水环境化学 (2)精.ppt
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1、水环境化学第1页,本讲稿共148页 人类的生存离不开水,人体的人类的生存离不开水,人体的59-66由水组成工农业生产也由水组成工农业生产也离不开水水的环境化学涉及环境离不开水水的环境化学涉及环境科学各个方面科学各个方面,是环境化学的最基本是环境化学的最基本最重要的内容。最重要的内容。一一、天然水的基本特征、天然水的基本特征第2页,本讲稿共148页 1水的数量和分布水的数量和分布地球上水的总量是巨大的,地球上水的总量是巨大的,达到达到1.41021kg淡水占总水量的淡水占总水量的2.7。第3页,本讲稿共148页但是这些淡水的但是这些淡水的99却难以直接被人们利却难以直接被人们利用因为地球南、北极
2、的冰帽和高山的冰川用因为地球南、北极的冰帽和高山的冰川储存了淡水的储存了淡水的77%,地下水占,地下水占22,容易,容易利用的江河湖水及浅层地下水仅约占总淡水利用的江河湖水及浅层地下水仅约占总淡水量的量的1人们正是利用这些少量淡水,解人们正是利用这些少量淡水,解决生活和工农业生产的用水要求决生活和工农业生产的用水要求 分布分布第4页,本讲稿共148页 我国淡水资源年供应量约为我国淡水资源年供应量约为我国淡水资源年供应量约为我国淡水资源年供应量约为2.8102.81015kgkg,居世界各,居世界各,居世界各,居世界各国的第六位但由于人口众多,国土辽阔,平均国的第六位但由于人口众多,国土辽阔,平
3、均国的第六位但由于人口众多,国土辽阔,平均国的第六位但由于人口众多,国土辽阔,平均每人占有的水资源量远远低于世界的平均水平每人占有的水资源量远远低于世界的平均水平每人占有的水资源量远远低于世界的平均水平每人占有的水资源量远远低于世界的平均水平我国水资源的分布随地域和季节有很大差异洪我国水资源的分布随地域和季节有很大差异洪我国水资源的分布随地域和季节有很大差异洪我国水资源的分布随地域和季节有很大差异洪涝灾害和干旱缺水在我国普遍而经常地出现供涝灾害和干旱缺水在我国普遍而经常地出现供涝灾害和干旱缺水在我国普遍而经常地出现供涝灾害和干旱缺水在我国普遍而经常地出现供水短缺,将是我国在水短缺,将是我国在水
4、短缺,将是我国在水短缺,将是我国在21世纪所面临的重大问题世纪所面临的重大问题世纪所面临的重大问题世纪所面临的重大问题第5页,本讲稿共148页 当前我国解决水短缺的基本措施是:当前我国解决水短缺的基本措施是:当前我国解决水短缺的基本措施是:当前我国解决水短缺的基本措施是:(1)巩巩巩巩固固固固和和和和改改改改善善善善现现现现有有有有水水水水利利利利工工工工程程程程,疏疏疏疏浚浚浚浚河河河河湖湖湖湖,并并并并新新新新建建建建必必必必要的工程,要的工程,要的工程,要的工程,增强蓄水增强蓄水增强蓄水增强蓄水、防洪和供水能力、防洪和供水能力、防洪和供水能力、防洪和供水能力(2)加强加强加强加强污水处理
5、污水处理污水处理污水处理,有效保护水源,有效保护水源,有效保护水源,有效保护水源(3)(3)注注注注意意意意节节约约用用水水和和和和综综综综合合合合利利利利用用用用水水水水源源源源,提提提提高高高高水水水水的的的的使使使使用用用用价价价价值值值值(4)加强加强加强加强水资源的管理水资源的管理水资源的管理水资源的管理 长长远远的的根根本本措措施施:除除切切实实做做好好上上述述几几点点外外,要要加加强强种树种草,绿化国土,保持水土种树种草,绿化国土,保持水土第6页,本讲稿共148页A 硬水及其软化硬水及其软化 工工工工业业业业上上上上把把把把含含含含有有有有可可可可溶溶溶溶性性性性的的的的钙钙钙钙
6、、镁镁镁镁和和和和铁铁铁铁盐盐盐盐的的的的水水水水叫叫叫叫做做做做硬硬硬硬水水水水硬硬硬硬水水水水中中中中存存存存在在在在的的的的阴阴阴阴离离离离子子子子一一一一般般般般是是是是ClCl-,SO4 42-,HCOHCO3-等等等等 水水水水的的的的硬硬硬硬度度度度标标标标准准准准是是是是指指指指 l l dmdm3 3水水中中含含MgOMgO和和和和CaOCaO的的的的总总总总量量量量相当于相当于相当于相当于10mgCaO10mgCaO,则定为,则定为112 水中的天然成分水中的天然成分(1)可溶性物质)可溶性物质主要的成分为:主要的成分为:K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NO3-、HCO3
