第三章水环境化学.ppt

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1、第三章水环境化学现在学习的是第1页，共46页第一节第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态天然水的基本特征及污染物的存在形态 一一.天然水的基本特征天然水的基本特征1 天然水的组成天然水的组成水溶液中金属离子的表达式通常可以写成水溶液中金属离子的表达式通常可以写成Mn+，表示简单的水合金属，表示简单的水合金属离子离子M(H2O)xn+。水水中中金金属属离离子子常常常常以以多多种种形形态态存存在在。例例如如铁铁:Fe(OH)2+,Fe(OH)2+,Fe2(OH)24+,Fe3+,K+,Na+,Ca2+,Mg2+,HCO3-,NO3-,Cl-,SO42-为天然水中常见的八为天然水中常见的八大离子

2、，占天然水离子总量的大离子，占天然水离子总量的95-99%。(1)天然水的主要离子组成：天然水的主要离子组成：(2)水中的金属离子：水中的金属离子：现在学习的是第2页，共46页(3)气体在水中的溶解性气体在水中的溶解性大气中的气体与溶液中同大气中的气体与溶液中同种气体间的平衡为：种气体间的平衡为：G(aq)=KHpG亨亨利利定定律律并并不不能能说说明明气气体体在在溶溶液液中中进进一一步步的的化化学学反反应应。溶溶解解于于水水中中的的实际气体的量，可以大大高于亨利定律表示的量。实际气体的量，可以大大高于亨利定律表示的量。KH 是各种气体在一是各种气体在一定温度下的亨利定律定温度下的亨利定律常数常

3、数(mol/LPa);一一.天然水的基本特征天然水的基本特征现在学习的是第3页，共46页 氧氧在在干干燥燥空空气气中中的的含含量量为为 20.95%，大大部部分分元元素素氧氧来来自自大大气气。氧氧在在水水中中的的溶溶解解度度与与水水的的温温度度、氧氧在在水水中中的的分分压压及及水水中中含含盐盐量量有有关关。水水在在25时时的的蒸蒸汽汽压压为为0.03167 105 Pa。氧氧在在 1.013 105 Pa，25 饱和水中的溶解度：饱和水中的溶解度：氧在水中的溶解度氧在水中的溶解度 1.天然水的基本特征天然水的基本特征现在学习的是第4页，共46页不同温度下，气体在水中溶解度的计算：不同温度下，气

4、体在水中溶解度的计算：1.天然水的基本特征天然水的基本特征现在学习的是第5页，共46页 CO2在干燥空气中的含量为在干燥空气中的含量为 0.0314%，水在，水在25时的蒸汽压为时的蒸汽压为0.03167 105 Pa，CO2的亨利定律常数为的亨利定律常数为3.34 10-7 mol/L.Pa。则。则CO2在水中的在水中的浓度浓度为：为：CO2的溶解度的溶解度 1.天然水的基本特征天然水的基本特征现在学习的是第6页，共46页(4)水生生物水生生物 生态系统、食物链中的一个重要环节；生态系统、食物链中的一个重要环节；生产者、消费者、分解者；生产者、消费者、分解者；自养生物、异养生物；自养生物、异

5、养生物；生产率、富营养化、生产率、富营养化、C、N、P 1.天然水的基本特征天然水的基本特征现在学习的是第7页，共46页(1)碳酸平衡碳酸平衡在水体中存在着在水体中存在着CO2、H2CO3、HCO3-、CO32-等等4种物质种物质;常把常把CO2和和H2CO3 合并为合并为H2CO3*;实际上实际上H2CO3 的含量极低，主要是溶解性的气体的含量极低，主要是溶解性的气体CO2。以下将以下将H2CO3*略写为略写为H2CO3 2.天然水的性质天然水的性质现在学习的是第8页，共46页CT=H2CO3+HCO3-+CO32-2.天然水的性质天然水的性质现在学习的是第9页，共46页以上属封闭的水溶液体

