第三篇水環(huán)境化學(xué)(1)天然水的組成和性質(zhì)

綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院1

水

環(huán)

境

化

學(xué)

第一節(jié)水分子結(jié)構(gòu)天然水基本特征第二節(jié)水中無機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化第三節(jié)水中有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化

一、溶液的濃度

1、物質(zhì)的量濃度

(1)、定義

(2)、公式其中：

nB—物質(zhì)的量，單位：mol；

WB—溶質(zhì)的質(zhì)量，單位：g；

MB—摩爾質(zhì)量，單位：g·mol－1

；

V—體積，單位：L2、質(zhì)量物質(zhì)的量濃度(或質(zhì)量摩爾濃度)(1)、定義(用m或b表示)(2)、公式

其中：

nB—物質(zhì)的量，單位：mol；

WB—溶質(zhì)的質(zhì)量，單位：g；

MB—摩爾質(zhì)量，單位：g·mol－1

；

WA—溶劑的質(zhì)量，單位：g.3、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)濃度(或摩爾分?jǐn)?shù)濃度)(1)、定義(用xi表示)(2)、公式其中：

ni—i物質(zhì)的物質(zhì)的量，單位：mol；

n—總物質(zhì)的量，單位：mol.(3)、常用形式當(dāng)溶液中僅有溶質(zhì)(B)與溶劑(A)兩組分時(shí)，則以上公式常用變化形式為：

說明：

XA+XB=14、質(zhì)量百分比濃度與ppm濃度

(1)、質(zhì)量百分比濃度

A、定義(用WB%表示)B、公式(2)、ppm濃度

A、定義(用ppm表示)B、公式

工程化學(xué)電子教案廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院質(zhì)量-體積濃度用單位體積（1立方米或1升）溶液中所含的溶質(zhì)質(zhì)量數(shù)來表示的濃度叫質(zhì)量-體積濃度，以符號(hào)g/m3或mg/L表示。例如，1升含鉻廢水中含六價(jià)鉻質(zhì)量為2毫克，則六價(jià)鉻的濃度為2毫克/升（mg/L）質(zhì)量-體積濃度=溶質(zhì)的質(zhì)量數(shù)（克或毫克）/溶液的體積（立方米或升)文獻(xiàn)中常用濃度表示方法ppmppbpptppmpartpermillion10-6百萬分之……ppbpartperbillion10-910億分之……pptpartpertrillion10-12萬億分之PPmPPbPPt單獨(dú)拿出來，不能說是單位，就象％一樣，不是單位，是無量綱。使用的時(shí)候可以，可以定義為v/vn/nm/mg/lg/m3等等1ug/ml是質(zhì)量/體積比，如果溶液的密度是1g/ml，則1ug/ml相當(dāng)于1ppm；如果溶液密度不是1g/ml，則需要進(jìn)行換算。ppm即：mg/L（毫克/升）ppb即：ug/L（微克/升）ppt即：ng/L（納克/升）質(zhì)量百分比；體積百分比質(zhì)量百分濃度溶液的濃度用溶質(zhì)的質(zhì)量占全部溶液質(zhì)量的百分率表示的叫質(zhì)量百分濃度，用符號(hào)%表示。例如，25%的葡萄糖注射液就是指100可注射液中含葡萄糖25克。質(zhì)量百分濃度（%）=溶質(zhì)質(zhì)量/溶液質(zhì)量100%體積百分比，溶質(zhì)的體積/溶劑的體積100%摩爾濃度摩爾濃度溶液的濃度用1升溶液中所含溶質(zhì)的摩爾數(shù)來表示的叫摩爾濃度，用符號(hào)mol表示，例如1升濃硫酸中含18.4摩爾的硫酸，則濃度為18.4mol。摩爾濃度（mol）=溶質(zhì)摩爾數(shù)/溶液體積（升）當(dāng)量酸的當(dāng)量=酸的相對(duì)分子質(zhì)量/酸分子中所含可被置換的氫原子數(shù)。堿的當(dāng)量=堿的相對(duì)分子質(zhì)量/堿分子中所含的氫氧基數(shù)?？水?dāng)量：一元的相當(dāng)于現(xiàn)在的物質(zhì)的量，比如36.5克的HCI的克當(dāng)量為1，98克的H2SO4的克當(dāng)量為2。當(dāng)量濃度：溶液的濃度用1升溶液中所含溶質(zhì)的克當(dāng)量數(shù)來表示的叫當(dāng)量濃度，用符號(hào)N表示。例如，1升濃鹽酸中含12.0克當(dāng)量的鹽酸(HCl)，則濃度為12.0N。當(dāng)量濃度=溶質(zhì)的克當(dāng)量數(shù)/溶液體積（升），比如說1mol/L的H2SO4,如果換成當(dāng)量濃度就應(yīng)該是2N，1mol/L的HCL就是1N，1mol/L的NaOH就是1N，1mol/L的Ca(OH)2就是2N,這是酸堿的。pmol/L;nmol/L綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院18一、水分子結(jié)構(gòu)天然水基本特征

(一）、水和水分子結(jié)構(gòu)的特異性

（二）、天然水的基本特征（三）、水體污染和自凈

（四）、水中污染物的分布和存在形態(tài)

（五）、典型水污染的特征

19（一）、水和水分子結(jié)構(gòu)的特異性+_

-+(H2O)2(H2O)3+--+-+

OHH++

—

(H2O)1

、水分子的結(jié)構(gòu)綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院202

、水的特異性具有較高的溶點(diǎn)和沸點(diǎn)第VI主族元素氫化物熔點(diǎn)比較第VI主族元素氫化物沸點(diǎn)比較（x軸主族周期數(shù)，y軸溫度k）綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院21熱容量最大溶解和反應(yīng)能力強(qiáng)具有很大的表面張力綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院22

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、水的同位素組成水分子的結(jié)構(gòu)式是H2O，實(shí)際上H有三種同位素1H（氕H）、2H（氘D）、3H（氚T）、氧有三種同位素16O、17O、18O，所以水實(shí)際上是18種水分子的混合物C32C31=18。當(dāng)然H2O是最普通的水分子（包括H216O（99.73%）、H217O（0.18%）、H218O（0.037%）、），總量占99.937%。其余的水是重水（包括D216O、D217O、D218O）和超重水（包括T216O、T217O、T218O）。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院23（二）、天然水的基本特征天然水系的類別綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院24

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、天然水的組成（離子、溶解氣體、水生生物）天然水是含有可溶性物質(zhì)和懸浮物的一種天然溶液?？扇苄晕镔|(zhì)非常復(fù)雜，主要是巖石風(fēng)化過程中，經(jīng)過水文地球化學(xué)和生物地球化學(xué)的遷移、搬運(yùn)到水中的地殼礦物質(zhì)。包括：懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、溶解物質(zhì)（氣體、離子）、水生生物等。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院25（1）天然水中的主要離子組成天然水中常見的八大離子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-。八大離子占天然水中離子總量的95%-99%。

綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院26除上述的八大離子之外，還有H+、OH-、NH4+、HS-、S2-、NO2-、NO3-、HPO4-、PO43-、Fe2+、Fe3+等。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院27一般水體中的特征離子海水中：一般Na+、Cl-占優(yōu)勢(shì)；湖水中：Na+、Cl-、SO42-占優(yōu)勢(shì)；地下水硬度高，就是其中Ca2+、Mg2+含量高，苦水或咸水地區(qū)，地下水中Na+、HCO3-含量較高；河水中所含有的部分Na+和大部分的Ca2+。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院28硬度酸堿金屬陽離子Ca2+Mg2+H+Na+HCO3-CO32-OH-SO42Cl-NO3-陰離子堿度酸根綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院29礦化過程：天然水中主要離子成分的形成過程，稱為礦化過程；礦化度：礦化過程中進(jìn)入天然水體中的離子成分的總量，以溶解總固體（TDS）表示一般天然水中的TDS可以表示為：TDS=[Ca2++Mg2++Na++K++Fe2++Al3+]+[HCO3-+SO42-+Cl-+CO32-+NO3-+PO43-]綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院30總含鹽量（TDS）:TDS≈[Ca2++Mg2++Na++K+]+[HCO3-+SO42-+Cl-]（2）、天然水中溶解的金屬離子水溶液中金屬離子的表示式常寫成Mn+,預(yù)示著是簡單的水合金屬陽離子M(H2O)xn+。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院31例如，鐵可以Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+、Fe3+等形態(tài)存在。這些形態(tài)在中性(pH=7)水體中的濃度可以通過平衡常數(shù)加以計(jì)算：Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+[Fe(OH)2+][H+]/[Fe3+]=8.9×10-4

