水环境化学学习.pptx

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1、2023/3/261第二章 水环境化学 第一节天然水的水质标准天然水的水质标准第1页/共66页2023/3/262物理性质指标物理性质指标 温度、嗅味 色度(1单位=1mgPt+0.5mgCo颜色/L)浊度(1=1mg白陶土/L所产生的浑浊度)第2页/共66页2023/3/263l悬浮物（坩埚抽滤恒重法）l电导率S/cmlpH值l氧化还原电位物理性质指标物理性质指标第3页/共66页2023/3/264化学性质指标（化学性质指标（I I）酸度、碱度硬度重金属 Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、Fe、As、Cr、Tl、Ni、Be 第4页/共66页2023/3/265 化学性质指标（化学性质指标（III

2、I）三氧和总氧 溶解氧（DO）Dissolved Oxygen 溶解于水中的分子态氧 mg/L 化学需氧量（COD）Chemical Oxygen Demand 氧化水中有机物(或其它还原性物质)所需化学氧化剂的量，以氧的 mg/L计。第5页/共66页2023/3/266 常用的氧化剂有：重铬酸钾（CODCr），主要测定污染水体；高锰酸钾（CODMn），主要测定清洁水体或饮用水中的还原性物质，现常称作高锰酸钾指数。化学性质指标（化学性质指标（IIII）第6页/共66页2023/3/267 生物需氧量(BOD)Biochemical oxygen demand 好气条件下水中有机物被微生物所氧化

3、，在一定期间内所消耗的溶解氧的量单位mg/L，BOD5称五日生物耗氧量。化学性质指标（化学性质指标（IIII）第7页/共66页2023/3/268 总需氧量（TOC）Total Oxygen Demand 水中有机物完全氧化所需氧的量（燃烧法）化学性质指标（化学性质指标（IIII）第8页/共66页2023/3/269 无机碳和有机碳 游离的CO2(CO2+H2CO3)侵蚀性的CO2，包括碳酸盐总有机碳(TOC)（燃烧法）Total organic carbon 三氮 NH3-N,NO2-N,NO3-N化学性质指标（化学性质指标（IIII）第9页/共66页2023/3/2610 有机污染物 挥发

4、性酚、农药残留、洗涤剂、多环芳烃、多氯联苯等化学性质指标（化学性质指标（IIII）第10页/共66页2023/3/2611 水中总大肠杆菌群 指能在35，48h内发酵乳糖、产酸产气的、需氧的及兼性厌氧的革兰氏阴性的无芽孢杆菌。生物性质指标生物性质指标第11页/共66页2023/3/2612第二节 天然水的组成和基本特征 一、天然水的组成1.主要离子组成 Ca2+Mg2+H+Na+K+HCO3-CO32-OH-SO42-Cl-NO3-总含盐量（TDS）=Ca2+Mg2+Na+K+HCO3-+SO42-+Cl-第12页/共66页2023/3/2613水中金属离子以M(H2O)xn+以及各种络合态化

5、合物存在。以金属Fe为例，在中性水体中各形态存在如下平衡:(1)(2)(3)2.水中金属离子第13页/共66页2023/3/2614 如果考虑到存在固体 Fe(OH)3(S)，则(4)当pH=7时,2.水中金属离子第14页/共66页2023/3/2615 将这一数据代入上面的方程中，即可得到其它各形态的浓度：Fe(OH)2+=8.11014 mol.L-1Fe(OH)2+=4.51010 mol.L-1Fe2(OH)24+=1.021023 mol.L-12.水中金属离子第15页/共66页2023/3/2616 气体在水中的溶解度服从亨利定理，即：一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种