6、系的情况；以上属封闭的水溶液体系的情况；没有考虑大气交换过程。没有考虑大气交换过程。CO2+H2CO3HCO3-CO32-1008060402002 4 6 8 10 12pH图图6-1 碳酸化合态分布图碳酸化合态分布图 2.天然水的性质天然水的性质现在学习的是第10页，共46页对于开放体系，应考虑大气交换过程：对于开放体系，应考虑大气交换过程：2.天然水的性质天然水的性质现在学习的是第11页，共46页碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受H+的物质总量。的物质总量。组成水中碱度的物质可以归纳为三类：组成水中碱度的物质可以归

7、纳为三类：强碱；强碱；弱碱；弱碱；强碱弱酸盐。强碱弱酸盐。At pH values below 7,H+in water detracts significantly from alkalinity,and its concentration must be subtracted in computing the total alkalinity.Therefore the following equation is the complete equation for alkalinity in a medium where the only contributors to it are HC

8、O3-,CO32-,and OH-.总碱度总碱度=HCO3-+2CO32-+OH-H+2.2 天然水中酸度和碱度天然水中酸度和碱度 2.天然水的性质天然水的性质现在学习的是第12页，共46页 酸酸度度是是指指水水中中能能与与强强碱碱发发生生中中和和作作用用的的全全部部物物质质，亦亦即即放放出出H+或或经经水解能产生水解能产生H+的物质总量。包括强酸、弱酸、强酸弱碱盐等。的物质总量。包括强酸、弱酸、强酸弱碱盐等。某水体的某水体的pH=8.00,碱度为碱度为1.0010-3 mol/L,该水体中该水体中HCO3-,CO32-,OH-,H+等物质的浓度。等物质的浓度。解：解：pH=8.00时，时，C

9、O32-的浓度很低，可认为碱度全部由的浓度很低，可认为碱度全部由HCO3-贡献，贡献，则则HCO3-=碱度碱度=1.0010-3 mol/L；根据根据pH值，值，H+=1.00 10-8 mol/L;OH-=1.00 10-6 mol/L总酸度总酸度=H+HCO3-+2H2CO3 OH-2.天然水的性质天然水的性质现在学习的是第13页，共46页 2.天然水的性质天然水的性质现在学习的是第14页，共46页解：解：碱度的贡献：碱度的贡献：OH-+HCO3-+2CO32-H+的浓度可以忽略不计。的浓度可以忽略不计。H+=1.00 10-10 mol/L;OH-=1.00 10-4 mol/LOH-+

10、HCO3-+2CO32-=1.00 10-3 mol/L (1)H+=1.00 10-10 mol/L;OH-=1.00 10-4 mol/L (2)(3)若水体的若水体的pH为为10.0，碱度为，碱度为1.00 10-3 mol/L,则上述各形态物质的浓度为则上述各形态物质的浓度为多少？多少？2.天然水的性质天然水的性质现在学习的是第15页，共46页2 2.18 10-4=4.36 10-4 eq/L from CO32-4.64 10-4 eq/L from HCO3-1.00 10-4 eq/L from OH-Alk=1.00 10-3 eq/LSolving these three

11、equations gives HCO3-=4.64 10-4 mol/L and CO32-=2.18 10-4 mol/L,so the contributions to the alkalinity of this solution are the following:2.天然水的性质天然水的性质现在学习的是第16页，共46页 二二.水中污染物的分布和存在形态水中污染物的分布和存在形态现在学习的是第17页，共46页（1）农药农药(pesticide)杀虫剂杀虫剂 insecticide 杀菌剂杀菌剂除草剂除草剂 1.有机污染物有机污染物disifectant n.消毒剂消毒剂germic

12、ide n.杀菌剂杀菌剂fungicide n.杀真菌剂杀真菌剂bactericide n.杀菌剂杀菌剂herbicide n.除草剂除草剂现在学习的是第18页，共46页 有机氯农药有机氯农药(Organochlorine pesticide)：DDT 1.有机污染物有机污染物难以被化学降解和难以被化学降解和生物降解，较低的生物降解，较低的水溶性，较高的辛水溶性，较高的辛醇醇/水分配系数。水分配系数。DDTHCH(hexachlorocyclohexane)六氯环己烷六氯环己烷Aldrin(艾氏剂艾氏剂)Heptachlor(七氯七氯)Dieldrin(狄氏剂狄氏剂)现在学习的是第19页，共4