[Fe(OH)2+][H+]2/[Fe3+]=4.9×10-7

[Fe2(OH)24+][H+]2/[Fe3+]2=1.23×10-3

假如存在固體Fe(OH)3(s)，則Fe(OH)3(s)+3H+=Fe3++3H2O[Fe3+]/[H+]3=9.1×103在pH=7時(shí)：[Fe3+]=9.1×103×（1.0×10-7）3=9.1×10-18mol/L

綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院32將這個(gè)數(shù)值代入上面的方程式中，即可得出其他各形態(tài)的濃度：[Fe(OH)2+]=8.1×10-14mol/L[Fe(OH)2+]=4.5×10-10mol/L[Fe2(OH)24+]=1.02×10-23mol/L（3）、天然水中溶解的重要?dú)怏w天然水中溶解的氣體有氧氣、二氧化碳、氮?dú)狻⒓淄?、氮?dú)獾冉椈瘜W(xué)院食品與制藥工程學(xué)院33亨利定律并不能說明氣體在溶液中進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，如：CO2+H2O=H++HCO3-SO2+H2O=H++HSO3-氣體在水中的溶解度可用以下平衡式表示：[G(aq)]=KH·PG

綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院34

①氧在水中的溶解例子：氧在水中的溶解度與水的溫度、氧在水中的分壓及水中含鹽量有關(guān)。氧在1.0130×105Pa、25℃（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）飽和水中的溶解度，可按下面步驟計(jì)算。水在25℃時(shí)的蒸汽壓為0.03167×105Pa，由于干空氣中氧的含量為20.95%，所以氧的分壓為：=(1.0130-0.03167)×105×0.2095=0.2056×105Pa代入亨利定律即可求出氧在水中的摩爾濃度為：[O2(aq)]=KH·=1.26×10-8×0.2056×105=2.6×10-4mol/L

氧的分子量為32，因此其溶解度為8.32mg/L。

綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院35式中：——用絕對(duì)溫度和時(shí)氣體在水中的濃度；

——溶解熱，J/mol;R——?dú)怏w常數(shù)8.314J/（mol·K）。另外，常壓下，飽和溶解氧是溫度的函數(shù)：（t,攝氏溫度）綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院36②CO2的溶解所以：mol/LCO2的酸離解常數(shù)（K1）計(jì)算出：CO2+H2OCO2·H2O亨利常數(shù)=3.34×10-7molL-1Pa-1綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院37

CO2·H2OHCO3-+H+

一級(jí)電離=4.45×10-7molL-1HCO3-CO32-+H+

二級(jí)電離=4.68×10-11molL-1

由于k2特別小，所以只考慮前面兩個(gè)方程，可得：

[H+]=[HCO3-][H+]2/[CO2]=K1=4.45×10-7[H+]=(1.028×10-5×4.45×10-7)1/2=2.14×10-6mol/LpH=5.67（酸雨判別標(biāo)準(zhǔn)的由來）故CO2在水中的溶解度為[CO2]+[HCO3-]=1.24×10-5mol/L。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院38

③水中溶解H2S（4）、水生生物水生生物可直接影響許多物質(zhì)的濃度，其作用有代謝、攝取、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和釋放等。水生生態(tài)系統(tǒng)生存的生物體，可以分為自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物。自養(yǎng)生物利用太陽能或化學(xué)能量，把簡單、無生命的無機(jī)物元素引進(jìn)至復(fù)雜的生命分子中即組成生命體。異養(yǎng)生物利用自養(yǎng)生物產(chǎn)生的有機(jī)物作為能源及合成它自身生命的原始物質(zhì)。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院39

P↑↓R

生產(chǎn)率：水體產(chǎn)生生物體的能力稱為生產(chǎn)率。生產(chǎn)率是由化學(xué)的及物理的因素相結(jié)合而決定的。在高生產(chǎn)率的水中藻類生產(chǎn)旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平降低，這種情況常被稱為富營養(yǎng)化。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院40

細(xì)菌等其他微生物細(xì)菌的特點(diǎn)是形體十分微小，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)簡單，大多是單細(xì)胞；水環(huán)境中主要微生物：原生動(dòng)物、藻類、真菌、放線菌、細(xì)菌；細(xì)菌等微生物關(guān)系到水環(huán)境自然凈化和廢水生物處理過程的重要的微生物群體；一般污水處理中，根據(jù)氧化過程需要氧的不同，分為：厭氧菌（油酸菌、甲烷菌）、好氧菌（醋酸菌、亞硝酸菌）、兼氧菌（乳酸菌）；綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院412、天然水的化學(xué)特征（1）大氣降水溶解的氧氣、氮?dú)?、二氧化碳是飽和或過飽和的；含鹽量很小，一般小于50mg/L，近海以Na+、Cl-為主，內(nèi)陸以Ca2+、HCO3-、SO42-；一般含有氮的化合物，如二氧化氮、氨、硝酸、亞硝酸等（閃電、生物釋放）；降水pH=5-7;綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院42（2）海水礦化度很高，35g/L，海洋蒸發(fā)濃縮，大陸帶來鹽分化學(xué)組成比較恒定，海水太多，離子變化影響不大；海水pH=8-8.3;（3）河水礦化度低，一般100-200mg/L，不超過500mg/L，一般Ca2+>Na+，HCO3->SO42->Cl-；河水化學(xué)成分易變，隨著時(shí)間和空間變化，例如汛期和非汛期，流經(jīng)不同的地區(qū)等河水溶解氧一般夏季6-8mg/L，冬季8-10mg/L；河水二氧化碳夏季1-5mg/L，冬季20-30mg/L（光合作用減弱，補(bǔ)給源地下水含二氧化碳多）；綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院43（4）湖泊水礦化度比河水高，其中內(nèi)流湖又高于外流湖；不同區(qū)域湖水成分差別極大。鉀鹽、鈉鹽、鋁鹽、芒硝（NaNO3）、石膏(CaSO4)等等;礦化度也差別極大（淡水湖(<1g/L)、咸水湖(1-35g/L)、鹽湖（>35g/L））。（5）地下水化學(xué)成分復(fù)雜，礦化度高；（與不同的巖石、土壤長時(shí)間接觸）化學(xué)類型多樣，深層地下水化學(xué)成分比較穩(wěn)定，生物作用對(duì)地下水作用影響不大，地下水一般溶解氧含量低，水溫不受大氣影響。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院443、天然水的性質(zhì)（1）碳酸鹽系統(tǒng)①碳酸平衡的一般方程對(duì)于CO2-H2O系統(tǒng)，水體中存在著CO2（aq）、H2CO3、HCO3-和CO32-等四種化合態(tài)，常把CO2(aq)和H2CO3合并為H2CO3*，實(shí)際上H2CO3含量極低，主要是溶解性氣體CO2(aq)。因此，水中H2CO3*-HCO3--CO32-體系可用下面的反應(yīng)和平衡常數(shù)表示：CO2(g)+H2O===H2CO3*pK0=1.47綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院45其中KH=,K0=,K1=,K2=

根據(jù)K1及K2值，就可以制作以pH為主要變量的H2CO3*-HCO3--CO32-體系的形態(tài)分布圖。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院46