6、气体的分压。3.气体在水中的溶解性第16页/共66页2023/3/2617则溶于水的气体的量为：G(aq)=KHPGKH气体在一定温度下的亨利定理常数(mol/L.Pa)PG各种气体的分压(Pa)3.气体在水中的溶解性第17页/共66页2023/3/2618 溶解的气体若有进一步的化学反，如：CO2+H2O=H+HCO3-SO2 +H2O=H+HSO3-则亨利定律并不能说明进一步的化学反应。3.气体在水中的溶解性第18页/共66页2023/3/2619计算示例 氧在水中的溶解度：(25)PO2=(1.0130-0.03167)1050.2095=0.2056105（Pa）O2(aq)=KHPo

7、2=1.261080.2056105=2.610-4mol.L-1氧的分子量32，溶解度 8.32 mg.L-1(DO)第19页/共66页2023/3/2620 二氧化碳在水中的溶解度：(25)Pco2=(1.0130-0.03167)1053.1410-4=30.8(Pa)CO2(aq)=KHPco2=3.3410-730.8=1.02810-5mol.L-1计算示例第20页/共66页2023/3/2621CO2在水中离解，则：H+=HCO3-=4.4510-7H+=（1.02810-54.4510-7）1/2=2.1410-6mol.L-1pH=5.67计算示例第21页/共66页2023/

8、3/2622 CO2在水中的溶解度：CO2+HCO3-=1.02810-5+2.1410-6=1.2410-5mol.L-1=0.55mg.L-1计算示例第22页/共66页2023/3/2623 水生生物直接影响水中许多物质的存在，具有代谢、摄取、转化、存储和释放等的作用。4水生生物第23页/共66页2023/3/2624 如藻类的生成和分解(p104)106CO2+16NO3+HPO42-+122H2O+18H+(痕量元素)(respiration)RP(photosynthesis)C106H263O110N16P+138O24水生生物第24页/共66页2023/3/2625自养生物利用太

9、阳能或化学能把简单无生命的无机物引进复杂的生命分子中，组成生命体。异养生物利用自养生物产生的有机物作为能源及合成它自身的原始物质。4水生生物第25页/共66页2023/3/2626 利用太阳能从无机矿物合成有机物的生物体称为生产者，水体产生生物体的能力称为生产率，生产率是由化学及物理的因素相结合而决定的。在高生产率的水体中藻类生产旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低，这就是水体的富营养化。4水生生物第26页/共66页2023/3/2627决定水体中生物的范围和种类的关键物质是氧，氧的缺乏使水生生物死亡，氧的存在杀死许多厌氧细菌，因此水中溶解氧的浓度(DO)是天然水体的重要参数。4水生生物第

10、27页/共66页2023/3/2628 生物需氧量（BOD）是水质的另一个重要参数，一个高BOD的水体，不可能很快补充氧气，显然不利于水生生物。水中的CO2的增多可引起过量藻类的生长，因此CO2常常是一个限制因素。4水生生物第28页/共66页2023/3/2629二、天然水的性质 1碳酸平衡在水生生物体之间的生物化学转化中，CO2占有独特的位置，同时对调节天然水pH值也起着重要作用。水体中可能存在的碳酸组分：CO2、CO32-、HCO3-、H2CO3(H2CO3*)第29页/共66页2023/3/2630水体中可能存在的碳酸平衡：CO2+H2O=H2CO3*pK0=1.46pKS=2.84H2

11、CO3*=H+HCO3-pK1=6.35HCO3-=H+CO32-pK2=10.33二、天然水的性质第30页/共66页2023/3/2631分布分数：二、天然水的性质第31页/共66页2023/3/2632HH2 2COCO3 3=C=CT T0 0，HCOHCO3 3-=C=CT T1 1，COCO3 32-2-=C=CT T2 2 二、天然水的性质第32页/共66页2023/3/2633以上为封闭体系，未考虑溶解性CO2与大气的交换，CT不变，其余各浓度变化。二、天然水的性质第33页/共66页2023/3/2634考虑到CO2在气液相之间的平衡H2CO3*不变。根据亨利定律：CO2(aq)