13、6页o,p-DDTo,p-DDEp,p-DDEp,p-DDDo,p-DDD 1.有机污染物有机污染物现在学习的是第20页，共46页1948年年的的诺诺贝贝尔尔生生理理学学或或医医学学奖奖奖奖给给了了DDT发发明明者者、瑞瑞士士化化学学家家米米勒勒。DDT对对消消灭灭农农业业害害虫虫和和居居家家杀杀虫虫确确实实发发挥挥过过神神奇奇作作用用，但但DDT是是一一种种难难降降解解有有毒毒化化合合物物，长长期期使使用用会会在在环环境境及及生生物物体体内内积积累累，造成环境污染。造成环境污染。1976年年美美国国洛洛杉杉矶矶动动物物园园小小河河马马突突然然全全部部死死亡亡，就就是是饮饮用用附附近近农农药药

14、厂厂排排放放的的DDT废废液液所所致致。据据此此，许许多多国国家家70年年代代就就停停止止使使用用DDT。影影响响远远未未终终结结。在在1995年年美美国国医医生生发发现现死死婴婴的的脑脑部部也也有有DDT，DDT还还造造成成男男性性发发育育异异常常，有有“非非男男性性化化”表表现现。同同时时DDT还还造造成成在美国、日本出现大量畸形青蛙。在美国、日本出现大量畸形青蛙。1.有机污染物有机污染物现在学习的是第21页，共46页Figure 15.The flattened egg within this white-faced ibis clutch was caused by DDE.1.有机污

15、染物有机污染物现在学习的是第22页，共46页Figure 16.Damage to the central nervous system of birds by chlorinated hydrocarbon insecticides results in the type of aberrant posture seen in this hen pheasant 1.有机污染物有机污染物现在学习的是第23页，共46页BFigure 16.Damage to the central nervous system of birds by chlorinated hydrocarbon insec

16、ticides results in the type of aberrant posture seen in this mallard duck.1.有机污染物有机污染物现在学习的是第24页，共46页HCH AldrinDieldrinHeptachlor 1.有机污染物有机污染物现在学习的是第25页，共46页(1)磷酸酯磷酸酯(2)硫代磷酸酯硫代磷酸酯(3)膦酸酯和硫代膦酸酯类膦酸酯和硫代膦酸酯类(4)磷酰胺和硫代磷酰胺类磷酰胺和硫代磷酰胺类 有机磷农药有机磷农药 1.有机污染物有机污染物大部分是磷酸酯或磷酰胺类化合物。大部分是磷酸酯或磷酰胺类化合物。现在学习的是第26页，共46页(1)磷

17、磷酸酸酯酯：磷磷酸酸中中三三个个氢氢原原子子被被有有机机基基团团置置换换所所生生成成的的化化合合物物，如如 敌敌畏、二溴磷等。敌敌畏、二溴磷等。1.有机污染物有机污染物(2)硫硫代代磷磷酸酸酯酯：硫硫代代磷磷酸酸分分子子中中的的氢氢原原子子被被甲甲基基等等基基团团所所置置换换而而形形成成的的化化合物。合物。磷酸磷酸甲基对甲基对硫磷硫磷敌敌畏敌敌畏现在学习的是第27页，共46页磷磷酸酸分分子子中中一一个个羟羟基基被被有有机机基基团团置置换换，即即在在分分子子中中形形成成C-P键键，称称为为膦膦酸酸。如如果果膦膦酸酸中中羟羟基基的的氢氢原原子子再再被被有有机机基基团团取取代代，即即形形成成膦膦酸酸