碳酸平衡系統(tǒng)綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院47②封閉體系的碳酸平衡=[H2CO3*]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝=[HCO3-]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝=[CO32-]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝若用CT表示各種碳酸化合態(tài)的總量，則有[H2CO3*]=CT，[HCO3-]=CT和[CO32-]=CT。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院48綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院49pH<8.3，很小，[CO32-]可以忽略不計(jì)，水中只有[CO2（aq）]、[H2CO3]、[HCO3-]，可以只考慮一級(jí)電離平衡，即此時(shí)：

所以pH=pK1-lg[H2CO3*]+lg[HCO3-]。當(dāng)溶液的pH>8.3時(shí)，[H2CO3*]可以忽略不計(jì)，水中只存在[HCO3-]和[CO32-]，應(yīng)該考慮二級(jí)電離平衡，即：，所以pH=pK2-lg[HCO3-]+lg[CO32-]綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院50[H2CO3*]≈[CO2(aq)]=KHPCO2，所以cT=[CO2(aq)]/α0=[HCO3-][CO32-]③開放體系的碳酸平衡綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院51pH<6，溶液中主要是[H2CO3*]，pH=6-10.3，溶液中主要是[HCO3-]，當(dāng)pH>10.3，溶液中主要是[CO32-]。另外需要注意的是，在封閉體系中cT始終不變，但是在開放體系中，cT則是可以變化的,隨著溶液pH的升高而升高。舉例：自然情況下的水體：[H2CO3*]≈[CO2(aq)]=KHPCO2=3.34×10-7molL-1Pa-1×(1.01325-0.03164)×105pa×0.0314%=10-5molL-1綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院52由[HCO3-]以及pK1=6.35得到：[HCO3-]=所以在lgc—pH圖上：lg[HCO3-]=pH-11.3由[CO32-]及pK2=10.33得：[CO32-]=所以在lgc—pH圖上：lg[CO32-]=2pH-21.6綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院53（2）天然水中的堿度和酸度①水的堿度：水接受質(zhì)子能力的量度，指水中能與強(qiáng)酸發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即能接受質(zhì)子H+的物質(zhì)總量。堿度的主要形態(tài)為：OH-、CO32-、HCO3-。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院54強(qiáng)堿，如NaOH、Ca(OH)2等，在溶液中全部電離生成OH-離子；弱堿，如NH3、C6H5NH2等，在水中一部分發(fā)生反應(yīng)生成OH-離子；強(qiáng)堿弱酸鹽，如各種碳酸鹽、重碳酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、硫化物和腐殖酸鹽等，它們水解時(shí)生成OH-或者直接接受質(zhì)子H+。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院55堿度與生物量之間也存在著關(guān)系：簡單用下式表示：CO2+H2O+hv(光能)→{CH2O}(表示生物物質(zhì)的簡單形式)+O2HCO3-+H2O+hv(光能)→{CH2O}(表示生物物質(zhì)的簡單形式)+OH-+O2在測(cè)定已知體積水樣堿度時(shí)，可用一個(gè)強(qiáng)酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，用甲基橙為指示劑，當(dāng)溶液由黃色變?yōu)槌燃t色(pH約4.3)，停止滴定，此時(shí)所得的結(jié)果稱為總堿度，也稱為甲基橙堿度。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院56H++OH-H2O

H++CO32-HCO3-H++HCO3-H2CO3總堿度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]（甲基橙堿度）此時(shí)，CT=[H2CO3*]，所有的[HCO3-]和[CO32-]全部轉(zhuǎn)化為[H2CO3*]

如果滴定是以酚酞作為指示劑，當(dāng)溶液的pH值降到8.3時(shí)，表示OH-被中和，CO32-全部轉(zhuǎn)化為HCO3-，作為碳酸鹽只中和了一半，因此得到酚酞堿度（碳酸鹽堿度）：酚酞堿度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]（碳酸鹽堿度）此時(shí)所有的[CO32-]被中和，轉(zhuǎn)化為[HCO3-]，因此又稱為碳酸鹽堿度。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院57苛性堿度表達(dá)式為：苛性堿度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]（強(qiáng)堿堿度）。即：苛性堿度=2×酚酞堿度-總堿度苛性堿度=2×（[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]）-（[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]）=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]當(dāng)?shù)味ǖ紺T=[CO32-]，此時(shí)所有的[OH-]都被中和，因此稱為苛性堿度，此時(shí)的pH在10-11之間。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院58②和堿度相反，酸度：是指水中能與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即放出H+或經(jīng)過水解能產(chǎn)生H+的物質(zhì)的總量。而pH是水中氫離子的活度表示，因此也不同。酸度的主要形態(tài)為：H+、H2CO3*、HCO3-。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院59強(qiáng)酸，如HCl、H2SO4、HNO3等；弱酸，如CO2及H2CO3、H2S、蛋白質(zhì)以及各種有機(jī)酸類；強(qiáng)酸弱堿鹽，如FeCl3、Al2(SO4)3等。OH-+H+H2OOH-+H2CO3*HCO3-+H2OOH-+HCO3-CO32-+H2O綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院60水的酸度對(duì)于水處理具有重要意義，對(duì)于酸性廢水，常需要測(cè)定水中的酸度以確定需要加入水中的石灰或其他化學(xué)藥劑的量。以強(qiáng)堿滴定含碳酸水溶液測(cè)定其酸度時(shí)，其反應(yīng)過程與上述相反。以甲基橙為指示劑滴定到pH=4.3,得到無機(jī)酸度無機(jī)酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]（甲基橙酸度）綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院61以酚酞為指示劑滴定到pH=8.3，得到游離CO2酸度。CO2酸度=[H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]（酚酞酸度）總酸度應(yīng)在pH=10.8處得到?？偹岫?[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]總酸度=2×CO2酸度-無機(jī)酸度=2×（[H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]）-（[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]）=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院62④酸堿度和pH的關(guān)系總堿度=酚酞堿度=苛性堿度=總酸度=CO2酸度=無機(jī)酸度=綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院63[舉例]若一個(gè)天然水的pH為7.0，堿度為1.4mmol/L，求需加多少酸才能把水體的pH降低到6.0？解：

令

當(dāng)pH在5-9范圍內(nèi)、[堿度]≥10-3mol/L或pH在6-8范圍內(nèi)、[堿度]≥10-4mol/L時(shí)，[H+]、[OH-]項(xiàng)可忽略不計(jì)，得到簡化式CT=α[堿度]當(dāng)pH=7.0時(shí)，查表（或者計(jì)算）得α1=0.816,α2=3.83×10-4,則α=1.22,CT=α[堿度]=1.22×1.4=1.71mmol/L,若加強(qiáng)酸將水的pH降低到6.0，其CT值并不變化，而α為3.25，可得：[堿度]=CT/α=1.71/3.25=0.526mmol/L綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院64堿度降低值就是應(yīng)加入酸量：△A=1.4-0.526=0.874mmol/L堿化時(shí)的計(jì)算與此類似。

舉例：已知某碳酸鹽系統(tǒng)的水樣的pH=7.8，測(cè)定總堿度時(shí)，對(duì)于100mL水樣用0.02molL-1的HCl滴定，到甲基橙指示劑變色時(shí)消耗鹽酸13.7mL。求水中總無機(jī)碳的濃度，CT。解：其中，對(duì)于總堿度可以計(jì)算：總堿度=（13.7×10-3L×0.02molL-1）/（100×10-3L）=2.74×10-3molL-1當(dāng)pH=7.8時(shí)，水中主要的碳酸鹽類為HCO3-和H2CO3*。因?yàn)镵1==10-6.35,所以此時(shí)：=28.18所以α0==0.0342α1==0.9657α2≈0.00所以，可以得到：2.74×10-3=CT×α1+=CT×0.9657+所以CT=2.84×10-3molL-1綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院66（3）天然水的緩沖能力天然水體的pH值一般在6-9之間，而且對(duì)于某一水體，其pH幾乎保持不變，這表明天然水體具有一定的緩沖能力，是一個(gè)緩沖體系。對(duì)于碳酸水體系，當(dāng)pH<8.3時(shí)，可以只考慮一級(jí)碳酸平衡，故其pH值可由下式確定：綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院67

