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文檔簡介
天然水環(huán)境化學(xué)
目錄天然水基本特征天然水的性質(zhì)水質(zhì)指標(biāo)水體污染和自凈水分子:水分子的結(jié)構(gòu)式是H2O,實際上H有三種同位素1H(氕H)、2H(氘D)、3H(氚T)、氧有三種同位素16O、17O、18O,所以水實際上是18種水分子的混合物C32C31=18?!ぎ?dāng)然H2O是最普通的水分子(包括H216O(99.73%)、H217O(0.18%)、H218O(0.037%),總量占99.937%。其余的水是重水(包括D216O、D217O、D218O)和超重水(包括T216O、T217O、T218O。(一)、天然水的基本特征天然水系的類別:1、天然水的組成(離子、溶解氣體、水生生物和細菌等)
天然水是含有可溶性物質(zhì)和懸浮物的一種天然溶液??扇苄晕镔|(zhì)非常復(fù)雜,主要是巖石風(fēng)化過程中,經(jīng)過水文地球化學(xué)和生物地球化學(xué)的遷移、搬運到水中的地殼礦物質(zhì)。包括:懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、溶解物質(zhì)(氣體、離子)、水生生物等。(1)、天然水中的主要離子組成
天然水中常見的八大離子:K+、Ca2+、Na+、Mg2+、HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-。八大離子占天然水中離子總量的95%-99%。
除上述的八大離子之外,還有H+、OH-、NH4+、HS-、S2-、NO2-、NO3-、HPO4-、PO43-、Fe2+、Fe3+等。
一般水體中的特征離子海水中:一般Na+、Cl-占優(yōu)勢;湖水中:Na+、Cl-、SO42-占優(yōu)勢;地下水硬度高,就是其中Ca2+、Mg2+含量高,苦水或咸水地區(qū),地下水中Na+、HCO3-含量較高;河水中含有的部分Na+和大部分的Ca2+。礦化過程:天然水中主要離子成分的形成過程,稱為礦化過程;礦化度:礦化過程中進入天然水體中的離子成分的總量,以溶解總固體(TDS)表示一般天然水中的TDS可以表示為:TDS=[Ca2++Mg2++Na++K++Fe2++Al3+]+[HCO3-+SO42-+Cl-+CO32-+NO3-+PO43-]總含鹽量(TDS):TDS≈[Ca2++Mg2++Na++K+]+[HCO3-+SO42-+Cl-]例子:天然水中溶解的金屬離子
水溶液中金屬離子的表示式常寫成Mn+,預(yù)示著是簡單的水合金屬陽離子M(H2O)xn+。例如,鐵可以Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+、Fe3+等形態(tài)存在。這些形態(tài)在中性(pH=7)水體中的濃度可以通過平衡常數(shù)加以計算:Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+[Fe(OH)2+][H+]/[Fe3+]=8.9×10-4
[Fe(OH)2+][H+]2/[Fe3+]=4.9×10-7
[Fe2(OH)24+][H+]2/[Fe3+]2=1.23×10-3
假如存在固體Fe(OH)3(s),則Fe(OH)3(s)+3H+=Fe3++3H2O[Fe3+]/[H+]3=9.1×103在pH=7時:[Fe3+]=9.1×103×(1.0×10-7)3=9.1×10-18mol/L將這個數(shù)值代入上面的方程式中,即可得出其他各形態(tài)的濃度:[Fe(OH)2+]=8.1×10-14mol/L[Fe(OH)2+]=4.5×10-10mol/L[Fe2(OH)24+]=1.02×10-23mol/L(2)、天然水中溶解的重要氣體天然水中溶解的氣體有氧氣、二氧化碳、氮氣、甲烷、氮氣等亨利定律X(g)?X(aq)在一定溫和平衡狀態(tài)下,一種氣體在液體里的溶解度和該氣體的平衡壓力成正比。[X]aq=KHpxKH是各種氣體在一定溫度下的亨利定律常數(shù)(mol·L-1·Pa-1)
