水中无机物的迁移转化共74页
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第三章 水环境化学水中无机污染物的迁移转化汇总
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1. 胶体颗粒凝聚的基本原理和方式
1) 带电胶粒稳定性的经典理论--DLVO理论 带电胶粒的两种相互作用力
双电层重叠时的静电排斥力 粒子间的长程范德华吸引力
DLVO理论认为，当吸引力占优势时，溶胶发生聚 沉； 当排斥力占优势，并大到足以阻碍胶粒由于 布朗运动而发生聚沉时，则胶体处于稳定状态。 颗粒在相互接近时两种力相互作用的总位能随相 隔距离的变化而变化： 总位能 VT=VR+VA 式中：VA——由范德华力所产生的位能； VR——由静电排斥力所产生的位能。
4
一 、 颗粒物与水之间的迁移
2、水环境中颗粒物的吸附作用
专属吸附是指吸附过程中，除了化学键的作
用外，尚有加强的憎水键和范德华力或氢键在 起作用。
专属吸附作用不但可使表面电荷改变符号， 而且可使离子化合物吸附在同号电荷的表面上。
5
表3－8水合氧化物对金属离子的专属吸附 与非专属吸附的区别
项目 非专属吸附 专属吸附 发生吸附的表面净电荷的符号 － －、0、＋ 金属离子所起的作用 反离子 配位离子 吸附时发生的反应 阳离子交换 配位体交换 发生吸附时体系的PH值 >零电位点 任意值 吸附发生的位置 扩散层 内层 对表面电荷的影响 无 负电荷减少， 正电荷增多 注：本表摘自陈静生主编，1987。
(4)水体悬浮沉积物
悬浮沉积物是以矿物微粒，特别是粘土矿物 为核心骨架，有机物和金属水合氧化物结合在矿 物微粒表面上，成为各微粒间的粘附架桥物质， 把若干微粒组合成絮状聚集体（聚集体在水体中 的悬浮颗粒粒度一般在数十微米以下），经絮凝 成为较粗颗粒而沉积到水体底部。
(5)其他
3
一、 颗粒物与水之间的迁移
3.2水中无机污染物的迁移转化（1）
3.2水中无机污染物的迁移转化（1）第三章：水环境化学——污染物存在形态第二节、水中无机污染物的迁移转化● 无机污染物，特别是重金属和准金属等污染物，一旦进入水环境，不能被生物降解; ●理化学作用进行迁移转化，参与和干扰各种环境化学过程和物质循环过程；● 最终以一种或多种形式长期存留在环境中，造成永久性的潜在危害。
● 重点介绍重金属污染物在水环境中迁移转化的基本原理。
一、颗粒物与水之间的迁移1、水中颗粒物的类别（1）非粘土矿物和粘土矿物：都是原生岩石在风化过程中形成的。
非粘土矿物：天然水中常见为石英(SiO 2)、长石(KalSi 3O 8)等，晶体交错，结实、颗粒粗，不易碎裂，缺乏粘结性（例如沙子主要成分为：SiO 2）。
粘土矿物：天然水中常见为云母、蒙脱石、高岭石，层状结构，易于碎裂，颗粒较细，具有粘结性，可以生成稳定的聚集体。
● 其中的粘土矿物是天然水中最重要、最复杂的无机胶体，是天然水中具有显著胶体化学特性的微粒。
主要成分为铝或镁的硅酸盐，具有片状晶体结构；● 粘土矿物的层状晶体基本由两种原子层构成，一种是硅氧四面体（硅氧片），另一种是铝氢氧原子层（水铝片），其间主要靠氢键连接，因此易于断裂开来。
（2）金属水合氧化物：铝、铁、锰、硅等金属的水合氧化物在天然水中以无机高分子及溶胶等形态存在，在水环境中发挥重要的胶体化学作用。
● 天然水中几种重要的容易形成金属水合氧化物的金属：铝在岩石和土壤中是大量元素，在天然水中浓度低，不超过0.1mg/L。
铝水解，主要形态AL3+、Al(OH)2+、Al2(OH)24+、Al(OH)2+、Al(OH)3和Al(OH)4－，随pH值变化而改变形态浓度比例。
一定条件下会发生聚合，生成多核配合物或无机高分子，最终生成[Al(OH)3]n的无定形沉淀物。
铁是广泛分布元素，水解反应和形态与铝类似。
