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1、杨桔材杨桔材13734813450yangjc_第1页第三章水环境化学第三章水环境化学第一节天然水基本特征及污染物存在形态第一节天然水基本特征及污染物存在形态水环境化学是研究化学物质在天然水体中存在形存在形态态、反应机制反应机制、迁移、转化、归趋规律迁移、转化、归趋规律与化学行为及其对生态环境影响。一一.天然水基本特征天然水基本特征1天然水组成天然水组成可溶性物质胶体悬浮物水生生物指直径小于1nm颗粒指颗粒直径在1-100nm之间微粒指颗粒粒径在100nm以上（1）天然水中主要离子组成）天然水中主要离子组成自氧生物、异氧生物阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、阴离子：HCO3、Cl、SO
2、42、NO3第2页K+、Na+：钠盐和钾盐直接溶于水中所致。Ca2+、Mg2+：含有CO2水流经石灰石和白云石，并与它们发生反应，生成溶解度很大重碳酸盐。HCO3：同上。Cl：水流经地层时溶解氯化物所致。陆地水：HCO3 SO42 Cl；Ca2+Na+Mg2+次要离子次要离子：Fe2+、CO32、HSiO3、NO2、HPO42、H2PO4、PO43SO42：地层中石膏溶于水形成。NO3：同化、氨化、硝化等i 起源起源第3页总含盐量(Total Dissolved SolidsTDS)，也称总矿化度：水中所含各种溶解性矿物盐类总量称为水总含盐量。ii 表示方法表示方法总含盐量阳离子+阴离子iii
3、 测定测定重量法这部分逸失量约等于原有HCO3含量二分之一，(CO2+H2O)2HCO3=(44+18)2610.5电导率法第4页（2）溶解气体）溶解气体主要是O2、CO2、N2，其次还有H2S、SO2、NH3等在一定温度和压强下，一个气体在液体里溶解度与该气体平衡压强成正比。注意，亨利定律并不能说明气体在溶液中深入化学反应，如：即溶解于水中实际气体量，能够高于亨利定律表示量。即溶解于水中实际气体量，能够高于亨利定律表示量。克劳修斯克拉佩龙（Clausius-Clapeyron）方程式：iii 溶解度与温度关系溶解度与温度关系ii 溶解度溶解度i 溶解气体种类溶解气体种类第5页iv 计算例题计
4、算例题1在一个标准大气压下，25时氧在水中溶解度。（已知氧在干燥空气中含量为20.95%）首先计算氧气分压解：水在25时蒸汽压为0.03167105Pa则干燥空气分压为氧气分压为0 时含量14.74mg/L20 时为9.227mg/L关键是对水蒸汽分压进行校正O2在水中亨利常数为1.26108mol/LPa第6页2在一个标准大气压下，25时CO2在水中溶解度。已知CO2在干空气中含量为0.0314%（体积）。解：首先计算CO2分压第7页（3）水生生物）水生生物自养生物自养生物：利用太阳能或化学能量，把简单、无生命无机物元素引进至复杂生命分子中即组成生命体。如藻类。异养生物异养生物：利用自养生物
5、产生有机物作为能源及合成它本身生命原始物质。生化需氧量（生化需氧量（BOD）：在有氧条件下，水中可分解有机物因为好氧微生物(主要是好氧细菌）作用被氧化分解而无机化，这个过程需要氧量叫做生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand,BOD）。化学需氧量（化学需氧量（COD）：在一定严格条件下，水中各种有机物质与外加强氧化剂（如K2Cr2O3,KMnO4）作用时所消耗氧化剂量。（Chemical Oxygen Demand）。第8页2天然水性质天然水性质（1）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和H2CO3合并为H2CO3
6、*，实际上H2CO3极低，主要是溶解气体CO2。所以，水中H2CO3*HCO3CO32体系可用下面反应和平衡常数表示：用cT表示各种碳酸化合态总量，用0、1、2分别代表化合态H2CO3*、HCO3、CO32在总量中所占百分比，则:第9页说明pH决定它们含量多少再来看K1、K2及H+与0、1、2关系：第10页即pH值对三种化合态浓度起决定性作用，如图3-1碳酸化合态分布图所表示：当pH值4.3时，水中各种碳酸化合物全部是H2CO3*；当pH值8.3时，基本上碳酸化合物是HCO3；当pH值12时，水中碳酸化合物几乎完全是CO32。以上讨论是封闭体系，即没有考虑以上讨论是封闭体系，即没有考虑CO2与