18、酯酯。如如果果膦膦酸酸酯酯中中的的氧氧原原子子被被硫硫原原子子取取代代，即即为为硫硫代代膦膦酸酸酯酯，如敌百虫。如敌百虫。1.有机污染物有机污染物(3)膦酸酯和硫代膦酸酯类膦酸酯和硫代膦酸酯类敌百虫敌百虫现在学习的是第28页，共46页(4)磷酰胺和硫代磷酰胺类磷酰胺和硫代磷酰胺类 1.有机污染物有机污染物乙酰甲胺磷乙酰甲胺磷膦酸酰胺酯膦酸酰胺酯磷酸分子中羟基被氨基取代磷酸分子中羟基被氨基取代的化合物为磷酰胺；磷酸胺的化合物为磷酰胺；磷酸胺分子中的氧原子被硫原子所分子中的氧原子被硫原子所取代形成硫代磷酰胺，如甲取代形成硫代磷酰胺，如甲胺磷。胺磷。现在学习的是第29页，共46页马拉硫磷马拉硫磷二硫

19、代磷酸酯二硫代磷酸酯乐果乐果二硫代磷酸酯二硫代磷酸酯 1.有机污染物有机污染物有机磷农药的特点：较易被生物降解，高效、低毒、低残留；有机磷农药的特点：较易被生物降解，高效、低毒、低残留；现在学习的是第30页，共46页除草剂除草剂 1.有机污染物有机污染物Atrazine阿特拉津阿特拉津Simazine西玛津西玛津现在学习的是第31页，共46页(2).POPs and PTSPOPs:Persistent Organic PollutantsPTS:Persistent Toxic Substances持久性有机污染物持久性有机污染物持久性有毒物质持久性有毒物质现在学习的是第32页，共46页20

20、01年年5月月，中中国国政政府府签签署署了了关关于于对对某某些些持持久久性性有有机机污污染染物物的的斯斯德德哥哥尔尔摩摩公公约约，根根据据这这项项公公约约，各各缔缔约约国国将将采采取取一一致致行行动动，首首先先控控制制并并逐逐步步消消除除12种种对对人人类类健健康康和和自自然然环环境境特特别别有有害害的的持持久久性性有有机机污污染染物物(POP)，它它们们是是：艾艾氏氏剂剂、氯氯丹丹、狄狄氏氏剂剂、异异狄狄氏氏剂剂、七七氯氯、灭灭蚁蚁灵灵、毒毒杀杀芬芬、滴滴滴滴涕涕、六六氯氯代代苯苯、多多氯氯联联苯苯(PCB)、二二恶恶英英(PCDD)和呋喃和呋喃(PCDF)。2004年年5月月，人大常委会批

21、准的该公约。，人大常委会批准的该公约。环境激素环境激素,内分泌干扰物内分泌干扰物(Endocrine disruptors)。Persistent Organic Pollutants(POPs)持久性有机污染物持久性有机污染物(2).POPs and PTS现在学习的是第33页，共46页POPs的判别标准的判别标准持久性持久性远距离环境迁移的潜在能力远距离环境迁移的潜在能力 T1/2(in air)2 daysT1/2（水中（水中)2个月个月T1/2(土壤或沉积物）土壤或沉积物）6个月个月 BCF 5000,或或 logKow 5 的证据的证据有令人关注的其他证据有令人关注的其他证据生物积累

22、性生物积累性毒性毒性(1).POPs and PTS现在学习的是第34页，共46页 持久性有毒物质持久性有毒物质(PTS)有机有机PTSPOPs杀虫剂杀虫剂艾氏剂、氯丹、狄氏剂、异狄氏剂、艾氏剂、氯丹、狄氏剂、异狄氏剂、七氯、灭蚁灵、毒杀芬、滴滴涕、六七氯、灭蚁灵、毒杀芬、滴滴涕、六氯氯(代代)苯苯工业化学品：工业化学品：多氯联苯多氯联苯(PCB)(PCB)、六氯、六氯(代代)苯苯人类无意合成的物质：多氯代二苯并对二恶英和呋人类无意合成的物质：多氯代二苯并对二恶英和呋喃喃(PCDD/F)其它有其它有机机PTS十氯酮、六六六（十氯酮、六六六（HCH）、阿特拉津、）、阿特拉津、五氯酚、氯代石蜡、多