如果向水體投入△B量的堿性廢水時(shí)，相應(yīng)由△B量H2CO3*轉(zhuǎn)化為HCO3-，水體pH升高為pH＇,則：水體中pH變化為△pH=pH＇-pH，即：綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院68由于通常情況下，在天然水體中，pH=7左右，對(duì)堿度貢獻(xiàn)的主要物質(zhì)就是[HCO3-]，因此經(jīng)常情況下，可以把[HCO3-]作為堿度。若把[HCO3-]作為水的堿度，[H2CO3*]作為水中游離碳酸[CO2]，就可推出：△B=[堿度][10△pH-1]/(1+K1×10pH+△pH)△pH即為相應(yīng)改變的pH值。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院69舉例：在一個(gè)pH為6.5、堿度為1.6mmol/L的水體中，用NaOH進(jìn)行堿化，需多少堿能使pH上升至8.0?解：△pH=8-6.5=1.5,pH=6.5,堿度=1.6mmol/L所以△B=[堿度][10△pH-1]/(1+K1×10pH+△pH)=1.6×（101.5-1）/(1+10-6.35×106.5+1.5)=1.6×（101.5-1）/45.668=1.08mmol/L綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院70在天然水環(huán)境中重要的一元酸堿體系有HCN-CN—、NH4+—NH3等，二元酸堿體系有H2S-HS—S2—、H2SO3—HSO3——SO32—、H2CO3—HCO3——CO32—等，三元酸堿體系有：H3PO4—H2PO4——HPO42——PO43—等。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院71（4）酸堿化學(xué)理論在水處理中的應(yīng)用對(duì)于堿性廢水，可采用酸堿廢水相互中和、加酸中和或煙道氣中和的方法處理，因?yàn)闊煹罋庵泻蠧O2，SO2，H2S等酸性氣體，故利用煙道氣中和堿性廢水是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。例如，印染廢水(一般堿性)常采用加酸的方法處理。常用的酸有硫酸和鹽酸，其中工業(yè)硫酸價(jià)格較低，應(yīng)用較多。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院72在用強(qiáng)酸中和堿性廢水時(shí)，當(dāng)水的緩沖強(qiáng)度較小時(shí)，pH難于控制，英國采用CO2取代工業(yè)硫酸，取得很好的效果。二氧化碳的費(fèi)用較無機(jī)酸更為低廉，還有許多優(yōu)點(diǎn)：安全、靈活、可靠、易操作和便于工藝管理。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院73操作簡便

CO2能自動(dòng)地從儲(chǔ)藏容器中分布到各注入點(diǎn)。它不同于無機(jī)酸，在使用前不需稀釋。改善工藝流程使用CO2中和時(shí)，pH值曲線變化緩慢，與之相反，用H2S04中和時(shí)曲線在pH=10-7迅速下降(幾乎為垂直)。這是無機(jī)酸的特點(diǎn)，因?yàn)樗茐牧怂淖匀痪彌_能力?？梢娪脽o機(jī)酸準(zhǔn)確地控制pH值通常是困難的，而用CO2可以使pH值下降速率達(dá)到較平穩(wěn)的狀態(tài)。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院74設(shè)備效率高因?yàn)镃O2系統(tǒng)可移動(dòng)部件少，不用計(jì)量泵，維修方便，可靠性也高。氣態(tài)CO2無腐蝕性，所以該系統(tǒng)可長期穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。有利于環(huán)境在水中，CO2由植物、魚類等呼吸作用產(chǎn)生，僅對(duì)水的酸度產(chǎn)生影響。它不增加對(duì)環(huán)境有額外影響的陰子，如SO42-、Cl-等。費(fèi)用低商品CO2不是制造的，而是從廢氣中獲得的，而是一種較純的可循環(huán)的產(chǎn)品。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院754、天然水的水質(zhì)①水質(zhì)指標(biāo)l

水質(zhì)、水量和水能是度量水資源可利用價(jià)值的三個(gè)重要指標(biāo)。水質(zhì)指標(biāo)指水樣中除水分子外所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量或濃度。天然水(也兼及各種用水、廢水)的水質(zhì)指標(biāo)，可分為物理、化學(xué)、生物、放射性四大類。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院76物理指標(biāo)：水溫，pH值、色度、濁度、懸浮物化學(xué)指標(biāo)：硫酸鹽、氯化物、總鐵(TFe)、總砷(TAs)、總鋅(TZn)、總氮(TN)、總磷（TP）、總鉛（TPb）、總氰化物（TCN）、溶解氧、電導(dǎo)率、硬度、堿度、CODMn(高錳酸鹽法)、CODcr（重鉻酸鉀法）、BOD5、BOD20、TOD(總需氧量)、TOC。生物指標(biāo)：細(xì)菌總數(shù)、藻類、總大腸桿菌。放射性指標(biāo)：放射性物質(zhì)濃度水平（60Co（鈷）、90Sr（鍶）、106Rn（氡）、137Cs(銫)）?？偊练派湫裕˙q/L）、總β放射性（Bq/L）綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院77②水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的分類Ⅰ類：適用于源頭水、國家自然保護(hù)區(qū)；Ⅱ類：適用于集中式生活飲用水水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)、珍貴魚類保護(hù)區(qū)、魚蝦產(chǎn)卵場(chǎng)；Ⅲ類：適用于集中式生活飲用水水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、一般魚類保護(hù)區(qū)及游泳區(qū)；Ⅳ類：適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)；Ⅴ類：適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院78三、水體污染和自凈（一）、水體污染與自凈水體污染由于人類活動(dòng)排放的污染物進(jìn)入河流、湖泊、海洋或地下水等水體，使水和水體底泥的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物群落組成發(fā)生變化，從而降低了水體的使用價(jià)值，這種現(xiàn)象稱為水體污染。水體自凈指受污染的水體由于物理、化學(xué)、生物等方面的作用，使污染物濃度逐漸降低，經(jīng)物理自凈污染物進(jìn)入水體一段時(shí)間后恢復(fù)到受污染前狀態(tài)的過程。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院79化學(xué)自凈污染物進(jìn)入水體后經(jīng)絡(luò)合、氧化還原、沉淀反應(yīng)等而得到凈化。

生物自凈在生物的作用下，污染物的數(shù)量減少，濃度下降，毒性減輕或消失.水體中的污染物水體污染包括無機(jī)和有機(jī)有毒物質(zhì)、耗氧有機(jī)物、石油類、放射性物質(zhì)、熱污染以及病原微生物等。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院80病原體污染物生活污水、畜禽飼養(yǎng)場(chǎng)污水以及制革、洗毛、屠宰業(yè)和醫(yī)院等排出的廢水，常含有各種病原體，如病毒、病菌、寄生蟲。病原體污染的特點(diǎn)（1）數(shù)量大，（2）分布廣，（3）存活時(shí)間較長，（4）繁殖速度快，（5）易產(chǎn)生抗藥性，很難絕滅，（6）傳統(tǒng)的二級(jí)生化污水處理及加氯消毒后，某些病原微生物、病毒仍能大量存活。耗氧污染物耗氧有機(jī)物濃度常用單位體積水中耗氧物質(zhì)生化分解過程所消耗的氧量表示，即以生化需氧量(BOD5)表示。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院81植物營養(yǎng)物植物營養(yǎng)物主要指氮、磷等能刺激藻類及水草生長、干擾水質(zhì)凈化，使BOD5升高的物質(zhì)。富營養(yǎng)化是指在人類活動(dòng)的影響下，生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其它浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，魚類及其它生物大量死亡的現(xiàn)象。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院82有毒污染物質(zhì)