12、=KHPco2开放体系第34页/共66页2023/3/2635开放体系第35页/共66页2023/3/2636自己推导一下！自己推导一下！开放体系第36页/共66页2023/3/2637在开放体系中，H2CO3、CO32-、CT随pH而变化，H2CO3*保持与气相平衡的数值。各组分的浓度与CO2的分压、溶液的pH值有关。开放体系第37页/共66页2023/3/2638lgH2CO3*=lgCO2(aq)=lgKH+lgPco2=-4.9lgH2CO3=lgCO2(aq)+lgKS=-7.7（KS=H2CO3/CO2(aq)=10-2.8）开放体系的碳酸平衡第38页/共66页2023/3/263

13、9lgHCO3-=lgK1+lgH2CO3*+pH=-11.3+pHlgCO32-=lgK1+lgK2+lgH2CO3*+2pH=-21.6+pH开放体系的碳酸平衡第39页/共66页2023/3/2640第40页/共66页2023/3/2641假设只考虑雨水中的CO2溶解：CO2(g)+H2O=H2CO3*平衡时CO2形态占主要地位，H2CO3只占游离分子1%以下。例：计算雨水的pH值第41页/共66页2023/3/26421大气压，25时，可以近似看作：H2CO3*CO2已知：K1例：计算雨水的pH值第42页/共66页2023/3/2643 又：HH2 2COCO3 3*=K KH H Pc

14、oPco2 2 H+=mol/L=pH=5.66例：计算雨水的pH值第43页/共66页2023/3/26442 2天然水中的碱度和酸度 碱度 alkalinity 接受质子的总物质的量，包括强碱、弱碱及强碱弱酸盐。测定方法：酸碱滴定，双指示剂法 H+OH-=H2OH+CO32-=HCO3-(酚酞终点)H+HCO3-=H2CO3(甲基橙终点)第44页/共66页2023/3/2645总碱度=HCO3-+2CO32-+OH-H+（由H2CO3的质子条件PBE导出H+=OH-+HCO3-+2CO32-）酚酞碱度=OH-+CO32-H2CO3*H+（由HCO3-的质子条件PBE导出H+=OH-+CO32

15、-H2CO3*）2 2天然水中的碱度和酸度第45页/共66页2023/3/2646苛性碱度=OH-HCO3-2H2CO3*H+（由CO32-的质子条件PBE导出H+=OH-HCO3-2H2CO3*）2 2天然水中的碱度和酸度第46页/共66页2023/3/2647总碱度=CT(1+22)+KW/H+H+酚酞碱度=CT(2-0)+KW/H+H+苛性碱度=-CT(1+20)+KW/H+H+酸度 Acidity 总酸度、CO2酸度和无机酸度 （推导、表达方法同碱度）2 2天然水中的碱度和酸度第47页/共66页2023/3/2648某水体pH=8.00,碱=1.0010-3mol.L-1，计算该水体中

16、各碱度成分的浓度。HCO3-=碱度=1.0010-3mol.L-1，OH-=1.0010-6mol.L-1H2CO3*=H+HCO3-/K1（1）=1.0010-81.0010-3/4.4510-7=2.2510-5mol.L-1例 1 (p108)第48页/共66页2023/3/2649CO32-=K2HCO3-/H+（2）=4.6910-111.0010-3/1.0010-8=4.6910-6mol.L-1例 1 (p108)第49页/共66页2023/3/2650若水体 pH升高到10.00,碱度仍保持1.0010-3mol.L-1，再计算该水体中各碱度成分的浓度。碱度=HCO3-+2C

17、O32-+OH-(mol.L-1)OH-=1.0010-4mol.L-1例 2第50页/共66页2023/3/26511.0010-3=HCO3-+2CO32-+1.0010-4CO32-=0.469HCO3-HCO3-+0.469HCO3-2=0.0009例 2第51页/共66页2023/3/2652HCO3-=4.6410-4mol.L-1CO32-=2.1810-4mol.L-1对总碱度的贡献仍为1.0010-3mol.L-1例 2第52页/共66页2023/3/2653天然水pH=7.0,碱度为1.4mmol.L-1,为使pH=6.加入酸多少？总碱度=CT(1+22)+KW/H+H+C