在不同pH值下，Fe(Ⅲ)的存在形态是Fe3+、Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+和Fe(OH)3。
水体中污染物的迁移转化ppt课件
氰化物
• 来源： • 各类工业废水 • 危害： • 人的致死浓度：0.1克 • 对鱼类及水生生物等也具有极大毒性 • CN-与重金属离子可生成低毒络合物的性能，
制成口服解毒剂 （碱性氢氧化亚铁制剂 ）
硫化物
• 来源：
• 矿物的氧化作用，常常形成严重的环境污染问题
• H2S的生成途径：
• 同化硫酸盐还原反应
生物降解
• 生长代谢： • 共代谢： • 二次基质利用：
天然水的决定电位
• 在一般天然水环境中，溶解氧是“决定电位”物质 • 而在有机物累积的厌氧环境中，有机物是“决定电
位”物质 • 介于两者之间，则其“决定电位”为溶解氧体系和
有机物体系的结合。
水中有机物的氧化（生物氧化还原反应）
有机物氧化动力学（Monod方程）
配合作用
• 无机配位体： • OH-、Cl-、CO32-、
• BCF值体现了化学物质引起水体污染后一段时间内， 对于水生生物体造成潜在危险的程度。
• BCF值从1-1000000。 • 用实验方法测定BCF值非常不容易，一般是基于它与
对象有机物其他特征参数的相关性（Kow）来进行估算。
挥发作用
• （1）亨利定律 • 当一个化学物质在气-液相达到平衡时，溶解于
水相的浓度与气相中化学物质浓度(或分压力) 有关 ，亨利定律的一般表示式：
• （2）双膜理论
水解作用
• 水解作用是有机化合物与水之间最重要的反应。 •
• 有机物通过水解反应而改变了原化合物的化学 结构。对于许多有机物来说，水解作用是其在 环境中消失的重要途径。
光解作用
• 光解过程可分为三类： • 直接光解 • 敏化光解 • 氧化反应
HCO3-、F-、S2• 有机配位体： • 天然降解产物氨基酸、
水中无机污染物的迁移转化
[SiO2] + Al(Ⅲ) → [AlO2- ] + Si(Ⅳ)
第二节 水中无机污染物的迁移转化
3、水环境中颗粒物的吸附作用 吸附：指溶液中的溶质在界面层浓度升高的 现象。 表面吸附：由于颗粒物具有巨大的比表面和 表面能，产生表面吸附；物理吸附。
第二节 水中无机污染物的迁移转化
离子交换吸附：胶体颗粒大部分带负电荷，容 易吸附各种阳离子；物理化学吸附。
第三章
第二节
水环境化学
水中无机污染物的迁移转化
第二节 水中无机污染物的迁移转化
一、在颗粒物与水之间的迁移 1、水中颗粒物的类别
（1） 矿物颗粒和粘土矿物： 主要为硅酸盐 （2） 金属的水合氧化物：
第二节 水中无机污染物的迁移转化 （3）腐殖质 腐殖质是一种带负电的高分子弱电解质。腐殖质
是生物体物质在土壤、水和沉积物中转化而成。分子
G0
G0/2 L型
1/G=1/G0+(A/G0)(1/C)
G0------单位表面上达到饱
1/G
A
C
和时间的最大吸附量；
L型
A-------常数
1/C
第二节 水中无机污染物的迁移转化 影响吸附作用的因素： (a) pH值的影响 表3-9 重金属的临界pH值和最大吸附量 元 素 Zn 7.6 6.7 Co 9.0 3.3 Cu 7.9 3.9 Cd 8.4 8.2 Ni 9.0 2.2
根据溶度积：Ksp= [Men+][OH-]n [Men+] = Ksp/[OH-]n = Ksp[H+]n/Kwn
-lg[Men+] = -lgKsp - nlg[H+] + nlgKw
第二节水中无机污染物的迁移转化
污染物的迁移转化
2. pH对水解速率的影响 水解速率: RH = Kh [C]= {KA[H+] + KN + KB[OH-]} [C]
式中： KA、KN 、KB ——分别为酸性、碱性和中性催化过 程的二级反应水解速率常数
Kh = KA[H+] + KN + KBKw/[H+]
c溶解相中有机毒物的浓度kv挥发速率常数kv单位时间混合水体的挥发速率常数z水体的混合深度p在所研究的水体上面有机毒物在大气中的分压kh亨利定律常数?第三节水中有机污染物的迁移转化二挥发作用kvcpkhzkvcpkhtc??kvctc??有机物可溶解相分数w
