环境化学课件-南开大学-孙红文博导-最新版本201408-第三章

3-1《环境化学》第三章水环境化学第三章水环境化学Chapter3.AquaticEnvironmentalChemistry3-2《环境化学》第三章水环境化学主要介绍天然水的基本特征，水中重要污染物存在形态及分布，污染物在水环境中迁移转化的基本原理以及水质模型。要求了解天然水的基本性质，掌握无机污染物在水环境中沉淀-溶解、氧化还原、配合作用、吸附-解吸、絮凝-沉降等迁移转化过程的基本原理，并运用所学原理计算水体中金属存在形态，确定各类化合物溶解度，以及天然水中各类污染物的pE计算及pE-pH图的制作。了解颗粒物在水环境中聚集和吸附-解吸的基本原理，掌握有机污染物在水体中的迁移转化过程和分配系数、挥发速率、水解速率、光解速率和生物降解速率的计算方法，了解各类水质模型的基本原理和应用范围。内容提要及重点要求3-3《环境化学》第三章水环境化学第一节天然水的基本特征及污染物的存在形态3.1PrimaryCharacteristicsofNaturalWaterandFormsofPollutants一、水分子的特征与水的分布CharacteristicsofH2OandDistributionofWater二、天然水的基本特征PrimaryCharacteristicsofNaturalWater三、碳酸盐平衡EquilibriumofCarbonate四、水中污染物的分布和存在形态DistributionandFormsofMainPollutantsinWater五、水体富营养化EutrophicationofWaterBody3-4《环境化学》第三章水环境化学（1）高熔点(Meltingpoint)和高沸点(Boilingpoint)CH4NH3H2OHFMP/℃-192-780-83BP/℃-164-3310020氢键Hydrogenbond（2）特殊的密度ρ气＜ρ固＜ρ液，4℃时ρH2O最大。1.水分子特性OHHHHHHOO：一、水分子的特征与水的分布CharacteristicsofH2OandDistributionofWater-++++++--1051051053-5《环境化学》第三章水环境化学PropertyEffectsandSignificanceExcellentsolventTransportofnutrientsandwasteproducts,makingbiologicalprocessespossibleinanaqueousmediumHighestdielectricconstantofanycommonliquidHighsolubilityofionicsubstancesandtheirionizationinsolutionHighersurfacetensionthananyotherliquidControllingfactorinphysiology,governsdropandsurfacephenomenaTransparenttovisibleandlonger-wavelengthfractionofultravioletlightColorless,allowinglightrequiredforphotosynthesistoreachconsiderabledepthsinbodiesofwaterMaximumdensityasaliquidat4CIcefloats,verticalcirculationrestrictedinstratifiedbodiesofwaterHigherheatofevaporationthananyothermaterialDeterminestransferofheatandwatermoleculesbetweentheatmosphereandbodiesofwaterHigherlatentheatoffusionthananyotherliquidexceptammoniaTemperaturestabilizedatthefreezingpointofwaterHigherheatcapacitythananyotherliquidexceptammoniaStabilizationoftemperaturesoforganismsandgeographicalregionFromEnvironmentalChemistry,ManahanSE,CRCPress,20043-6《环境化学》第三章水环境化学Na+Cl-无机离子以水合离子形式存在憎水性有机污染物溶于水，破坏了水分子间固有氢键，需要提供形成水分子穴的能量，水溶解度低，具有逃离水相的趋势。而可与水形成氢键的极性污染物，有较高的水溶解度。3-7《环境化学》第三章水环境化学2.水体的特征O2CO2CO2+H2O+h{CH2O}+O2EpilimnionPhotolysisRelativelyhighdissolvedO2,ChemicalspeciesinoxidizedformsThermoclineHypolimnionRelativelylowdissolvedO2,ChemicalspeciesinreducedformsExchangeofchemicalspecieswithsedimentsStratificationofalake3-8《环境化学》第三章水环境化学3.天然水的分布天然水的储量约为14281018kg，江河水约占千万分之九，储量最小，海洋水占97.4%。可供人类活动利用的水资源仅占0.64%。