7、-、SO42-、Cl-第7页,本讲稿共148页例如例如,l dm,l dm3 3水中含水中含水中含水中含CaOCaO为为为为100mg100mg,MgOMgO为为为为50mg50mg,则该,则该,则该,则该水的硬度可计算如下:水的硬度可计算如下:水的硬度可计算如下:水的硬度可计算如下:CaOCaO:100mg100mg10mg10 MgO MgO:(50mg(50mg/M/MMgOMgO)(M(MCaOCaO)/10mg)/10mg50mg 50mg (56gmol(56gmol-1)-1)/(40gmol/(40gmol-1)/10mg)/10mg 7 7 该水硬度为该水硬度为17 17 第
8、8页,本讲稿共148页通常规定水的硬度如下:通常规定水的硬度如下:通常规定水的硬度如下:通常规定水的硬度如下:04 48 804 48 8一一16 1630 16 1630 30 很软水很软水 软水软水 中硬水中硬水 硬水硬水 很硬水很硬水 含含含含HCOHCO3 3-的的水水称称为为暂暂时时硬硬水水,因因加加热热时时它它会会发发生生如如下化学反应而使之软化:下化学反应而使之软化:CaCa2+2+2HCO+2HCO3 3-CaCOCaCO3 +CO+CO2 2+H H2 2OO 含含含含ClCl-,SOSO42-的水不能通过加热除去,叫的水不能通过加热除去,叫的水不能通过加热除去,叫的水不能通
9、过加热除去,叫永久硬水永久硬水永久硬水永久硬水 第9页,本讲稿共148页硬水有硬水有两大危害两大危害两大危害两大危害:i)Cai)Ca2+2+、Mg2+2+、FeFe2+2+等离子能和肥皂等离子能和肥皂等离子能和肥皂等离子能和肥皂(C1717H35COONa)产生产生产生产生沉淀沉淀沉淀沉淀(C17H3535COO)COO)2 2CaCa,能和许多化学试剂配位络合,影,能和许多化学试剂配位络合,影,能和许多化学试剂配位络合,影,能和许多化学试剂配位络合,影响产品的品质响产品的品质响产品的品质响产品的品质 ii)ii)暂时硬水加热时产生的碳酸盐在锅炉内壁上形成锅垢,不暂时硬水加热时产生的碳酸盐在
10、锅炉内壁上形成锅垢,不暂时硬水加热时产生的碳酸盐在锅炉内壁上形成锅垢,不暂时硬水加热时产生的碳酸盐在锅炉内壁上形成锅垢,不但阻碍传热,消耗燃料,而且会堵塞管道,导致爆炸但阻碍传热,消耗燃料,而且会堵塞管道,导致爆炸但阻碍传热,消耗燃料,而且会堵塞管道,导致爆炸但阻碍传热,消耗燃料,而且会堵塞管道,导致爆炸第10页,本讲稿共148页水的软化水的软化 将将将将钙钙钙钙、镁镁镁镁等等等等可可可可溶溶溶溶盐盐盐盐从从从从硬硬硬硬水水水水中中中中除除除除去去去去的的的的过过过过程程程程叫叫叫叫做做做做水水水水的的的的软软软软化化化化软化方法很多,例如:软化方法很多,例如:软化方法很多,例如:软化方法很多
11、,例如:a)a)加加入入药药剂剂软软化化法法加加加加入入入入一一一一定定定定数数数数量量量量的的的的碳碳碳碳酸酸酸酸钠钠钠钠、石石石石灰灰灰灰乳乳乳乳Ca(OH)Ca(OH)2 2、磷磷磷磷酸酸酸酸三三三三钠钠钠钠(Na(Na3PO4 4)、磷磷磷磷酸酸酸酸二二二二氢氢氢氢钠钠钠钠(NaH2 2PO4 4),使钙、镁离子沉淀出来使水软化:,使钙、镁离子沉淀出来使水软化:CaSOCaSO4 4+Na2 2COCO3 3 CaCO3 +Na2 2SOSO4 4 Ca(HCO Ca(HCO3 3)2 2+Ca(OH)+Ca(OH)2 2CaCO 2CaCO3 3 +2H2H2 2OO 3Ca2+2
12、Na+2 Na3POPO4 4 Ca Ca3 3(PO4)2 2 +6Na6Na+若若若若在在在在水水水水中中中中加加加加入入入入少少少少量量量量三三三三聚聚聚聚磷磷磷磷酸酸酸酸钠钠钠钠(Na(Na5 5P3 3OO1010),它它将将和和硬硬水水中中的的CaCa2+2+,MgMg2+络络合合,不不不不再再再再和和和和肥肥肥肥皂皂皂皂产产产产生生生生沉沉沉沉淀淀淀淀,也也也也不不不不会会会会生生生生成成成成锅锅锅锅垢垢垢垢第11页,本讲稿共148页 b)离子交换软化法离子交换软化法离子交换软化法离子交换软化法 使使水水通通过过钠钠型型的的聚聚苯苯乙乙烯烯磺磺酸酸型型离离子子交交换换树树脂脂,使