i在亨利定律中所研究的溶質(zhì)在氣相和溶劑中的分子狀態(tài)必須相同,如CO2。CO2溶解在水中可以存在多種形態(tài):CO2(aq)、HCO3-、CO32-、H2CO3等,在亨利定律表達式中計算的濃度只包含CO2(aq)這一種形態(tài)。ii對于混合氣體體系,當(dāng)壓力不是很大時,亨利定律對每種氣體都分別適用,與另一種氣體的壓力無關(guān)。注意:例子:氧在水中的溶解度與水的溫度、氧在水中的分壓及水中含鹽量有關(guān)。氧在1.0130×105Pa、25℃(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))飽和水中的溶解度,可按下面步驟計算。(1)水在25℃時的蒸汽壓為0.03167×105Pa,由于干空氣中氧的含量為20.95%,所以氧的分壓為:=(1.0130-0.03167)×105×0.2095=0.2056×105Pa(2)代入亨利定律即可求出氧在水中的摩爾濃度為:[O2(aq)]=KH·PO2=1.26×10-8×0.2056×105=2.6×10-4mol/L
氧的分子量為32,因此其溶解度為8.32mg/L。(3)、水生生物
水生生物可直接影響許多物質(zhì)的濃度,其作用有代謝、攝取、轉(zhuǎn)化、存儲和釋放等。水生生態(tài)系統(tǒng)生存的生物體,可以分為自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物。自養(yǎng)生物利用太陽能或化學(xué)能量,把簡單、無生命的無機物元素引進至復(fù)雜的生命分子中即組成生命體。異養(yǎng)生物利用自養(yǎng)生物產(chǎn)生的有機物作為能源及合成它自身生命的原始物質(zhì)。
生產(chǎn)率:水體產(chǎn)生生物體的能力稱為生產(chǎn)率。生產(chǎn)率是由化學(xué)的及物理的因素相結(jié)合而決定的。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,這種情況常被稱為富營養(yǎng)化。(4)、細菌等其他微生物細菌的特點是形體十分微小,內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)簡單,大多是單細胞;水環(huán)境中主要微生物:原生動物、藻類、真菌、放線菌、細菌;細菌等微生物關(guān)系到水環(huán)境自然凈化和廢水生物處理過程的重要的微生物群體;一般污水處理中,根據(jù)氧化過程需要氧的不同,分為:厭氧菌(油酸菌、甲烷菌)、好氧菌(醋酸菌、亞硝酸菌)、兼氧菌(乳酸菌);2、天然水的來源(1)大氣降水·溶解的氧氣、氮氣、二氧化碳是飽和或過飽和的;含鹽量很小,一般小于50mg/L,近海以Na+、Cl-為主,內(nèi)陸以Ca2+、HCO3-、SO42-;一般含有氮的化合物,如二氧化氮、氨、硝酸、亞硝酸等(閃電、生物釋放);降水pH=5-7;(2)海水
·
礦化度很高,35g/L,海洋蒸發(fā)濃縮,大陸帶來鹽分化學(xué)組成比較恒定,海水太多,離子變化影響不大;海水pH=8-8.3;(3)河水
礦化度低,一般100-200mg/L,不超過500mg/L,一般Ca2+>Na+,HCO3->SO42->Cl-;河水化學(xué)成分易變,隨著時間和空間變化,例如汛期和非汛期,流經(jīng)不同的地區(qū)等河水溶解氧一般夏季6-8mg/L,冬季8-10mg/L;河水二氧化碳夏季1-5mg/L,冬季20-30mg/L(光合作用減弱,補給地下水含二氧化碳多);(4)湖泊水
礦化度比河水高,其中內(nèi)流湖又高于外流湖;不同區(qū)域湖水成分差別極大。鉀鹽、鈉鹽、鋁鹽、芒硝(NaNO3)、石膏(CaSO4)等等;礦化度也差別極大(淡水湖(<1g/L)、咸水湖(1-35g/L)、鹽湖(>35g/L))。(5)地下水化學(xué)成分復(fù)雜,礦化度高;(與不同的巖石、土壤長時間接觸)化學(xué)類型多樣,深層地下水化學(xué)成分比較穩(wěn)定,生物作用對地下水作用影響不大,地下水一般溶解氧含量低,水溫不受大氣影響。(二)、天然水的性質(zhì)1、天然水中的堿度和酸度(1)水的堿度:水接受質(zhì)子能力的量度,指水中能與強酸發(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。堿度的主要形態(tài)為:OH-、CO32-、HCO3-。強堿,如NaOH、Ca(OH)2等,在溶液中全部電離生成OH-離子;弱堿,如NH3、C6H5NH2等,在水中一部分發(fā)生反應(yīng)生成OH-離子;強堿弱酸鹽,如各種碳酸鹽、重碳酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、硫化物和腐