18、T=1/（1+22）总碱度+H+OH-令1/（1+22）=(表33）则CT=碱度 例 3第53页/共66页2023/3/2654查表3-3（p110）1、2，=1.22CT=1.221.=3.254=1.71mmol.L-1当加强酸使pH=6.0，而CT不变时=3.25碱度=1.71/3.25=0.526mmol.L-1A=1.4-0.526=0.874mmol.L-1 例 3第54页/共66页2023/3/2655 天然水体的pH值在6-8之间，是一个很好的缓冲体系，碳酸化合物是水体缓冲作用的重要因素假如仅考虑碳酸体系控制水体pH值，在pH8.3时（仅考虑碳酸的第一级离解）：3天然水体的缓冲

19、能力第55页/共66页2023/3/26563天然水体的缓冲能力若向水中投入B量的碱性废水第56页/共66页2023/3/2657B=碱度10pH1/(1+K1+10pH+pH)（将HCO3-看作碱度，H2CO3作为水中游离碳酸CO2）3天然水体的缓冲能力第57页/共66页2023/3/2658 1有机污染物 农药 有机氯难化学、生物降解，低水溶性，高辛醇-水分配系数，易沉积到有机质和生物脂肪之中，如食物链积累。有机磷较易生物降解，环境中滞留时间短，溶解度大。三、水中污染物的分布及存在形式第58页/共66页2023/3/2659三、水中污染物的分布及存在形式多氯联苯(PCBS)化学稳定、热稳定

20、性好，用于电器的冷却剂、绝缘材料、耐腐蚀涂料，极难溶于水，不易分解，易溶于有机质和脂肪之中。卤代脂肪烃 易挥发、地表水中易进行生物或化学降解 第59页/共66页2023/3/2660三、水中污染物的分布及存在形式醚 七种醚是EPA优先污染物单环芳烃 挥发、光解酚类、酞酸脂类、多环芳烃、亚硝胺等第60页/共66页2023/3/2661三、水中污染物的分布及存在形式2金属污染物Cd、Hg、Pb、As、Cr、Cu、Zn、Tl、Ni、Be优先污染物“黑名单”(p117)第61页/共66页2023/3/2662第62页/共66页2023/3/2663黄河水污染现状（I）记者行程3000多公里目睹黄河污染

21、（2004.9)2004年初黄河包头段污染严重，挥发酚、氨氮等超标几十倍。污染主要来源于乌梁素总排干（内蒙境内通往黄河的主要排污渠道）的排放，而氨氮的主要来源是宁夏和包头。内蒙古巴彦卓尔市境内的乌梁素海是黄河流域最大的淡水湖，现在每年有5亿立方米的废水注入湖中，其中排入黄河约0.5亿立方米。今年该河水质处于劣五类，已有19种鱼绝种。第63页/共66页2023/3/2664黄河水污染现状（II)在甘肃白银市东大沟排放的是白银地区冶炼厂等8，9家污染企业和居民生活污水，每天达5万m3污水进入黄河，每天还有8千m3酸性污水直排黄河。致使重金属超标几十至上千倍。黄河甘肃段年排放废水量2.37亿吨，其中生活污水达1.41亿吨，占废水总排放量的59.3%，黄河流经甘肃四座城市，目前只有兰州有4座污水处理厂，日处理能力仅15.8万吨，致使黄河沿岸大量污水直接排入黄河。第64页/共66页2023/3/2665请就您所关心的某一环境污染问题简述它的污染原因、现状、可能存在的危害以及有哪些治理途径和防治措施。例如，黄河兰州段水质污染问题的原因和可能机理与解决对策。第65页/共66页2023/3/2666感谢您的观看！第66页/共66页