是指進(jìn)入生物體后累積到一定數(shù)量能使體液和組織發(fā)生生化和生理功能的變化，引起暫時(shí)或特久的病理狀態(tài)，甚至危及生命的物質(zhì)。有毒污染物類型：（1）重金屬（2）無機(jī)陰離子（3）致癌有機(jī)物質(zhì)（4）一般有機(jī)物質(zhì)。石油污染石油是烷烴、烯烴和芳香烴混合物。石油污染物主要來自工業(yè)排放，清洗石油運(yùn)輸船只的船艙、機(jī)件及發(fā)生意外事故，海上采油等均可造成石油污染。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院83綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院84放射性污染物放射性污染是由放射性物質(zhì)進(jìn)入水體造成。放射性污染物主要來源于核動(dòng)力工廠排出的冷卻水，向海洋投棄的放射性廢物，核爆炸降落到水體的散落物，核動(dòng)力船舶事故泄漏的核燃料；開采、提煉和使用放射性物質(zhì)時(shí)，如果處理不當(dāng)，也會(huì)造成放射性污染。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院85酸、堿、鹽無機(jī)物污染：熱污染熱污染是一種能量污染，是由工礦企業(yè)向水體排放高溫廢水造成。水環(huán)境中污染物，總體上可劃分為金屬污染物和有機(jī)污染物兩大類。

綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院86四、水中污染物的分布和存在形態(tài)1、20世紀(jì)60年代美國學(xué)者曾把水中污染物大體劃分為八類：①耗氧污染物(一些能夠較快被微生物降解成為二氧化碳和水的有機(jī)物)；②致病污染物(一些可使人類和動(dòng)物患病的病原微生物與細(xì)菌)；③合成有機(jī)物；④植物營養(yǎng)物；⑤無機(jī)物及礦物質(zhì)；⑥由土壤、巖石等沖刷下來的沉積物；⑦放射性物質(zhì)；⑧熱污染。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院872、污染物毒性取決于形態(tài)3、難降解有機(jī)物和金屬污染物有機(jī)污染物(摘要介紹)(1)農(nóng)藥：水中常見的農(nóng)藥主要為有機(jī)氯和有機(jī)磷農(nóng)藥，此外還有氨基甲酸酯類農(nóng)藥。它們通過噴施農(nóng)藥、地表徑流及農(nóng)藥工廠的廢水排入水體中。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院88例：美國密執(zhí)安湖中DDT富集過程的含量變化環(huán)境介質(zhì)DDT濃度（mg/L）濃縮倍數(shù)湖水0.000002-底泥0.0147.000蝦0.04120.500魚類3-61.500.000-3.000.000海鷗9949.500.000綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院89(2)多氯聯(lián)苯(PCBs)：多氯聯(lián)苯是聯(lián)苯氯化而成。極難溶于水，不易分解，但易溶于有機(jī)溶劑和脂肪，具有高的辛醇—水分配系數(shù)，能強(qiáng)烈的分配到沉積物有機(jī)質(zhì)和生物脂肪中，因此，即使它在水中濃度很低時(shí)，在水生生物體內(nèi)和沉積物中的濃度仍然可以很高。

(3)鹵代脂肪烴：大多數(shù)鹵代脂肪烴可揮發(fā)至大氣，并進(jìn)行光解。在地表水中能進(jìn)行生物或化學(xué)降解，但與揮發(fā)速率相比，其降解速率是很慢的。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院90(4)單環(huán)芳香族化合物：多數(shù)單環(huán)芳香族化合物與鹵代脂肪烴一樣，在地表水中主要是揮發(fā)，然后是光解?？偟膩碚f，單環(huán)芳香族化合物在地表水中不是持久性污染物，其生物降解和化學(xué)降解速率均比揮發(fā)速率低(個(gè)別除外)，因此，對(duì)這類化合物吸附和生物富集均不是重要的遷移轉(zhuǎn)化過程。(5)苯酚類：具有高的水溶性、低辛醇—水分配系數(shù)等性質(zhì)，大多數(shù)酚主要?dú)埩粼谒?。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院91(6)多環(huán)芳烴類(PAHs)：在水中溶解度很小，辛醇—水分配系數(shù)高，是地表水中滯留性污染物，主要累積在沉積物、生物體內(nèi)和溶解的有機(jī)質(zhì)中。金屬污染物(1)鎘：工業(yè)含鎘廢水的排放，大氣鎘塵的沉降和雨水對(duì)地面的沖刷，都可使鎘進(jìn)入水體。鎘是水遷移性元素，除了硫化鎘外，其他鎘的化合物均能溶于水。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院92(2)汞：天然水體中汞一般不超過1.0ug/L。污染主要來自生產(chǎn)汞的廠礦、有色金屬冶煉以及使用汞的生產(chǎn)部門排出的工業(yè)廢水。(3)鉛：目前幾乎在地球上每個(gè)角落都能檢測(cè)出鉛。礦山開采、金屬冶煉、汽車廢氣、燃煤、油漆、涂料等都是環(huán)境中鉛的主要來源。巖石風(fēng)化及人類的生產(chǎn)活動(dòng)，使鉛不斷由巖石向大氣、水、土壤、生物轉(zhuǎn)移，從而生物轉(zhuǎn)移，從而對(duì)人體的健康構(gòu)成潛在威脅。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院93(4)砷：巖石風(fēng)化、土壤侵蝕、火山作用以及人類活動(dòng)都能使砷進(jìn)入天然水中。淡水中砷含量為0.2—230ug/L，平均為1.0ug／L。天然水中砷可以H3AsO3、H2AsO3-、H3AsO4、H2AsO4-、HAsO42-、AsO43-等形態(tài)存在，在適中的Eh值和pH呈中性的水中，砷主要以H3AsO3為主。但在中性或弱酸性富氧水體環(huán)境中則以H2AsO4-、HAsO42-為主。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院94

(5)鉻：廣泛存在于環(huán)境中。冶煉、電鍍、制革、印染等工業(yè)將含鉻廢水排入水體，均會(huì)使水體受到污染。

(6)銅：冶煉、金屬加工、機(jī)器制造、有機(jī)合成及其他工業(yè)排放含銅廢水是造成水體銅污染的重要原因。(7)鋅：天然水中鋅含量為2—330ug／L，但不同地區(qū)和不同水源的水體，鋅含量有很大差異。各種工業(yè)廢水的排放是引起水體鋅污染的主要原因。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院954、水中主要化學(xué)污染物的污染特征序號(hào)污染類型污染物污染特征廢水來源1酸堿污染無機(jī)酸堿或有機(jī)酸堿PH異常礦山、石油、化工、化肥、造紙、電鍍、酸洗、酸雨2重金屬污染Hg、Cr、Cd、Pb、Zn毒性礦山、冶金、電鍍、儀表、顏料3非金屬污染As、CN、F、S、Se毒性化工、火電站、農(nóng)藥、化肥等工業(yè)4需氧有機(jī)物污染糖類、蛋白類、油脂、木質(zhì)素耗氧、缺氧食品、紡織、造紙、制革、化工、生活污水、農(nóng)田排水5農(nóng)藥污染有機(jī)氯農(nóng)藥、PCBs、有機(jī)磷農(nóng)藥嚴(yán)重時(shí)生物滅絕農(nóng)藥、化工、煉油、農(nóng)田排水6易分解有機(jī)物污染酚類、苯、醛類耗氧、異味、毒性制革、煉油、化工、煤礦、化肥、生活污水、地面徑流7油類污染石油及其制品飄浮、乳化、顏色石油開采、煉油、油輪綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院96五、典型水污染的特征1、病原微生物污染病原微生物污染主要指的是含有各種細(xì)菌、病毒等各類病原菌的工業(yè)廢水和生活污水所造成的污染，如生物制品、洗毛、制革、屠宰等工廠和醫(yī)院排出的工業(yè)廢水和糞便污水。病原微生物污染特點(diǎn)是，數(shù)量大，分布廣，存活時(shí)間長，繁殖速度快，易產(chǎn)生抗藥性而很難滅絕。即使經(jīng)二級(jí)生化污水處理及加氯消毒，某些病原微生物及病毒仍能存活。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院97舉例：古羅馬瘟疫為何如此猖獗：古羅馬曾經(jīng)流行過幾次瘟疫。公元前33年、公元65年、公元79年和公元162年瘟疫曾多次光顧羅馬，使鼎盛時(shí)期有100萬人口的城市經(jīng)常變得蕭條冷落。當(dāng)時(shí)羅馬遠(yuǎn)郊的幾個(gè)大坑是專門埋葬死于瘟疫的人。原來，當(dāng)時(shí)整個(gè)羅馬城沒有完善的排水設(shè)施，只有一條大排水溝接納城市所有的生活污水，并且經(jīng)常擔(dān)當(dāng)著垃圾箱的角色。人們不僅往溝里倒污水，還把垃圾和糞便一并倒在里面，使這條流動(dòng)的大壕溝成了各種病原體的攜帶者。它流到哪里，就把疾病帶到哪里。于是，羅馬就成了瘟疫等流行病的多發(fā)區(qū)。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院98