第三章
第三节
水环境化学
有机污染物的迁移转化
第三节 水中有机污染物的迁移转化 水解速率常数：Kh = KA[H+] + KN + KBKw/[H+]
第三节 水中有机污染物的迁移转化 对于IAN点应满足于： lgKh = lg KA – pH = lg KN 三条切线得到三个交点， IAN IAB 和K INB / K ） pH= lg KN –lg KA = -、 lg （ N A 对于IAB点应满足于： lgKh = lg KA – pH = lgKBKw + pH pH = -1/2 lg（KBKw/KA） 对于INB点应满足于： lgKh = lgKBKw + pH = lg KN pH = - lg（KBKw/ KN）
水体中，若悬浮物中85%为细颗粒，有机碳含量为
5%，其余粗颗粒有机碳含量为1%，已知该有机物 在水中溶解度为0.05mg/L，那么，其分配系数（Kp）
就可根据公式计算出：
解: lgKow = 5.00-0.670lg(0.05×103/192)=5.39 则 Kow =2.46×105 Koc=0.63 Kow=1.55×105 Kp = 1.55×105[0.2（1-0.85）(0.01) + 0.85×0.05] = 6.63×103
2. pH对水解速率的影响 水解速率: RH = Kh [C]= {KA[H+] + KN + KB[OH-]} [C]
式中： KA、KN 、KB ——分别为酸性、碱性和中性催化过 程的二级反应水解速率常数
Kh = KA[H+] + KN + KBKw/[H+]
c溶解相中有机毒物的浓度kv挥发速率常数kv单位时间混合水体的挥发速率常数z水体的混合深度p在所研究的水体上面有机毒物在大气中的分压kh亨利定律常数?第三节水中有机污染物的迁移转化二挥发作用kvcpkhzkvcpkhtc??kvctc??有机物可溶解相分数w
第三章
第三节
水环境化学
有机污染物的迁移转化
第三节 水中有机污染物的迁移转化 水解速率常数：Kh = KA[H+] + KN + KBKw/[H+]
第三节 水中有机污染物的迁移转化 对于IAN点应满足于： lgKh = lg KA – pH = lg KN 三条切线得到三个交点， IAN IAB 和K INB / K ） pH= lg KN –lg KA = -、 lg （ N A 对于IAB点应满足于： lgKh = lg KA – pH = lgKBKw + pH pH = -1/2 lg（KBKw/KA） 对于INB点应满足于： lgKh = lgKBKw + pH = lg KN pH = - lg（KBKw/ KN）
水体中，若悬浮物中85%为细颗粒，有机碳含量为
5%，其余粗颗粒有机碳含量为1%，已知该有机物 在水中溶解度为0.05mg/L，那么，其分配系数（Kp）
就可根据公式计算出：
解: lgKow = 5.00-0.670lg(0.05×103/192)=5.39 则 Kow =2.46×105 Koc=0.63 Kow=1.55×105 Kp = 1.55×105[0.2（1-0.85）(0.01) + 0.85×0.05] = 6.63×103
优选环境化学第三章水中无机污染物的迁移转化
2020/9/4
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水处理中新型絮凝剂
无机高分子絮凝剂 以三氯化铁、硫酸铝和碱式氯化铝等 为基体制备 如：聚合硫酸铁（poly ferric sulfate， PFS）、含硼聚硅硫酸铁、聚合硅铝酸铁 等Al2(SO4)3- CPAM（阳离子聚丙烯胺）
2020/9/4
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水处理中新型絮凝剂
有机高分子絮凝剂