13、使水水中中CaCa2+2+置置换换树树脂脂上上的的NaNa+而而而而除除除除去去去去Ca2+2+当当当当树树树树脂脂脂脂被被被被CaCa2+2+饱饱饱饱和和和和而而而而失失失失去去去去交交交交换换换换能能能能力力力力时时时时,通通通通浓浓浓浓食食食食盐盐盐盐水让水让水让水让NaNa+置换置换Ca2+2+而再生。而再生。而再生。而再生。第12页,本讲稿共148页从从从从长长长长远远远远看看看看,海海海海水水水水最最最最有有有有价价价价值值值值的的的的组组组组分分分分是是是是淡淡淡淡水水水水海海海海水水水水淡淡淡淡化已在某些地区进行工业化生产主要方法有二:化已在某些地区进行工业化生产主要方法有二:
14、化已在某些地区进行工业化生产主要方法有二:化已在某些地区进行工业化生产主要方法有二:一一一一.蒸馏法脱盐蒸馏法脱盐 充分利用热能的物理过程;充分利用热能的物理过程;充分利用热能的物理过程;充分利用热能的物理过程;二二二二.反反渗渗透透法法脱脱盐盐 依依靠靠选选择择性性薄薄膜膜(如如醋醋酸酸纤纤维维素素膜膜),只只只只让让让让水水水水通通通通过过过过而而而而不不不不让让让让盐盐盐盐通通通通过过过过,将将将将盐盐盐盐水水水水加加加加压压压压(大大大大于于于于3MPa)3MPa)超超过过海海水水渗渗透透压压,盐盐不不能能通通过过,水水可可通通过过,就得到淡水就得到淡水B 海水海水第13页,本讲稿共1
15、48页反渗透法脱盐示意图反渗透法脱盐示意图海水海水含盐多的海水含盐多的海水淡水淡水3MPaH2O第14页,本讲稿共148页(2)水中的气体)水中的气体水中氧溶量水中氧溶量 天天然然水水中中一一般般溶溶入入的的气气体体有有O2,CO2,N2,H2S,CH4等等,其其中中最最重重要要的的是是O2和和CO2可用亨利定律可用亨利定律(Henry(Henrys law)s law)表示:表示:P Pg g K KH HC Cequilequil式中:式中:P Pg g 溶液中溶质在气相中的平衡分压,溶液中溶质在气相中的平衡分压,kPakPa;K KH H 亨利常数,亨利常数,kPakPam m3 3/g
16、/g;C Cequilequil 液相中污染气体的浓度,液相中污染气体的浓度,g/mg/m3 3。C Cequilequil K KH H P Pg g第15页,本讲稿共148页表31 25时一些气体在水中的亨利定律常数气体KHmol/(LPa)气体KHmol/(LPa)O2O3CO2CH4C2H4H2H2O21.2610-89.1610-83.3410-71.3210-84.8410-87.8010-97.0110-1N2NONO2HNO2HNO3NH3SO26.4010-91.9710-89.7410-84.8410-42.076.1210-41.2210-5第16页,本讲稿共148页例例
17、例例;与与与与水水水水接接接接触触触触大大大大气气气气压压压压力力力力101.325101.325千千千千帕帕帕帕时时时时,计计计计算算算算2525时时时时氧氧氧氧气气气气在在在在水水水水中中中中溶溶溶溶解解解解度(度(度(度(mg/Lmg/L)?)?)?)?2525水的饱和蒸汽压为水的饱和蒸汽压为水的饱和蒸汽压为水的饱和蒸汽压为3.1673.167千帕。千帕。千帕。千帕。解解解解:查查查查出出出出2525时时时时KKHH=1.263310=1.263310-5-5mol/mol/升升升升 千千千千帕帕帕帕,OO2 2在在在在干干干干空空空空气气气气中的含量为中的含量为中的含量为中的含量为20
18、.95%20.95%(V/VV/V)。)。)。)。氧氧氧氧气气气气在在在在空空空空气气气气中中中中分分分分压压压压为为为为PoPo2 2=(P-PP-PH2OH2O)V/VV/V总总总总=(101.325-3.167101.325-3.167)0.2095=20.56220.2095=20.5622(千帕)(千帕)(千帕)(千帕)根据亨利定律,根据亨利定律,根据亨利定律,根据亨利定律,OO2 2=1.263310=1.263310-5-520.56223220.562232 =8.31 =8.31(mg/Lmg/L)水中溶解氧的数量水中溶解氧的数量DO(dissolvedoxygen)是水质是
19、水质的重要指标的重要指标第17页,本讲稿共148页碳酸平衡碳酸平衡 在水体中存在着CO2、H2CO3、HCO3-、CO32等四种化合态,常把CO2、H2CO3合并为H2CO3,H2CO3含量极低,主要是溶解性气体CO2。第18页,本讲稿共148页图32第19页,本讲稿共148页 All gases are also in a equilibrium between air and waterCalculate HCO3-,CO32-and H2CO3 when the pH is known.Carbonate equilibrium in Natural Water Systems:Carb