23、环芳烃五氯酚、氯代石蜡、多环芳烃(PAH)、多溴代联苯醚（、多溴代联苯醚（PBDE）、辛）、辛基酚、壬基酚、酞酸酯、基酚、壬基酚、酞酸酯、.有机汞化合物、有机锡化合物、有机铅物有机汞化合物、有机锡化合物、有机铅物 金属有机污染物金属有机污染物(2).POPs and PTSPTS是指在环境中不容易被降解、可以被生物蓄积的有毒物质的总称，是指在环境中不容易被降解、可以被生物蓄积的有毒物质的总称，即持久性有毒物质。即持久性有毒物质。现在学习的是第35页，共46页多氯联苯多氯联苯(Polychlorinated biphenyl,PCB):209+1种化合物。种化合物。化学稳定性和热稳定性好、变压器

24、、电容器的冷却剂、绝缘材料、耐化学稳定性和热稳定性好、变压器、电容器的冷却剂、绝缘材料、耐腐蚀涂料等。腐蚀涂料等。极难溶于水，易溶于有机溶剂和脂肪，具有高的辛醇极难溶于水，易溶于有机溶剂和脂肪，具有高的辛醇/水分配系数；水分配系数；(2).POPs and PTSDioxin类污染物类污染物现在学习的是第36页，共46页PCDD/F:Polychlorinated dibenzo-p-dioxin/furan(PCDD/F)PCDD:75;PCDF:1352,3,7,8-substituted PCDD/Fs:22(毒性相差毒性相差1000倍；倍；)Dioxin is the name giv

25、en to a group of persistent,very toxic chemicals.The most toxic form of dioxin is 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin or TCDD.(2).POPs and PTS现在学习的是第37页，共46页Dioxin is released by paper mills,by metal smelters,by many chemical plants,by many pesticide factories,and by all incinerators.The entire diox

26、in family consists of 75 different dioxins and 135 different furans.The dioxin,2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin(TCDD),is considered to be the most toxic type of dioxin.Polychlorinated biphenyl ether(PCDE)Polybrominated biphenyl ether(PBDE)(2).POPs and PTSWhere does dioxin come from?现在学习的是第38页，共46

27、页Polycyclic Aromatic Hydrocarbons(2).POPs and PTS现在学习的是第39页，共46页(3).卤代脂肪烃卤代脂肪烃例如例如freon,CFC-11容易挥发、可以光解；辛醇容易挥发、可以光解；辛醇/水分配系数较低水分配系数较低;(4).醚类：在美国醚类：在美国EPA优先污染物中，有优先污染物中，有7种醚类化合物。种醚类化合物。(5).单环芳烃类化合物，主要是氯代苯类、硝基苯类、单环芳烃类化合物，主要是氯代苯类、硝基苯类、(6).苯酚类和苯胺类：较高的水溶性，例如五氯苯酚苯酚类和苯胺类：较高的水溶性，例如五氯苯酚;1.有机污染物有机污染物现在学习的是第40

28、页，共46页(7).酞酸酯类：水溶解度低，辛醇酞酸酯类：水溶解度低，辛醇/水分配系数高；水分配系数高；(8).多环芳烃类化合物多环芳烃类化合物(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAH)：来源、危害：来源、危害(9).亚硝胺等化合物亚硝胺等化合物(10).染料废水染料废水(偶氮、蒽醌偶氮、蒽醌)1.有机污染物有机污染物现在学习的是第41页，共46页(1).镉：工业废水排放；镉：工业废水排放；多种形态存在：配合物；水生生物对多种形态存在：配合物；水生生物对Cd有很强的富集能力；水体有很强的富集能力；水体悬浮物有很强的吸附能力；日本的痛痛病：长期食用含悬浮物有很强的

29、吸附能力；日本的痛痛病：长期食用含Cd高高的稻米。的稻米。(2)汞：厂矿、有色金属冶炼、化工生产废水；汞：厂矿、有色金属冶炼、化工生产废水；甲基化作用；挥发作用；日本水俣病。甲基化作用；挥发作用；日本水俣病。1956年，日本熊本县水俣湾附近发现了一种奇怪的病。这种病症最年，日本熊本县水俣湾附近发现了一种奇怪的病。这种病症最初出现在猫身上，病猫步态不稳，抽搐、麻痹，甚至跳海死去，被称为初出现在猫身上，病猫步态不稳，抽搐、麻痹，甚至跳海死去，被称为“自杀猫自杀猫”。2.金属污染物金属污染物现在学习的是第42页，共46页 2.金属污染物金属污染物随后不久，此地也发现了患这种病症的人。患者由于脑中枢神