2020/9/4
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天然水环境和水处理条件下主要的颗 粒物聚集方式
1．压缩双电层的聚集
水中电解质浓度增大而离子强度增大， 压缩扩散层，颗粒物吸引而聚集
2. 专属吸附凝聚
胶体颗粒专属吸附异电的离子化合态， 降低表面电位，产生电中和现象，使颗粒 物聚集
2020/9/4
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天然水环境和水处理条件下主要的颗 粒物聚集方式
2020/9/4
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一、颗粒物与水之间的迁移
悬浮沉积物
各种环境胶体物质的聚集物，组成不固定
其他
湖泊中的藻类、污水中的细菌、病毒、废 水中的表面活性剂或油滴。
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2．水环境中颗粒物的吸附作用
表面吸附—物理吸附，与胶体的比表面 积有关。
离子交换吸附—物理化学吸附，水环境中 一部分胶体带负电荷，吸附一部份阳离子， 同时释放等量其它阴离子。
属可逆反应，不受温度影响，交换吸附能力 与溶质的性质、浓度、吸附剂性质有关
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2．水环境中颗粒物的吸附作用
专属吸附—受化学键作用外，还受加强 的憎水键、 范德华力、氢键等的作用。 在水环境中：配合离子、无机高分子、有 机离子、 有机高分子专属吸附强烈，水 合氧化物胶体对金属离子有较强的专属吸 附。 氧化物表面配位吸附模式（p124）
水中无机污染物的迁移转化
第二节 水中无机污染物的迁移转化
一．颗粒物与水之间的迁移 二．水中颗粒物的聚集 三．溶解与沉淀 四．氧化与还原 五．配合作用
一、颗粒物与水之间的迁移
1. 水中颗粒物的类别：
a) 矿物微粒和黏土矿物：石英沙、长石等，云母、蒙脱石、 高岭土等有胶体特性的黏土矿物
b) 金属水合氧化物：铝、铁、锰、硅等元素，以无机高分 子及溶胶形式存在（聚合铝絮凝剂中铝的聚合形态？）
lg[Me2+] = 0.5lgKsp- 0.5lgK2-0.5pH lg[Me2+] = 0.5lgKsp- 0.5lgK1K2-0.5pH
三、溶解和沉淀
b) Me2+- H2O - CO2（g）开放体系 [Me2+] cT
cT
[CO2 ]
0
1Hale Waihona Puke 0KHpCO2
因为大气中CO2分压恒定，则据Henry定律，[CO2]恒定
液的离子强度增大而减小 2. VA随颗粒间距离增大而减弱，与离子强度
无关 3. VT必然在某个距离有最大值，只有粒子的
热运动能超过VT, 才能发生聚集 4. 提高溶液的离子强度有利于聚集
适合处理电解质凝聚体系
二、水中颗粒物的聚集
异体凝聚理论
适用于处理物质本性不同、粒径不等、电荷符号不同、电位 高低不等之类的分散体系
电性相异的胶粒相接近，吸引力占优势
电性相同的胶粒相接近，位能最大值取决于荷电较弱而电 位较低的一方。
只要有一种的稳定性甚低而电位达到临界状态，就必然 发生快速凝集
二、水中颗粒物的聚集
天然水环境和水处理过程的聚集方式
压缩双电层凝聚 专属吸附凝集 胶体相互凝集 边对面凝集 第二极小值凝集 聚合物粘结架桥凝集 无机高分子的絮凝 絮团卷扫絮凝 颗粒层吸附絮凝 生物絮凝
一．颗粒物与水之间的迁移 二．水中颗粒物的聚集 三．溶解与沉淀 四．氧化与还原 五．配合作用
一、颗粒物与水之间的迁移
1. 水中颗粒物的类别：
a) 矿物微粒和黏土矿物：石英沙、长石等，云母、蒙脱石、 高岭土等有胶体特性的黏土矿物
b) 金属水合氧化物：铝、铁、锰、硅等元素，以无机高分 子及溶胶形式存在（聚合铝絮凝剂中铝的聚合形态？）
