水環(huán)境化學省公開課一等獎全國示范課微課金獎課件

第3章水環(huán)境化學（二）Chapter3.AquaticEnvironmentalChemistry（II）第1頁4.1顆粒物與水之間遷移(1)水中顆粒物類別

礦物顆粒和粘土礦物：石英(SiO2)、長石(KAlSi3O8)、云母及粘土礦物

天然水中含有顯著交替化學特征微粒是粘土礦物。

金屬水合氧化物：

鋁、鐵、錳、硅等元素水合氧化物在天然水中以無機高分子及溶膠等形態(tài)存在，在水環(huán)境中發(fā)揮主要膠體化學作用

Al3+,Al(OH)2+,Al2(OH)24+,Al(OH)2+,Al(OH)3,Al(OH)4-

Fe3+,Fe(OH)2+,Fe(OH)2+,Fe2(OH)24+,Fe(OH)3，SinO2n-m(OH)2m

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第2頁

腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)是一個帶負電高分子弱電解質(zhì)。腐殖質(zhì)是生物體物質(zhì)在土壤、水和沉積物中轉(zhuǎn)化而成。分子量300-30000。腐殖酸：可溶于稀堿但不溶于酸部分；富里酸：可溶于酸又可溶于堿部分；胡敏素(腐黑物，Humin)：不能被酸和堿提取部分

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第3頁圖6-2富里酸結(jié)構(gòu)(Schnitzer,1978)

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第4頁

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化

水體懸浮沉積物天然水體中各種環(huán)境膠體物質(zhì)往往并非單獨存在，而是相互作用結(jié)合成為某種聚集體，即成為水中懸浮沉積物，它們能夠沉降進入水體底部，也可重新再懸浮進入水中。懸浮沉積物結(jié)構(gòu)組成并不是固定，它伴隨水質(zhì)和水體組成物質(zhì)及水動力條件而改變。普通來說，懸浮沉積物是以礦物微粒，尤其是粘土礦物為關鍵骨架，有機物和金屬水合氧化物結(jié)合在礦物微粒表面上，成為各微粒間粘附架橋物質(zhì)，把若干微粒組合成絮狀聚集體(聚集體在水體中懸浮顆粒粒度普通在數(shù)十微米以下)，經(jīng)絮凝成為較粗顆粒而沉積到水體底部。

其它：湖泊中藻類，污水中細菌、病毒，廢水排出表面活性劑、油滴等，也都有類似膠體化學表現(xiàn)，起類似作用。

第5頁(2)水中顆粒物吸附作用表面吸附：因為顆粒物含有巨大比表面和表面能，產(chǎn)生表面吸附；物理吸附；離子交換吸附：膠體顆粒大部分帶負電荷，輕易吸附各種陽離子；物理化學吸附；專屬吸附：有化學鍵、憎水鍵、范德華力、氫鍵等作用；

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第6頁鹽濃度升高；氧化還原條件改變；pH降低；水中配合劑量增多(3)沉積物中重金屬釋放

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第7頁

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化4.2水中顆粒物聚集由電介質(zhì)促成聚集稱為凝聚由聚合物促成聚集稱為絮凝膠體顆粒是長久處于分散狀態(tài)還是相互作用聚集結(jié)合成為更粗粒子將決定水體中膠體顆粒及其上面污染物粒度分布改變規(guī)律,影響到其遷移輸送和沉降歸宿距離和去向。第8頁

天然水環(huán)境和水處理過程中所碰到顆粒聚集方式可總結(jié)以下：1).壓縮雙電層凝聚；2).專屬吸附凝聚；3).膠體相互凝聚；4).“邊對面”絮凝；5).第二極小值絮凝；6).聚合物粘結(jié)架橋絮凝；7).無機高分子絮凝；8).絮團卷掃絮凝；9).顆粒層吸附絮凝；10).生物絮凝

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第9頁4.3溶解和沉淀(1)氧化物和氫氧化物金屬化合物在水中遷移能力，直觀地能夠用溶解度來衡量。溶解度大，遷移能力大；在固-液平衡體系中，普通用溶度積來表征溶解能力。

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化Me(OH)n(s)

Men++nOH-Ksp=[Men+][OH-]n[Men+]=Ksp/[OH-]n=Ksp[H+]n/Kwn-lg[Men+]=-lgKsp-nlg[H+]+nlgKwpC=pKsp–npKw+npH第10頁溶解度應該考慮各種原因，比如羥基配合作用：

3.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第11頁金屬硫化物是比氫氧化物溶度積更小一類難溶沉淀物，只要水環(huán)境中存在S2-，幾乎全部重金屬均能夠從水體中除去。(2)硫化物

3.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第12頁4.4氧化、還原

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化氧化-還原平衡對水環(huán)境中污染物遷移轉(zhuǎn)化含有主要意義.水體中氧化還原類型/速率和平衡在很大程度上決定了水中主要污染物性質(zhì).比如:在一個厭氧性湖泊下層元素都以還原形態(tài)存在:碳還原成-4價而形成CH4;氮形成NH4+;硫形成H2S;而鐵形成可溶性Fe2+.表層水因為能夠被大氣中氧飽和而成為相對氧化性介質(zhì),上述元素將以氧化態(tài)存在:碳成為CO2;氮成為NO3-;硫成為SO42-;而鐵成為Fe(OH)3沉淀.第13頁定義酸堿反應：pH=-lg(aH+)aH+____氫離子在水溶液中活度，它衡量溶液接收或遷移質(zhì)子相對趨勢；還原劑和氧化劑能夠定義為電子供體和電子接收體，可定義pE為：pE