30、随后不久，此地也发现了患这种病症的人。患者由于脑中枢神经和末梢神经被侵害，轻者口齿不清、步履瞒珊、面部痴呆、手足麻经和末梢神经被侵害，轻者口齿不清、步履瞒珊、面部痴呆、手足麻痹、感觉障碍、视觉丧失、震颤、手足变形，重者神经失常，或酣睡，痹、感觉障碍、视觉丧失、震颤、手足变形，重者神经失常，或酣睡，或兴奋，身体弯弓高叫，直至死亡。或兴奋，身体弯弓高叫，直至死亡。这种这种“怪病怪病”是最早出现的由于工业废水排放污染造成的是最早出现的由于工业废水排放污染造成的公害病。排放的废水含有大量的汞。当汞在水中被水生物食用公害病。排放的废水含有大量的汞。当汞在水中被水生物食用后，会转化成甲基汞后，会转化成甲基

31、汞(CH3HgCl)。这种剧毒物质只要有挖耳勺的。这种剧毒物质只要有挖耳勺的一半大小就可以致人于死命，当时水俣湾的甲基汞含量达到了足一半大小就可以致人于死命，当时水俣湾的甲基汞含量达到了足以毒死日本全国人口以毒死日本全国人口2次都有余的程度。次都有余的程度。现在学习的是第43页，共46页(3).铅：矿山开采、金属冶炼、汽车废气、燃煤、油漆、涂料；水铅：矿山开采、金属冶炼、汽车废气、燃煤、油漆、涂料；水体中悬浮物的吸附作用。体中悬浮物的吸附作用。(4).砷：天然来源、人为来源砷：天然来源、人为来源(农药农药)。不同存在形态。不同存在形态。(5).铬：冶炼、电镀、制革、印染；铬：冶炼、电镀、制革、

32、印染；Cr3+,CrO2-,CrO42-,Cr2O7-;(6).铜：铜：(7).锌：锌：(8).2.金属污染物金属污染物现在学习的是第44页，共46页1、水中营养元素、水中营养元素 水中的水中的N、P、C、O和微量元素如和微量元素如Fe、Mn、Zn是湖泊等水体是湖泊等水体中生物的必需元素。中生物的必需元素。三、水中营养元素及水体富营养化三、水中营养元素及水体富营养化N/P比值大于大于100-贫营养湖泊贫营养湖泊小于小于10-富营养湖泊富营养湖泊现在学习的是第45页，共46页 赤潮赤潮(Algal bloom或或Red tide)是海水中某些是海水中某些微小浮游植物微小浮游植物、原原生动物生动物

33、或或细菌细菌在一定的环境条件下突发性的增殖，引起一定范围一段时在一定的环境条件下突发性的增殖，引起一定范围一段时间的海水变色现象。间的海水变色现象。2、水体富营养化、水体富营养化-赤潮赤潮起始阶段：起始阶段：存在诱发赤潮的物质条件，表面现象不明显存在诱发赤潮的物质条件，表面现象不明显；发展阶段：发展阶段：赤潮生物迅速繁殖，水体颜色开始转变，稍微不同赤潮生物迅速繁殖，水体颜色开始转变，稍微不同 于周围于周围水体；水体；维持阶段：维持阶段：赤潮现象出现后至临近消失时所持续的时间，颜色较深赤潮现象出现后至临近消失时所持续的时间，颜色较深；消亡阶段：消亡阶段：赤潮现象消失的过程赤潮现象消失的过程,水体表面出现较多泡沫。水体表面出现较多泡沫。赤潮的长消大致可分为四个阶段：赤潮的长消大致可分为四个阶段：三、水中营养元素及水体富营养化三、水中营养元素及水体富营养化现在学习的是第46页，共46页