2、需氧有機(jī)物污染某些工業(yè)廢水和生活污水中往往含有大量的有機(jī)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、脂肪、糖、木質(zhì)素等，它們?cè)谂湃胨w后，在有溶解氧的情況下，經(jīng)水中需氧微生物的生化氧化最后分解成C02和硝酸鹽等，或者是有些還原性的無機(jī)化合物如亞硫酸鹽、硫化物、亞鐵鹽和氨等，在水中經(jīng)化學(xué)氧化變成高價(jià)離子存在。在上述這些過程中，均會(huì)大量消耗水中的溶解氧，給魚類等水生生物帶來危害，并可使水發(fā)生惡臭現(xiàn)象。因此，這些有機(jī)物和無機(jī)物統(tǒng)稱為需氧污染物。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院99(1)溶解氧(簡稱DO)溶解于水中的氧氣稱為“溶解氧”。(2)生化需氧量(BOD)水中微生物攝取有機(jī)物使之氧化分解時(shí)所消耗的氧量。(3)化學(xué)需氧量(COD)用化學(xué)氧化劑(如重鉻酸鉀或高錳酸鉀)氧化水中有機(jī)物(芳香族化合物在反應(yīng)中不能被完全氧化應(yīng)除去)及某些還原性離子所消耗的氧化劑的氧量，用CODMn，(稱為化學(xué)需氧量COD)或CODM。(稱為高錳酸鹽指數(shù))表示。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院100(4)總有機(jī)碳(TOC)和總需氧量(TOD)

由于采用BOD5測(cè)試方法不能準(zhǔn)確反映水體被需氧有機(jī)質(zhì)污染的程度，而用總有機(jī)碳和總需氧量測(cè)定方法比較準(zhǔn)確快速。(5)理論需氧量(ThOD)

根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的有機(jī)物完全氧化時(shí)所需要氧的量。這是一個(gè)對(duì)廢水作全化學(xué)分析以后的理論計(jì)算值。廢水中氧參數(shù)間關(guān)系:ThOD=100%,TOD=92%,CODcr=83%,BOD20=65%，BOD5=58%綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院101富營養(yǎng)化是指水流緩慢和更新期長的地表水中，由于接納大量的生物所需要的氮磷等營養(yǎng)物引起藻類等浮游生物迅速繁殖，最終可能導(dǎo)致魚類和其他生物大量死亡的水體污染現(xiàn)象。

3、富營養(yǎng)化污染綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院102舉例：觸目驚心的赤潮中毒事件1971年春夏季節(jié)，在美國佛羅里達(dá)州中西部沿岸水域發(fā)生過一次短裸甲藻赤潮，使1500km2海域內(nèi)的生物幾乎全部滅絕。這種短裸甲藻含有神經(jīng)性貝毒，人們?nèi)羰秤煤羞@種毒素的軟體動(dòng)物，可在3h內(nèi)出現(xiàn)中毒癥狀。在有毒赤潮細(xì)胞中，有一種西加魚毒。目前，全球因誤食西加魚毒而中毒的患者每年達(dá)萬人。此類病情一般在食用有毒魚類后1—6h內(nèi)發(fā)作，也有些人因呼吸衰竭或血液循環(huán)破壞而急性死亡。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院103惡臭是一種普遍的污染危害，惡臭是指引起多數(shù)人不愉快感覺的氣味，它是典型的公害之一。人能嗅到的惡臭物多達(dá)4000多種，危害大的有幾十種。惡臭產(chǎn)生的原因是由于發(fā)臭物質(zhì)都具有“發(fā)臭團(tuán)”的分子結(jié)構(gòu)，例如硫代(＝S)、巰基(一SH)、硫氰基(一SCN)等等。因發(fā)臭團(tuán)的不同，臭氣也各有不同：腐敗的魚臭(胺類)、臭腐類(硫化氫)、刺激臭(氨、醛類)等。4、感官性污染物(含惡臭污染)綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院1045、酸、堿、鹽污染污染水體的酸主要來自于礦山排水及人造纖維、酸法造紙、酸洗廢液等工業(yè)廢水，雨水淋洗含酸性氧化物的空氣后，匯入地表水體也能造成酸污染。礦石排水中酸由硫化礦物的氧化作用而產(chǎn)生，無論是在地下或露天開采中，酸形成的機(jī)制是相同的。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院1056、毒污染

(1)非金屬無機(jī)毒物

CN—、F—等是非金屬無機(jī)毒物類的代表。(2)重金屬與類金屬無機(jī)毒物主要有Hg、Cd、Pb、Cr、As等。(3)易分解有機(jī)毒物：水中易分解有機(jī)毒物主要有揮發(fā)性酚、醛、苯等。(4)難分解有機(jī)毒物難分解有機(jī)毒物主要有有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥和有機(jī)汞農(nóng)藥。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院1067、油污染石油進(jìn)入海洋后造成的危害是非常明顯的，主要有以下幾方面。(1)破壞優(yōu)美的濱海風(fēng)景，降低其作為療養(yǎng)、旅游等的使用價(jià)值。(2)嚴(yán)重危害水生生物，尤其是海洋生物。

（3)組成成分中含有毒物質(zhì)，特別是其中沸點(diǎn)在300—400'E間的稠環(huán)芳烴，大多是致癌物，如苯并芘、苯并葸等。(4)油膜厚4—10cm就會(huì)阻礙水的蒸發(fā)和氧氣進(jìn)入，魚類難以生存。(5)引起河面火災(zāi)，危及橋梁、船舶等。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院107第二節(jié)、水中無機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化

一、顆粒物與水之間的遷移二、水中膠體顆粒物聚集的基本原理和方式三、溶解和沉淀四、氧化—還原

五、配合作用

綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院108無機(jī)污染物，特別是重金屬和準(zhǔn)金屬等污染物，一旦進(jìn)入水環(huán)境，不能被生物降解;主要通過吸附—解吸、沉淀—溶解、氧化—還原、配合作用、膠體形成等一系列物理化學(xué)作用進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，參與和干擾各種環(huán)境化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)過程；最終以一種或多種形式長期存留在環(huán)境中，造成永久性的潛在危害。重點(diǎn)介紹重金屬污染物在水環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的基本原理。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院109一、顆粒物與水之間的遷移