lg[Me2+] = 0.5lgKsp- 0.5lgK2-0.5pH lg[Me2+] = 0.5lgKsp- 0.5lgK1K2-0.5pH
三、溶解和沉淀
b) Me2+- H2O - CO2（g）开放体系 [Me2+] cT
cT
[CO2 ]
0
1Hale Waihona Puke 0KHpCO2
因为大气中CO2分压恒定，则据Henry定律，[CO2]恒定
液的离子强度增大而减小 2. VA随颗粒间距离增大而减弱，与离子强度
无关 3. VT必然在某个距离有最大值，只有粒子的
热运动能超过VT, 才能发生聚集 4. 提高溶液的离子强度有利于聚集
适合处理电解质凝聚体系
二、水中颗粒物的聚集
异体凝聚理论
适用于处理物质本性不同、粒径不等、电荷符号不同、电位 高低不等之类的分散体系
电性相异的胶粒相接近，吸引力占优势
电性相同的胶粒相接近，位能最大值取决于荷电较弱而电 位较低的一方。
只要有一种的稳定性甚低而电位达到临界状态，就必然 发生快速凝集
二、水中颗粒物的聚集
天然水环境和水处理过程的聚集方式
压缩双电层凝聚 专属吸附凝集 胶体相互凝集 边对面凝集 第二极小值凝集 聚合物粘结架桥凝集 无机高分子的絮凝 絮团卷扫絮凝 颗粒层吸附絮凝 生物絮凝
3.2水中无机物的迁移转化
总的综合作用位能为：VT = VR + VA 式中：VA—由范德华力 （引力）所产生的位能；VR—由静电排斥力所产生的位能。
压缩双电层凝聚
专属吸附凝聚 胶体相互凝聚 “边对面”絮凝 颗粒凝聚方式 第二极小值絮凝 聚合物粘结架桥絮凝 无机高分子的絮凝 絮团卷扫絮凝 颗粒层吸附絮凝 生物絮凝
第二节水中无机污染物的迁移转化
1g[Ca 2+ ] = 0.5lgKsp-0.5lgK1K2 pH
13
(2)开放体系
向纯水中加入CaCO3(s)，并且将此溶液暴露于含有CO2 的气 相中，因大气中CO2分压固定，溶液中的[CO2]浓度也相应固定。 但是和封闭体系明显不同的是，此溶液中[Ca2+]≠CT。根据前面 第一节内容：
Freundlich型 等温式为：G=kC1/n
Langmuir型 等温式为：G=G0c/(A+c)
Henry 型吸附等温线 G=kC k------(分配)系数
G
C
Freundlich型
G=kC1/n
G F型
C
lgG
lgG=logk+1/nlgC
lgC
Langmuir型吸附等温线
G0
G=G0C/(A+C) G0------单位表面上达到饱 和时间的最大吸附量； A-------常数 1/G=1/G0+(A/G0)(1/C)
n
PbO (s) + 2H PbO (s) + H
+
+
Pb2++H2O Pb(OH)+ Pb(OH)2 Pb(OH)3- +H+
lgKs0=12.7 lgKs1=5.0 lgKs2=-4.4 lgKs3=-15.4
压缩双电层凝聚
专属吸附凝聚 胶体相互凝聚 “边对面”絮凝 颗粒凝聚方式 第二极小值絮凝 聚合物粘结架桥絮凝 无机高分子的絮凝 絮团卷扫絮凝 颗粒层吸附絮凝 生物絮凝
第二节水中无机污染物的迁移转化
1g[Ca 2+ ] = 0.5lgKsp-0.5lgK1K2 pH
13
(2)开放体系
向纯水中加入CaCO3(s)，并且将此溶液暴露于含有CO2 的气 相中，因大气中CO2分压固定，溶液中的[CO2]浓度也相应固定。 但是和封闭体系明显不同的是，此溶液中[Ca2+]≠CT。根据前面 第一节内容：
Freundlich型 等温式为：G=kC1/n
Langmuir型 等温式为：G=G0c/(A+c)
Henry 型吸附等温线 G=kC k------(分配)系数
G
C
Freundlich型
G=kC1/n
G F型
C
lgG
lgG=logk+1/nlgC
lgC
Langmuir型吸附等温线
G0
G=G0C/(A+C) G0------单位表面上达到饱 和时间的最大吸附量； A-------常数 1/G=1/G0+(A/G0)(1/C)
n
PbO (s) + 2H PbO (s) + H
