： c，c0—溫度T和T0時(shí)氣體在水中的濃度； △H—溶解熱，J/mol，(△H<0)；

R—?dú)怏w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)天然水的基本特征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(dòng)狀況溫度Cs:氣體的飽和溶解度C:水中氣體的實(shí)際濃度kg:氣體遷移系數(shù)A:水的表面積V:水的體積天然水的基本特征④氧在水中的溶解

水體中的元素氧主要來(lái)自大氣溫度↑→水中平衡氧濃度↓

0℃(14.74)→25℃(8.32)→35℃(7.03mg/L)水中氧的溶解度低，一旦發(fā)生氧的消耗反應(yīng)，則溶解氧的水平可以很快降至零。

{CH2O} + O2 → CO2+H2O 7.8mg 8.3mg復(fù)氧速率與水的流動(dòng)，空氣氣泡大小及溫度等有關(guān)依靠分子擴(kuò)散的復(fù)氧速率很慢在20℃、1atm下，30m處O2濃度↑1mg/L需12天 天然水的基本特征⑤CO2在水中的溶解25℃時(shí)水中[CO2]的值可以用亨利定律來(lái)計(jì)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(chǎn)生等濃度的H+和HCO3-H+和HCO3-的濃度可從CO2的酸離解常數(shù)計(jì)算天然水的基本特征(4)水生生物對(duì)溶解氧的影響水體中溶解氧(DO)濃度是耗氧過程與復(fù)氧過程平衡的結(jié)果耗氧過程有機(jī)物的氧化自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物的呼吸。復(fù)氧過程大氣中氧的溶解自養(yǎng)生物的光合作用天然水的基本特征(4)水生生物對(duì)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

天然水的基本特征天然水的基本特征(4)水生生物對(duì)溶解氧的影響--富營(yíng)養(yǎng)化水體產(chǎn)生生物體的能力稱為生產(chǎn)率。生產(chǎn)率通常由水中的營(yíng)氧物(C,N,P)水平?jīng)Q定在高生產(chǎn)率的水中藻類生產(chǎn)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(yíng)養(yǎng)化。天然水的基本特征2.天然水的性質(zhì)(1)碳酸體系的平衡關(guān)系碳酸鹽系統(tǒng)與水的pH值密切相關(guān)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(dòng)(光合、呼吸作用)活動(dòng)有關(guān)CO2在水中形成酸，可溶解巖石中的堿性物質(zhì)天然水的基本特征(1)碳酸體系的平衡關(guān)系兩個(gè)基本概念封閉體系:與大氣沒有CO2交換，體系的總碳酸濃度不變(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] CO2(aq)+H2O＝H2CO3 pKm=2.8 H2CO3

＝H++HCO3- pK’1=3.5

H2CO3＊＝HCO3-+H+ pK1=6.3天然水的基本特征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天然水的基本特征①封閉體系的碳酸形態(tài)分布圖(α-pH圖)天然水的基本特征天然水的基本特征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天然水的基本特征②開放碳酸體系的lgC-pH圖天然水的基本特征天然水的基本特征?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?天然水的基本特征例題某河流，pH=8.3，cT,CO3=3×10-3mol/LH2SO4的廢水排入該河流。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天然水的基本特征解:天然水的基本特征解:

當(dāng)pH值從8.3中和到6.7時(shí)，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)天然水的基本特征天然水的基本特征（2）天然水中的堿度和酸度

a)堿度 指水中能與強(qiáng)酸發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即能接受質(zhì)子H+的物質(zhì)總量。包括：①?gòu)?qiáng)堿。如NaOH,Ca(OH)2等，全部電離②弱堿。如NH3等，部分電離③強(qiáng)堿弱酸鹽。如Na2CO3,NaHCO3等，可水解產(chǎn)生OH-或直接接受質(zhì)子?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)? 什么情況下pH值的大小能反映堿度的大小?什么情況下不能?為什么?天然水的基本特征b)堿度的表示苛性堿度(causticalkalinity)用強(qiáng)酸滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉(zhuǎn)換為CO32-時(shí)所需酸量稱為苛性堿度。終點(diǎn)pH在10-11之間，此時(shí)所有OH－被中和苛性堿度=[OH－]-[HCO3－]-2[H2CO3＊]-[H+]碳酸鹽堿度(酚酞堿度,carbonatealkalinity)以酚酞為指示劑，用強(qiáng)酸滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉(zhuǎn)換為HCO3-時(shí)(終點(diǎn)pH8.3)，所需酸量稱為碳酸鹽堿度。pH8.3時(shí)CO32-