殖酸鹽等,它們水解時生成OH-或者直接接受質(zhì)子H+。在測定已知體積水樣堿度時,可用一個強酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,用甲基橙為指示劑,當(dāng)溶液由黃色變?yōu)槌燃t色(pH約4.3),停止滴定,此時所得的結(jié)果稱為總堿度,也稱為甲基橙堿度。H++OH-H2OH++CO32-HCO3-H++HCO3-H2CO3(2)酸度:在測定已知體積水樣酸度時是指水中能與強堿發(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。酸度的主要形態(tài)為:H+、H2CO3*、HCO3-。強酸,如HCl、H2SO4、HNO3等;弱酸,如CO2及H2CO3、H2S、蛋白質(zhì)以及各種有機酸類;強酸弱堿鹽,如FeCl3、Al2(SO4)3等。
以強堿滴定含碳酸水溶液測定其酸度時,其反應(yīng)過程與上述相反。以甲基橙為指示劑滴定到pH=4.3,得到無機酸度2、天然水的緩沖能力天然水體的pH值一般在6-9之間,而且對于某一水體,其pH幾乎保持不變,這表明天然水體具有一定的緩沖能力,是一個緩沖體系。對于碳酸水體系,當(dāng)pH<8.3時,可以只考慮一級碳酸平衡,故其pH值可由下式確定:如果向水體投入△B量的堿性廢水時,相應(yīng)由△B量H2CO3*轉(zhuǎn)化為HCO3-,水體pH升高為pH',則:水體中pH變化為△pH=pH'-pH,即:(3)酸堿化學(xué)理論在水處理中的應(yīng)用
對于堿性廢水,可采用酸堿廢水相互中和、加酸中和或煙道氣中和的方法處理,因為煙道氣中含有CO2,SO2,H2S等酸性氣體,故利用煙道氣中和堿性廢水是一種經(jīng)濟有效的方法。例如,印染廢水(一般堿性)常采用加酸的方法處理。常用的酸有硫酸和鹽酸,其中工業(yè)硫酸價格較低,應(yīng)用較多。
在用強酸中和堿性廢水時,當(dāng)水的緩沖強度較小時,pH難于控制,英國采用CO2取代工業(yè)硫酸,取得很好的效果。二氧化碳的費用較無機酸更為低廉,還有許多優(yōu)點:安全、靈活、可靠、易操作和便于工藝管理。水質(zhì)、水量和水能是度量水資源可利用價值的三個重要指標(biāo)。水質(zhì)指標(biāo)指水樣中除水分子外所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量或濃度。天然水(也兼及各種用水、廢水)的水質(zhì)指標(biāo),可分為物理、化學(xué)、生物、放射性四大類。物理指標(biāo):水溫,pH值、色度、濁度、懸浮物化學(xué)指標(biāo):硫酸鹽、氯化物、總鐵(TFe)、總砷(TAs)、總鋅(TZn)、總氮(TN)、總磷(TP)、總鉛(TPb)、總氰化物(TCN)、溶解氧、電導(dǎo)率、硬度、堿度、CODMn(高錳酸鹽法)、CODcr(重鉻酸鉀法)、BOD5、BOD20、TOD(總需氧量)。(三)、水質(zhì)指標(biāo)生物指標(biāo):細菌總數(shù)、藻類、總大腸桿菌。放射性指標(biāo):放射性物質(zhì)濃度水平(60Co(鈷)、90Sr(鍶)、106Rn(氡)、137Cs(銫))??偊练派湫裕˙q/L)、總β放射性(Bq/L)四、水體污染和自凈(1)水體污染由于人類活動排放的污染物進入河流、湖泊、海洋或地下水等水體,使水和水體底泥的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物群落組成發(fā)生變化,從而降低了水體的使用價值,這種現(xiàn)象稱為水體污染。(2)水體自凈指受污染的水體由于物理、化學(xué)、生物等方面的作用,使污染物濃度逐漸降低,經(jīng)物理自凈污染物進入水體一段時間后恢復(fù)到受污染前狀態(tài)的過程?;瘜W(xué)自凈污染物進入水體后經(jīng)絡(luò)合、氧化還原、沉淀反應(yīng)等而得到凈化。生物自凈在生物的作用下,污染物的數(shù)量減少,濃度下降,毒性減輕或消失.(3)水體中的污染物水體污染包括無機和有機有毒物質(zhì)、耗氧有機物、石油類、放射性物質(zhì)、熱污染以及病原微生物等。a:有毒污染物質(zhì)是指進入生物體后累積到一定數(shù)量能使體液和組織發(fā)生生化和生理功能的變化,引起暫時或特久的病理狀態(tài),甚至危及生命的物質(zhì)。有毒污染物類型:(1)重金屬(2)無機陰離子(3)致癌有機物質(zhì)(4)一般有機物質(zhì)。b:耗氧污染物耗氧有機物濃度常用單位體
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