1、水中顆粒物的類別天然水中顆粒物主要包括五大類：礦物、金屬水合氧化物、腐殖質(zhì)、懸浮物、其他泡沫、表面活性劑等半膠體以及藻類、細(xì)菌、病毒等生物膠體。（1）非粘土礦物和粘土礦物：都是原生巖石在風(fēng)化過程中形成的。非粘土礦物：天然水中常見為石英(SiO2)、長石(KalSi3O8)等，晶體交錯(cuò)，結(jié)實(shí)、顆粒粗，不易碎裂，缺乏粘結(jié)性（例如沙子主要成分為：SiO2）。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院110粘土礦物：天然水中常見為云母、蒙脫石、高嶺石，層狀結(jié)構(gòu)，易于碎裂，顆粒較細(xì)，具有粘結(jié)性，可以生成穩(wěn)定的聚集體。其中的粘土礦物是天然水中最重要、最復(fù)雜的無機(jī)膠體，是天然水中具有顯著膠體化學(xué)特性的微粒。主要成分為鋁或鎂的硅酸鹽，具有片狀晶體結(jié)構(gòu)；綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院111粘土礦物的層狀晶體基本由兩種原子層構(gòu)成，一種是硅氧四面體（硅氧片），另一種是鋁氫氧原子層（水鋁片），其間主要靠氫鍵連接，因此易于斷裂開來。SiOOOOAlOOHOOHOHOH綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院112（2）金屬水合氧化物：鋁、鐵、錳、硅等金屬的水合氧化物在天然水中以無機(jī)高分子及溶膠等形態(tài)存在，在水環(huán)境中發(fā)揮重要的膠體化學(xué)作用。天然水中幾種重要的容易形成金屬水合氧化物的金屬：鋁在巖石和土壤中是大量元素，在天然水中濃度低，不超過0.1mg/L。鋁水解，主要形態(tài)AL3+、Al(OH)2+、Al2(OH)24+、Al(OH)2+、Al(OH)3和Al(OH)4－，隨pH值變化而改變形態(tài)濃度比例。一定條件下會(huì)發(fā)生聚合，生成多核配合物或無機(jī)高分子，最終生成[Al(OH)3]n的無定形沉淀物。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院113鐵是廣泛分布元素，水解反應(yīng)和形態(tài)與鋁類似。在不同pH值下，F(xiàn)e(Ⅲ)的存在形態(tài)是Fe3+、Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+和Fe(OH)3。固體沉淀物可轉(zhuǎn)化為FeOOH的不同晶形物。同樣，它也可以聚合成為無機(jī)高分子和溶膠。錳與鐵類似，其豐度雖然不如鐵，溶解度比鐵高，也是常見的水合金屬氧化物。硅酸的單體H4SiO4，若寫成Si(OH)4，則類似于多價(jià)金屬，是一種弱酸，過量的硅酸將會(huì)生成聚合物，并可生成膠體以至沉淀物。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院114重要的水合氧化物主要有：褐鐵礦：Fe2O3﹒nH2O水化赤鐵礦：2Fe2O3﹒H2O得到具有重要膠體作用的：針鐵礦：Fe2O3﹒H2O水解[Al(OH)3]∞聚合無機(jī)高分子水鋁石：Al2O3﹒H2O[FeOOH]∞聚合無機(jī)高分子三水鋁石：Al2O3﹒3H2O[MnOOH]∞聚合無機(jī)高分子二氧化硅凝膠：SiO2﹒nH2O[Si(OH)4]∞聚合無機(jī)高分子水錳礦：Mn2O3﹒H2O

所有的金屬水合氧化物都能結(jié)合水中微量物質(zhì)，同時(shí)其本身又趨向于結(jié)合在礦物微粒和有機(jī)物的界面上。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院115（3）腐殖質(zhì)：最早由土壤學(xué)研究者所發(fā)現(xiàn)，主要就是腐殖酸，例如富里酸、胡敏酸等。屬于芳香族化合物，有機(jī)弱酸性，分子量從700-200000不等；帶負(fù)電的高分子弱電解質(zhì)，其形態(tài)構(gòu)型與官能團(tuán)（羧基、羰基、羥基）的離解程度有關(guān)。在pH較高的堿性溶液中或離子強(qiáng)度低的條件下，溶液中的OH-將腐殖質(zhì)理解出的H+中和掉，因而分子間的負(fù)電性增強(qiáng)，排斥力增加，親水性強(qiáng)，趨于溶解。在pH較低的酸性溶液（H+多，正電荷多），或有較高濃度的金屬陽離子存在時(shí)，各官能團(tuán)難于離解而電荷減少，高分子趨于卷縮成團(tuán)，親水性弱，因而趨于沉淀或凝聚。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院116（4）水體懸浮沉積物：天然水體中各種環(huán)境膠體物質(zhì)相互作用結(jié)合成聚集體，即為水中懸浮沉積物，它們可以沉降進(jìn)入水體底部，也可重新再懸浮進(jìn)入水中。一般懸浮沉積物是以礦物微粒，特別是粘土礦物為核心骨架，有機(jī)物和金屬水合氧化物結(jié)合在礦物微粒表面上，成為各微粒間的粘附架橋物質(zhì)，把若干微粒組合成絮狀聚集體（聚集體在水體中的懸浮顆粒粒度一般在數(shù)十微米以下），經(jīng)絮凝成為較粗顆粒而沉積到水體底部。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院117（5）其他：湖泊中的藻類，污水中的細(xì)菌、病毒、廢水排出的表面活性劑、油滴等，也都有類似的膠體化學(xué)表現(xiàn)，起類似的作用。2、水環(huán)境中顆粒物的吸附作用主要有表面吸附、離子交換吸附、專屬吸附三種類型。（1）表面吸附：是一種物理吸附，其吸附過程不發(fā)生化學(xué)變化，發(fā)生的關(guān)鍵是膠體顆粒具有巨大的比表面積，因此膠體具有巨大的表面能。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院118單位比表面積(ρ為密度)=面積（球）/重量==（cm2/g）表面能（又稱為表面吸附能）：任何分子之間均存在引力，在物體內(nèi)部，某分子受到各方面作用力相等，因而處于平衡狀態(tài)，但是在膠體表面上，分子受力不均勻（因?yàn)楸砻娣肿又車姆肿訑?shù)量不相等），因而產(chǎn)生了所謂的表面能。計(jì)算實(shí)例：某湖泊底泥ρ=2.65g/cm3，10%為直徑D=1um（10-4cm）的顆粒物，求面積S=100m2，深度h=0.2m的底泥中，所有直徑D=1um（10-4cm）的顆粒物比表面積？綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院119