20、onate equilibrium in Natural Water Systems:第20页,本讲稿共148页Compounds that are sparingly soluble in water are in equilibrium between an ionic form and a non-ionic form.Calcium carbonate is an example of such a substanceThe equilibrium expression that governs this reaction is called the solubility produc
21、t,or Ksp.Ksp is a constant value for any substance,and if known,can be used to calculate the solubility of that substance in water.For Calcium Carbonate:第21页,本讲稿共148页The solubility of calcium carbonate in pure water(in a system not exposed to air and ignoring reactions with water)can be calculated a
22、s follows:Let X be the concentration of Ca2+in solution-at equilibrium since the number of moles of Ca2+is equal to the number of moles of CO32-,X is also equal to the number of moles of CO32-.Then:第22页,本讲稿共148页Therefore,the solubility of calcium carbonate in water if not open to the air,is 6.69 x 1
23、0-5 moles CaCO3/Liter.By allowing the water to mix with air,the value for CO32-would change to reflect CO32-from dissolved calcium carbonate and from CO32-from dissolved carbon dioxide.第23页,本讲稿共148页(3 3)水中异相物质)水中异相物质悬浮(suspended)、悬浮固体的尺寸较大时,可以通过沉降或过滤从水中除去,此时有固液两相存在。藻(alga)第24页,本讲稿共148页细菌(bacterium)属
24、于尺寸较小的悬浮固体,大小约0.11.0m之间。可被玻璃纤维滤盘(glass fiber filter disc)分离的固体颗粒,称为悬浮颗粒,也称为可过滤颗粒(filterable solids)。胶体(colloidal)胶体颗粒的尺寸介于溶解性物质与悬浮固体之间。胶体颗粒会产生丁达尔(Tyndall)现象第25页,本讲稿共148页水的特性1常温常压条件的三态变化2异常热力学性质 较高的热稳定性 异常物理性质包括沸点高、蒸发热大、热容高 3 特殊的体温效应 4异常的表面张力 5水的良好溶解作用 6适中的化学活性 第26页,本讲稿共148页二二 水体的污染水体的污染 水水水水体体体体是是是是
25、指指指指水水水水和和和和水水水水中中中中溶溶溶溶解解解解物物物物质质质质、水水水水中中中中悬悬悬悬浮浮浮浮物物物物质质质质、水水水水生生生生生生生生物物物物和和和和底泥的总称底泥的总称底泥的总称底泥的总称水体污染与自净水体污染与自净水体污染与自净水体污染与自净水体污染水体污染水体污染水体污染水水水水体体体体污污污污染染染染是是是是指指指指水水水水体体体体中中中中污污污污染染染染物物物物的的的的含含含含量量量量超超超超过过过过水水水水体体体体的的的的本本本本体体体体含含含含量量量量及及及及其其其其自自自自净净净净能能能能力,造成水质恶化,破坏水体的正常功能,降低水体的使用价值力,造成水质恶化,破
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