7、大气交换过程，也与大气交换过程，也就是说封闭体系碳酸化合态总量不变。就是说封闭体系碳酸化合态总量不变。第11页对开放体系开放体系，也就是说CO2与水是处于平衡状态。当考虑CO2在气相和液相之间平衡时，H2CO3*总保持与大气相平衡固定值，可表示为PCO2和pH值函数。此时应用亨利定律：由这些方程做lgc-pH图可知：pH值6时，主要是H2CO3*，pH值在6-10时，主要是HCO3，pH值10.3时，主要是CO32。第12页（2）天然水中碱度和酸度）天然水中碱度和酸度碱度碱度(Alkalinity)：指水中能与强酸发生中和作用物质。总碱度总碱度：在测定水样总碱度时，可用一个强酸标准溶液滴定，当
8、用甲基橙做指示剂时，此时所得结果称为总碱度，也称甲甲基橙碱度基橙碱度。强碱、弱碱(NH3)、强碱弱酸盐（碳酸盐）其化学反应计量关系以下：甲基橙作指示剂时，其终点甲基橙作指示剂时，其终点pH值约为值约为4.3，也就是说，也就是说HCO3 和和CO32 全部转化为全部转化为H2CO3。依据溶液质子平衡条件，能够得到碱度表示式：第13页酚酞碱度酚酞碱度：强酸标准溶液滴定时，用酚酞为指示剂得到碱度称为酚酞碱度。酚酞为指示剂滴定终点pH值约为8.3，也就是说HCO3没有接收质子H+成为H2CO3，溶液中CO32接收一个H+质子成为HCO3，则酚酞碱度表示式为：苛性碱度苛性碱度：到达pHCO32所需酸量时
9、碱度称为苛性碱度。苛性碱度在试验室不能快速测得，因为不轻易找到终点。若已知总碱度和酚酞碱度可用计算方法确定：第14页酸度酸度(Acidity)：水中能与强碱发生中和作用物质。强酸、弱酸、强酸弱碱盐（如FeCl3）无机酸度无机酸度：游离游离CO2酸度酸度：总酸度：总酸度：在测定水样酸度时，可用一个强碱标准溶液滴定，当用甲基橙做指示剂时，此时所得结果称为无机酸度。强碱标准溶液滴定时，用酚酞为指示剂得到酸度称为游离CO2酸度。pH值为10.8处得到酸度，但此时滴定无显著终点，普通以游离CO2酸度作为主要指标。依据质子平衡条件，得到各种酸度表示式：第15页计算例题 i 在封闭体系中加入强酸或强碱，总碳
10、酸量在封闭体系中加入强酸或强碱，总碳酸量cT不受影响不受影响。ii 加入加入CO2时，总碱度值并不发生改变。时，总碱度值并不发生改变。iii 总碳酸量总碳酸量cT和总碱度在一定条件下含有守恒特征。和总碱度在一定条件下含有守恒特征。1已知某水体pH值为10.0，碱度为1.00103mol/L，求H2CO3*、HCO3、CO32 和OH浓度。（K14.45107，K24.691011）解：解题技巧：当解题技巧：当pH值值5-9范围内，范围内，碱碱度度10-3或或pH值在值在6-8，碱度碱度10-4时，时，H+、OH-项忽略不计项忽略不计第16页2若一个天然水体在25时pH值为7.0，碱度为1.4m
11、mol/L，求需加多少酸才能把水体pH值降低至6.0？解：解题技巧：当解题技巧：当pH值值5-9范围内，范围内，碱度碱度10-3或或pH值在值在6-8，碱碱度度10-4时，时，H+、OH-项忽项忽略不计略不计查表34（碳酸平衡系数）可知：pH值为7.0时1.224 pH值为6.0时3.247则：解题关键点：在碳酸总量不变前提下，解题关键点：在碳酸总量不变前提下，碱度降低值即为加入酸量。碱度降低值即为加入酸量。步骤步骤:1 求碳酸总量；求碳酸总量；2 求碱度；求碱度；3 求差。求差。第17页（3）天然水体缓冲能力）天然水体缓冲能力天然水体pH值普通在69之间，而且对于某一水体，其pH值几乎不变，这表明天然水体含有一定缓冲能力。普通认为，各种碳酸化合物是控制水体pH值主要原因，并使水体含有缓冲能力。对于碳酸水体系，当pH值8.3时，能够只考虑一级碳酸平衡，故pH值可由下式确定：假如向水体投入B量碱性废水时，对应有B量H2CO3*转化为HCO3，水体pH值升高为pH，则：水体pH值改变为第18页