解：先計(jì)算單位比表面積(ρ為密度)=面積（球）/重量==

=2.264×104（cm2/g）

其次計(jì)算總體積=100m2×0.2m×10%=2m3=2×106cm3所以總重量=總體積×比重=2×106cm3×2.65g/cm3=5.3×106g所以總比表面積=5.3×106g×2.264×104（cm2/g）=12×1010cm3=12萬m3綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院120由于膠體具有巨大的比表面和表面能，因此固液界面存在表面吸附作用，膠體表面積愈大，所產(chǎn)生的表面吸附能也愈大，膠體的吸附作用也就愈強(qiáng)，它是屬于一種物理吸附。一般么蒙脫石單位比表面積=800m2/g左右，伊利石=30-80m2/g，高嶺石=10-50=800m2/g，腐殖質(zhì)=400-900m2/g，無定型氫氧化鐵[Fe(OH)3]∞=300m2/g左右。（2）離子交換吸附：是一種物理化學(xué)吸附，主要是膠體對(duì)各種介質(zhì)離子的吸附，曾有人稱之為“極性吸附”。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院121一般情況下，環(huán)境中大部分膠體（包括粘土礦物、有機(jī)膠體、含水氧化物等）帶負(fù)電荷，容易吸附各種陽離子，在吸附過程中，膠體每吸附一部分陽離子，同時(shí)也放出等量的其他陽離子，因此把這種吸附稱為離子交換吸附，它屬于物理化學(xué)吸附。需要說明的是，這種負(fù)電荷一部分是永久負(fù)電荷，主要是由于晶格中離子的同晶替代造成的，例如硅氧四面體中的Si4+被Al3+所取代，或者鋁氫氧八面體中的Al3+被Mg2+所取代等，都會(huì)產(chǎn)生這種永久負(fù)電荷。另一部分為可變電荷，主要隨著環(huán)境pH的改變而發(fā)生改變，原因是Si-OH中的H+在堿性溶液中的離解。Si-OH+OH-=Si-O-+H2O。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院122特征：這種吸附是一種可逆反應(yīng)，能夠迅速達(dá)到平衡。不受溫度影響，酸堿條件下均可進(jìn)行，其交換吸附能力與溶質(zhì)的性質(zhì)、濃度及吸附劑性質(zhì)等有關(guān)。對(duì)于那些具有可變電荷表面的膠體，當(dāng)體系pH高時(shí)，也帶負(fù)電荷并能進(jìn)行交換吸附。離子交換吸附對(duì)于從概念上解釋膠體顆粒表面對(duì)水合金屬離子的吸附是有用的，但是對(duì)于那些在吸附過程中表面電荷改變符號(hào)，甚至可使離子化合物吸附在同號(hào)電荷的表面上的現(xiàn)象無法解釋。因此，近年來有學(xué)者提出了專屬吸附作用。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院123（3）專屬吸附：是指吸附過程中，除了化學(xué)鍵的作用外，尚有加強(qiáng)的憎水鍵和范德華力或氫鍵在起作用。專屬吸附作用不但可使表面電荷改變符號(hào)，而且可使離子化合物吸附在同號(hào)電荷的表面上。在水環(huán)境中，配合離子、有機(jī)離子、有機(jī)高分子和無機(jī)高分子的專屬吸附作用特別強(qiáng)烈。例如，簡單的Al3+、Fe3+高價(jià)離子并不能使膠體電荷因吸附而變號(hào)，但其水解產(chǎn)物卻可達(dá)到這種效果，這就是發(fā)生專屬吸附的結(jié)果。水合氧化物膠體對(duì)重金屬離子有較強(qiáng)的專屬吸附作用，這種吸附作用發(fā)生在膠體雙電層的Stern層中，被吸附的金屬離子進(jìn)入Stern層后。不能被通常提取交換性陽離子的提取劑提取，只能被親和力更強(qiáng)的金屬離子取代，或在強(qiáng)酸性條件下解吸。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院124專屬吸附的另一特點(diǎn)是它在中性表面甚至在與吸附離子帶相同電荷符號(hào)的表面也能進(jìn)行吸附作用。例如，水錳礦對(duì)堿金屬(K、Na)的吸附作用屬于離子交換吸附，而對(duì)于Co、Cu、Ni等過渡金屬元素離子的吸附則屬于專屬吸附。下表列出水合氧化物對(duì)重金屬離子的專屬吸附機(jī)理與交換吸附的區(qū)別。水合氧化物對(duì)金屬離子的專屬吸附與非專屬吸附的區(qū)別項(xiàng)目非專屬吸附專屬吸附發(fā)生吸附的表面凈電荷的符號(hào)金屬離子所起的作用吸附時(shí)所發(fā)生的反應(yīng)發(fā)生吸附時(shí)要求體系的pH值吸附發(fā)生的位置—反離子陽離子交換>零電位點(diǎn)擴(kuò)散層—、0、+配位離子配位體交換任意值內(nèi)層注：本表摘自陳靜生主編，1987。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院1253、吸附等溫線吸附等溫線和等溫式：吸附是指溶液中的溶質(zhì)在界面層濃度升高的現(xiàn)象。水體中顆粒物對(duì)溶質(zhì)的吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程，在固定的溫度條件下，當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，顆粒物表面上的吸附量(G)與溶液中溶質(zhì)平衡濃度(c)之間的關(guān)系，可用吸附等溫線來表達(dá)。水體中常見的吸附等溫線有三類：Henry型、Freundlich型、Langmuir型，簡稱為H、F、L型。H型等溫線為直線型，其等溫式為：G=kC式中：k—分配系數(shù)。該等溫式表明溶質(zhì)在吸附劑與溶液之間按固定比值分配。F型等溫式為：G=kC1/n

若兩側(cè)取對(duì)數(shù)，則有：

綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院126以lgG對(duì)lgc作圖可得一直線。lgk為截距，因此，k值是c=1時(shí)的吸附量，它可以大致表示吸附能力的強(qiáng)弱。為斜率，它表示吸附量隨濃度增長的強(qiáng)度。該等溫線不能給出飽和吸附量。

L型等溫式為：G=G0c/(A+c)式中：G0——單位表面上達(dá)到飽和時(shí)間的最大吸附量；

A——常數(shù)。G對(duì)c作圖得到一條雙曲線，其漸近線為G=G0,即當(dāng)c→∞時(shí)，G→G0。在等溫式中A為吸附量達(dá)到時(shí)溶液的平衡濃度。轉(zhuǎn)化為：1/G=1/G0+(A/G0)(1/c)綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院127以對(duì)作圖，同樣得到一直線。

等溫線在一定程度上反映了吸附劑與吸附物的特性，其形式在許多情況下與實(shí)驗(yàn)所用溶質(zhì)濃度區(qū)段有關(guān)。當(dāng)溶質(zhì)濃度甚低時(shí)，可能在初始區(qū)段中呈現(xiàn)H型，當(dāng)濃度較高時(shí)，曲線可能表現(xiàn)為F型，但統(tǒng)一起來仍屬于L型的不同區(qū)段。

影響吸附作用的因素有以下幾種：首先是溶液pH值對(duì)吸附作用的影響。在一般情況下，顆粒物對(duì)重金屬的吸附量隨pH值升高而增大。當(dāng)溶液pH超過某元素的臨界pH值時(shí)，則該元素在溶液中的水解、沉淀起主要作用。吸附量(G)與pH、平衡濃度(C)之間的關(guān)系可用下式表示：G=A·C·10BpH式中：A、B—常數(shù)。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院128其次是顆粒物的粒度和濃度對(duì)重金屬吸附量的影響。顆粒物對(duì)重金屬的吸附量隨粒度增大而減少，并且，當(dāng)溶質(zhì)濃度范圍固定時(shí)，吸附量隨顆粒物濃度增大而減少。此外，溫度變化、幾種離子共存時(shí)的競爭作用均對(duì)吸附產(chǎn)生影響。4、解吸作用（以沉積物中重金屬的釋放為例）重金屬從懸浮物或沉積物中重新釋放屬于二次污染問題，不僅對(duì)于水生生態(tài)系統(tǒng)，而且對(duì)于飲用水的供給都是很危險(xiǎn)的。誘發(fā)釋放的主要因素有：綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院129（1）pH值降低：pH值降低，導(dǎo)致碳酸鹽和氫氧化物的溶解，H+的競爭作用增加了金屬離子的解吸量，H+被吸附而導(dǎo)致一些帶正電荷的金屬離子被釋放。在一般情況下，沉積物中重金屬的釋放量隨著反應(yīng)體系pH的升高而降低。其原因既有H+離子的競爭吸附作用，也有金屬在低pH條件下致使金屬難溶鹽類以及配合物的溶解等。因此，在受納酸性廢水排放的水體中，水中金屬的濃度往往很高。綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院130（2）還原條件增強(qiáng)：還原條件下，F(xiàn)e、Mn等的氧化物溶解，其吸附的金屬離子被釋放出來，因此在湖泊、河口及近岸沉積物中一般均有較多的耗氧物質(zhì)，使一定深度以下沉積物中的氧化還原電位急劇降低，并將使鐵、錳氧化物可部分或全部溶解，故被其吸附或與之共沉淀的重金屬離子也同時(shí)釋放出來。（3）鹽濃度升高：鹽度變化可以增加離子的吸附交換量，堿金屬和堿土金屬陽離子可將被吸附在固體顆粒上的其他金屬離子交換出來，這是金屬從沉積物中釋放出來的主要途徑之一。例如：水體中堿金屬和堿土金屬Ca2+、Na+、Mg2+離子對(duì)懸浮物中銅、綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院131鉛和鋅的交換釋放作用。在0.5mol/LCa2+離子作用下，懸浮物中的鉛、銅、鋅可以解吸出來，這三種金屬被鈣離子交換的能力不同，其順