=-lg(ae)ae:水溶液中電子活度(1)電子活度和氧化還原電位

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第14頁pE嚴格熱力學定義是由Stumm和Morgan提出，基于以下反應：2H+(aq)+2eH2(g)當H+(aq)在1單位活度與1.013×105PaH2平衡(一樣活度為1)介質(zhì)中,電子活度為1.00,pE=0.0。pE越小，電子濃度越高，體系提供電子傾向越強；pE越大,電子濃度越低，體系接收電子傾向越強

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第15頁

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化(2)氧化還原電位E與pε關系第16頁

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第17頁

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化(3)天然水pE天然水中含有許多無機及有機氧化劑及還原劑。水中主要氧化劑有溶解氧、Fe(III)、Mn(IV)、S(VI)等，其被還原后依次被轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O、Fe(II)、Mn(II)、S(-2)等。水中主要還原物質(zhì)是各種有機化合物，有機化合物被氧化后，生成各種復雜結(jié)構(gòu)物質(zhì)。第18頁因為天然水是一個復雜氧化還原混合體系,其pE應介于其中各個單體系pE之間，而且靠近于含量較高單系pE值。若某個單體系含量比其它體系高得多,則此時該單體系pE幾乎等于混合復雜體系pE。普通天然水環(huán)境中，溶解氧是決定pE物質(zhì)。

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第19頁

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第20頁(4)無機鐵氧化還原轉(zhuǎn)化

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化天然水中鐵主要以Fe(OH)3(S)或Fe2+形式存在。第21頁(5)水中有機物氧化圖6-5河流氧下垂曲線（S.E.Manahan,1984）溶解氧含量清潔區(qū)分解區(qū)腐敗區(qū)恢復區(qū)清潔區(qū)時間或距離

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第22頁4.5配合作用許多重金屬在水體中以配合物形式存在，其不一樣存在形式含有不一樣性質(zhì)。重金屬離子作為中心離子，一些陰離子或有機化合物能夠作為配位體。(1)配合物在溶液中穩(wěn)定性配合物在溶液中穩(wěn)定性是指配合物在溶液中離解成中心離子和配位體，當離解到達平衡時離解程度大小。配合物逐層生成常數(shù)(或逐層穩(wěn)定常數(shù))和積累穩(wěn)定常數(shù)(積累生成常數(shù))是表征配合物在溶液中穩(wěn)定性主要參數(shù)。

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第23頁這里將K1,K2稱為逐層生成常數(shù)(或逐層穩(wěn)定常數(shù))，

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第24頁(2)羥基對重金屬離子配合作用

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第25頁

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第26頁468101214-10-8-6-4-201.00.80.60.40.20.0百分比lg[OH-]pH圖6-6Cd2+-OH-配合離子在不一樣pH值下分布（陳靜生編，1987）Cd(OH)3-Cd2+Cd(OH)42-CdOH+Cd(OH)2

4.水中無機污染物遷移轉(zhuǎn)化第27頁5.1分配作用有機化合物在土壤中吸著存在兩種機理:(1)分配作用:在水溶液中,土壤有機質(zhì)對有機化合物溶解作用.作用力:范德華力(2)吸附作用:在非極性有機溶劑中,土壤礦物質(zhì)對有機化合物表面吸附作用或干土壤礦物質(zhì)對有機化合物表面吸附作用.作用力:各種化學鍵力(氫鍵/離子偶極鍵/配位鍵/pi鍵)

5.水中有機污染物遷移轉(zhuǎn)化第28頁5.2揮發(fā)作用揮發(fā)作用是有機質(zhì)從溶解態(tài)轉(zhuǎn)入氣相主要遷移過程.假如有毒物質(zhì)含有“高揮發(fā)性”,那么揮發(fā)作用將在影響有毒物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化和歸趨等方面飾演非常主要作用.

5.水中有機污染物遷移轉(zhuǎn)化第29頁

5.水中有機污染物遷移轉(zhuǎn)化5.3水解作用有機毒物與水反應是X-基團與OH-基團交換過程：在水體環(huán)境條件下，可能發(fā)生水解官能團有烷基鹵、酰胺、胺、氨基甲酸脂羧酸脂、環(huán)氧化物、腈、磷酸脂、磺酸脂、硫酸脂等。第30頁

5.水中有機污染物遷移轉(zhuǎn)化水解反應結(jié)果改變了原有化合物化學結(jié)構(gòu)，水解產(chǎn)物毒性、揮發(fā)性和生物或化學降解性均可能發(fā)生改變。第31頁

光解作用是真正意義上有機物分解過程，它不可逆改變了有機物分子結(jié)構(gòu)。

陽光供給水環(huán)境大量能量，吸收了太陽光能物質(zhì)可將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。吸收了紫外和可見光譜一定能量分子，可得到有效能量進行化學反應，如光分解反應，它強烈影響水環(huán)境中一些污染物歸趨。

5.水中有機污染物遷移轉(zhuǎn)化5.4光解作用第32頁污染物光解速率依賴于許多化學和環(huán)境原因，其中主要取決于太陽光輻射。地球上統(tǒng)計到太陽輻射最短波長約為286nm，作為環(huán)境過程，當然只關心有機物吸收大于286nm波長光后所產(chǎn)生光解過程。

5.水中有機污染物遷移轉(zhuǎn)化第33頁

5.水中有機污染物遷移轉(zhuǎn)化光解過程普通可分為三類：

直接光解

化合物直接吸收太陽能進行分解反應。

光敏化反應(又稱間接光解過程)水體中天然有機物質(zhì)（腐殖酸，微生物等），被太陽光激發(fā)，又將其激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)給化合物造成分解反應。光氧化反應

水中天然物質(zhì)因為接收輻射產(chǎn)生了自由基或純態(tài)氧中間體，它們又與化合物作用。第34頁

5.水中有機污染物遷移轉(zhuǎn)化5.5生物降解作用有