+
+
Pb2++H2O Pb(OH)+ Pb(OH)2 Pb(OH)3- +H+
lgKs0=12.7 lgKs1=5.0 lgKs2=-4.4 lgKs3=-15.4
《水中无机污染物的迁移转化》课件
特点:
(1)某些非均相平衡进行得缓慢，在动态环境下不易达到平衡； (2)根据热力学对于一组给定条件所预测的稳定固相可能不一定就是
所形成的相。 (3)可能存在过饱和现象，即出现物质的溶解量大于溶解度极限值的
情况； (4)固体溶解所产生的离子可能在溶液中进一步进行反应； (5)引自不同文献的平衡常数有差异等。
形 最
态主是要H的3A是sO以3、HH22AAssOO43——、和
l的2.形5在的态p碱。H性 水4的中酸，性还水可中能，存则在可A能sO存43在—H，3甚As至O4H和AAsOsO32+—，及而A在sOp3H3—
（5）水中有机物的氧化
水中有机物可以通过微生物的作用，而逐步降解转化为无机 物。
19
(五) 环境中的配合作用
天然水体的配合作用
天然水体中有许多阳离子和阴离子，其中某些阳离子是良好 的配合物中心体，某些阴离子则可作为配位体。
天然水体中重要的无机配位体有OH—、Cl—、CO32—、F—、 S2—。
有机配位体情况比较复杂，天然水体中包括动植物组织的天 然降解产物，如氨基酸、腐殖酸，以及生活废水中的洗涤剂、清 洁剂、NTA、EDTA、农药和大分子环状化合物。腐殖酸是主要成 分，有机物相当一部分具有配合能力。
25
(五) 环境中的配合作用
与一个羧基形成配合物
腐殖酸对水休中重金属的配合作用还将影响重金属对水生生物的毒性。 腐殖酸与阴离子的作用。 腐殖酸对有机污染物的作用。
26
其他
4
(一) 颗粒物与水之间的迁移
水环境中颗粒物的吸附作用
表面吸附、离子交换吸附和专属吸附
由于胶体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，胶体表面积愈大，所产生的表面吸附能也愈大，胶
(1)某些非均相平衡进行得缓慢，在动态环境下不易达到平衡； (2)根据热力学对于一组给定条件所预测的稳定固相可能不一定就是
所形成的相。 (3)可能存在过饱和现象，即出现物质的溶解量大于溶解度极限值的
情况； (4)固体溶解所产生的离子可能在溶液中进一步进行反应； (5)引自不同文献的平衡常数有差异等。
形 最
态主是要H的3A是sO以3、HH22AAssOO43——、和
l的2.形5在的态p碱。H性 水4的中酸，性还水可中能，存则在可A能sO存43在—H，3甚As至O4H和AAsOsO32+—，及而A在sOp3H3—
（5）水中有机物的氧化
水中有机物可以通过微生物的作用，而逐步降解转化为无机 物。
19
(五) 环境中的配合作用
天然水体的配合作用
天然水体中有许多阳离子和阴离子，其中某些阳离子是良好 的配合物中心体，某些阴离子则可作为配位体。
天然水体中重要的无机配位体有OH—、Cl—、CO32—、F—、 S2—。
有机配位体情况比较复杂，天然水体中包括动植物组织的天 然降解产物，如氨基酸、腐殖酸，以及生活废水中的洗涤剂、清 洁剂、NTA、EDTA、农药和大分子环状化合物。腐殖酸是主要成 分，有机物相当一部分具有配合能力。
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(五) 环境中的配合作用
与一个羧基形成配合物
腐殖酸对水休中重金属的配合作用还将影响重金属对水生生物的毒性。 腐殖酸与阴离子的作用。 腐殖酸对有机污染物的作用。
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其他
4
(一) 颗粒物与水之间的迁移
水环境中颗粒物的吸附作用
表面吸附、离子交换吸附和专属吸附
由于胶体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，胶体表面积愈大，所产生的表面吸附能也愈大，胶