储存地储水量/kg水的停留时间/年海洋1.39102137600冰2.92101915000地下水8.301018湖泊2.3010176.2大气1.3010160.028江河1.2510150.0337(=12d)3-9《环境化学》第三章水环境化学Snowpack,icePrecipitation304Movementofwatervaportoland,110condensationPrecipitation1055Runoff,110oceanLakereservoirEvaporationandtranspiration,195Evaporation1164groundwaterinfiltration每天的水循环（1012L）3-10《环境化学》第三章水环境化学第一节水的基本特征及污染物存在形态3.1PrimaryCharacteristicsofWaterandFormsofPollutants一、水分子的特征与水的分布CharacteristicsofH2OandDistributionofWater二、天然水的基本特征PrimaryCharacteristicsofNaturalWater三、碳酸盐平衡EquilibriumofCarbonate四、水中污染物的分布和存在形态DistributionandFormsofMainPollutantsinWater五、水体富营养化EutrophicationofWaterBody3-11《环境化学》第三章水环境化学1.淡水特征优势离子有机质质量浓度海水Na+Mg2+Ca2+；Cl-SO42-HCO3-海水2mg/L淡水Ca2+Mg2+Na+；HCO3-SO42-Cl-淡水2mg/L二、天然水的基本特征PrimaryCharacteristicsofNaturalWater3-12《环境化学》第三章水环境化学（1）化学成分A.溶解态：盐、有机物和溶解的气体非溶解态：颗粒物、气泡B.主要离子（八大离子）：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-占天然水总离子的95%99％。水中的主要离子组成图硬度酸碱金属Ca2+,Mg2+H+Na+,K+阳离子碱度酸根HCO3-、CO32-、OH-Cl-,SO42-,NO3-阴离子3-13《环境化学》第三章水环境化学TypicalAnalysesofSurfaceandGroundwaterinUSAConstitute/(mgL-1)ABCSiO29.51.210Fe(III)0.070.020.09Ca2+4.03692Mg2+1.18.134Na+2.66.58.2K+0.61.21.4HCO3-18.3119339SO42-1.62284Cl-2.0139.6NO3-0.410.113Totaldissolvedsolids34165434TotalhardnessasCaCO314.6123369APardeeReservior;BNiagaraRiver;CWellWaterCitedfromWaterChemistry,VLSnoeyinkandDJenkins,JohnWiley&Sons,19803-14《环境化学》第三章水环境化学（2）水中金属离子的存在形态水溶液中金属离子的表示式常写成Mn+，预示着此为简单的水合金属阳离子M(H2O)xn+。它可通过化学反应达到最稳定的状态，酸碱、沉淀、配合及氧化还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。详见本章第二节。总含盐量：TDS=[Ca2++Mg2++K++Na+]+[Cl-+SO42-+HCO3-]3-15《环境化学》第三章水环境化学一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压。3-16《环境化学》第三章水环境化学氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压及水中含盐量有关。氧在1.0130×105Pa、25℃饱和水中溶解度为8.32mg/L。3-17《环境化学》第三章水环境化学氧气溶解度随着温度变化式中：c1和c2——热力学温度为T1和T2时气体在水中的浓度；H——溶解热，J/mol;R——摩尔气体常数，8.314J/(molK)当温度从0℃升到35℃时，氧在水中的溶解度将从14.74mg/L降低到7.03mg/L。Clausius-Clapeyron方程211211lg2.303cHcRTT3-18《环境化学》第三章水环境化学CO2的溶解度3-19《环境化学》第三章水环境化学（4）水生生物水生生物可直接影响许多物质的浓度,其作用有代谢、摄取、转化、存储和释放等。自养生物(Autotroph)：利用太阳能量和化学能量，把无机物引入生命分子中组成生命体。异养生物(heterotroph)：利用自养生物产生的有机物作为能源及合成自身生命的原始物质。藻类生成和分解就是水体中进行光合作用（P,photosynthesis）和呼吸作用（R,respiration）的典型过程，可用简单化学计量关系来表征：106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H+（+痕量元素和能量）PhotosynthesisRespiration/DecompositionC106H263O110N16P+138O23-20《环境化学》第三章水环境化学水体产生生物体的能力称为生产率（Productivity）富营养化：Eutrophication贫营养化：Oligotrophication分解者（Decomposer）：细菌和真菌3T:Temperature，Transparency,TurbulenceDO:DissolvedoxygenBOD:Biochemicaloxygendemand生化需氧量：一定体积的水中有机物降解所需消耗的氧的量。CO2:Carbondioxide3-21《环境化学》第三章水环境化学2.海水的特征（1）化学成分①常量元素(1mmol/L)②营养元素(N,P,Si,Fe,Mn,Cu)③微量元素(1μmol/L)④溶存气体：来源于大气、火山爆发、海洋生物和化学反应，有CO2,CH4,H2S,O2(0~8.5mg/L),N2和Ar。⑤有机质(Organicsubstance)：来源于陆地输入、海洋生物分泌和尸体破裂。3