與OH－均被中和碳酸鹽堿度=[CO32-]+[OH－]-[H2CO3＊]-[H+]總堿度(甲基橙堿度)天然水的基本特征b)堿度的表示苛性堿度碳酸鹽堿度(酚酞堿度)總堿度(totalalkalinity，甲基橙堿度)以甲基橙為指示劑，用強(qiáng)酸滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉(zhuǎn)換為H2CO3*時(shí)(終點(diǎn)pH4.3)，所需酸量稱為總堿度?？倝A度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH－]-[H+]天然水的基本特征c)酸度指水中能與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即放出H+或經(jīng)過水解能產(chǎn)生H+的物質(zhì)的總量。包括：①?gòu)?qiáng)酸，如HCl、H2SO4、HNO3；②弱酸，如H2CO3，H2S；③強(qiáng)酸弱堿鹽，如FeCl3，Al2(SO4)3。天然水的基本特征d)酸度的表示無(wú)挺酸度(礦物酸度，mineralacidity)以甲基橙為指示劑，用強(qiáng)堿滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉(zhuǎn)換為H2CO3*時(shí)(終點(diǎn)pH4.3)，所需堿量稱為無(wú)機(jī)酸度。終點(diǎn)pH4.3時(shí)所有強(qiáng)酸(礦物酸)均被中和無(wú)機(jī)酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH－]CO2酸度(carbondioxideacidity)以酚酞為指示劑，用強(qiáng)堿滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉(zhuǎn)換為HCO3-時(shí)(終點(diǎn)pH8.3)，所需堿量稱為CO2酸度。pH8.3時(shí)H2CO3＊與H+均被中和CO2酸度=[H+]+[H2CO3＊]-[CO32-]-[OH－]總酸度天然水的基本特征c)酸度無(wú)機(jī)酸度CO2酸度總酸度(totalacidity)用強(qiáng)堿滴定到溶液中碳酸(鹽)全部轉(zhuǎn)換為CO32-時(shí)所需堿量稱為總酸度。終點(diǎn)pH在10-11之間，此時(shí)所有H+、HCO3-、H2CO3、OH－被中和總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3＊]-[OH－]天然水的基本特征苛性堿度=[OH－]-[HCO3

－]-2[H2CO3＊]-[H+]碳酸鹽堿度=[CO32-]+[OH－]-[H2CO3＊]-[H+]總堿度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH－]-[H+]無(wú)機(jī)酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH－]CO2酸度=[H+]+[H2CO3＊]-[CO32-]-[OH－]總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3＊]-[OH－]天然水的基本特征用總碳酸量（cT）和相應(yīng)的分布系數(shù)α

計(jì)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(wú)機(jī)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)天然水的基本特征例1:

某水體的pH=10時(shí)，總堿度為1.00×10-3mol/L，求[HCO3-]和[уO32-]。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-]=0.681×6.82×10-4=4.65×10-4[CO32-]=0.319×6.82×10-4=2.17×10-4天然水的基本特征二、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(jī)物；

分類④植物營(yíng)養(yǎng)物；⑤無(wú)機(jī)物及礦物質(zhì)；⑥由土壤、巖石等沖刷下來(lái)的沉積物；⑦放射性物質(zhì)；⑧熱污染。

水環(huán)境中有機(jī)污染物的種類繁多，特別是一些有毒、難降解的有機(jī)物，通過遷移、轉(zhuǎn)化、富集或食物鏈循環(huán)，危及水生生物及人體健康。難降解、脂溶性、生物積累性強(qiáng)的污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)危害性最大。天然水的基本特征污染物種類分布農(nóng)藥有機(jī)氯農(nóng)藥大部分被分配到沉積物有機(jī)質(zhì)和生物脂肪中。有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯農(nóng)藥，較易被生物降解。多氯聯(lián)苯（PCBs）強(qiáng)烈地分配到沉積物有機(jī)質(zhì)和生物脂肪中鹵代脂肪烴水中的溶解度高，在沉積物有機(jī)質(zhì)或生物脂肪層中的分配的趨勢(shì)較弱。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，潛在生物積累能力低4-氯苯-苯基醚及4-溴苯-苯基醚，潛在生物積累能力較高。單環(huán)芳香族化合物主要是揮發(fā)，然后是光解。它們?cè)诔练e物有機(jī)質(zhì)或生物脂肪層中的分配趨勢(shì)較弱。苯酚類和甲醚類主要?dú)埩粲谒?，其主要遷移轉(zhuǎn)化過程是生物降解和光解。酞酸酯類主要富集在沉積物有機(jī)質(zhì)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(nèi)和溶解的有機(jī)質(zhì)中亞硝胺和其他化合物2-甲基亞硝胺、2-正丙基亞硝胺、聯(lián)苯胺、丙烯腈等天然水的基本特征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(zhì)吸附，最終沉降到沉積物中，微生物作用下，轉(zhuǎn)變成劇毒的甲基汞鉛主要以Pb2+狀態(tài)存在被懸浮顆粒物和沉積物吸附砷H3AsO3、H2AsO3－、H3AsO4、H3AsO4－、HAsO42－、AsO43－

被顆粒物吸附、共沉淀而沉積到底部沉積物中，可被甲基化鉻Cr3+、CrO2－、CrO42－、Cr2O72－

三價(jià)鉻多被