第二节 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

水中无机污染物特别是重金属污染物进入水体，不能被生物降解，主要是通过沉淀－溶解、氧化－还原、配合作用、胶体形成、吸附－解吸等作用进行迁移转化。

一、颗粒物与水之间的迁移

1、矿物颗粒物和黏土颗粒物

常见矿物颗粒物为石英、长石、云母及黏土矿物等硅酸盐矿物，主要由物理作用形成。

2、金属水合氧化物：铝、铁、锰、硅等金属以无机高分子及溶胶等形态存在。

例：铝在岩土中是丰量元素，在水中浓度低，<0.1mg/L。水解，主要形态是：Al3+Al(OH)2+Al2(OH)24+Al(OH)22+Al(OH)3+等

铁水合氧化物：Fe3+Fe(OH)2+Fe(OH)2+ Fe2(OH)24+Fe(OH)3等

硅酸聚合物：Si n O2n-m(OH)2m

3、腐殖质

是一种代负电的高分子弱电解质。

4、水体悬浮沉积物

是以矿物微粒为核心骨架，有机物和金属水合氧化物结合在矿物微粒表面上，经絮凝成为较粗颗粒而沉积在底部。

5、其它

藻类、细菌、病毒、表面活性剂、油滴等。

二、水环境中颗粒物的吸附作用

1、表面吸附：胶体具有巨大的表面积和表面能；属物理吸附，胶体表面积

越大，吸附越强。

2、离子吸附：由于胶体表面的电荷引力。

3、专属吸附：除了化学键以外，尚有加强的憎水键及范德华力或氢键起作

用。

水锰矿对Co、Cu、Ni、K和Na离子的吸附及其随pH的变化图：

对于碱金属离子，在低浓度时，体系pH在水锰矿ZPC以上时发生吸附。表

明其为离子吸附。而Co 、Cu 、Ni 等在体系pH 在ZPC 处或小于时都能进行吸附，这表明不带电荷或带正电均能吸附过渡金属。

4、吸附理论――有效层流脱理论

5、吸附方向和推动力

6、吸附等温线和等温式

（1） 等温吸附经验式――弗罗因德利希式

Freundlich 型等温式为： G =kC 1/n

两边取对数： log G =log k +1/nlog C

,n

kP P k n Γ=Γ--吸附量－吸附压力常数

（2） 单分子层吸附理论――兰格缪尔吸附等温式

单分子层吸附

吸附剂表面是均匀

被吸附的分子与其它同气体分子无作用力

吸附是一个动态平衡

φ被吸附质分子覆盖的吸附表面积覆盖率（）＝

吸附剂的总表面积 Langmuir 型吸附等温线：G =G 0C /(A +C ) 1/G =1/G 0+(A /G 0)(1/C )

G0------单位表面上达到饱和时间的最大吸附量； A-------常数

（3）Henry 型吸附等温线为直线，等温式为： G =kC

k------分配系数

影响吸附作用的因素：

(a) pH 值的影响：

一般情况下，吸附量随pH 升高而增大。当溶液pH 超过某元素的临界pH 时，则该元素在溶液中的水解、沉淀起主要作用。

(b) 颗粒物的粒度和浓度的影响

吸附量随粒度增大而减少，吸附量随颗粒物浓度增大而减少。

(2) 氧化物表面吸附的配合模式：

由于表面离子配位不饱和，金属氧化物与水配位，水发生离解吸附而生成羟基化表面。

≡MeOH2+ ≡MeOH + H +

Ks a1 = {≡MeOH }[ H+] / {≡MeOH2+ }

≡MeOH ≡MeO- + H+

Ks a2 = {≡MeO-}[ H+] / {≡MeOH }

表面的≡MeOH 基团在溶液中可以与金属离子和阴离子生成表面配位配合物，表现出两性表面特性，相应的表面配合反应为：

≡MeOH + MZ+≡MeOM(Z-1)+ + H+*K1s

2 ≡MeOH + MZ+(≡MeO)2M(Z-2)+ +2 H+*β2s

≡MeOH + AZ-≡MeA(Z-1)- +OH-K1s

2 ≡MeOH + AZ-(≡Me)2 A(Z-2)- + 2 OH-β2s

图3-4 氧化物表面配合模式

氧化物表面配合模式已成为广泛的吸附模式。

表面配合模式的实质内容：就是把具体表面看作一种聚合酸，其大量羟基可以发生表面配合反应，但在配合平衡过程中需将邻近基团的电荷影响考虑在内，由此区别于溶液中的配合反应。

表面配合常数与溶液中配合常数的相关性：

≡MeOH + MZ+≡MeOM(Z-1)+ + H+*K1s

H2O + MZ+MeOH(Z-1)+ + H+*K1

≡MeOH + H2A ≡MeHA + H2O *K1s

MeOH2+ + H2A ≡MeHA2+ + H2O *K1

4、沉积物中重金属的释放

（1）盐浓度的升高

（2）氧化还原条件的变化

（3）pH降低

（4）水中配合剂量的增多

二、水中颗粒物的聚集

聚集分散

凝聚——利用电解质促成。

絮凝——利用聚合物（桥联作用）

1、胶体颗粒凝聚的基本原理和方式：

溶胶的经典稳定理论——DLVO理论（理想化简单体系）

以斥力势能ER, 吸力势能EA 和总势能E(= ER+EA)对粒子间距离x作图, 得到如图所示的势能曲线。图3-8

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。

主要论点：（1）如果两个电荷符号相异的胶体微粒接近时，吸引力总是占优势。（2）如果两颗粒电荷符号相同但电性强弱不等，则位能曲线上的能峰高度总是取决于荷电较弱而电位较低的一方。

所以，只要其中有一种胶体的稳定性甚低而电位达到临界状态，就可以发生快速凝聚，而不论另一种胶体的电位高低如何。

天然水环境和水处理过程中颗粒聚集方式：

（1）压缩双电层凝聚（2）专属吸附凝聚

（3）胶体相互凝聚（4）“边对面”絮凝

（5）第二极小值絮凝（6）聚合物粘结架桥絮凝

（7）无机高分子的絮凝（8）絮团卷扫絮凝

（9）颗粒层吸附絮凝（10）生物絮凝

三、溶解和沉淀

教学目的与要求：

(1)掌握氧化物、氢氧化合物的溶解和沉淀平衡；

(2)掌握硫化物的溶解和沉淀平衡；

(3)掌握碳酸盐的溶解和沉淀平衡。

教学重点、难点：

(1)氧化物、氢氧化合物的溶解和沉淀平衡;

(2)硫化物的溶解和沉淀平衡；

(3)碳酸盐的溶解和沉淀平衡。

教学方法及师生互动设计：

教学方法：讲授法；

师生互动设计：提问：平衡常数应该如何求？

写出碳酸钠在水体中的平衡方程式。

课堂练习、作业：

(1)写出硫化物的平衡方程式；

（2）写出氧化物和氢氧化合物的平衡方程式。

本次课教学内容小结：

这两堂课是专门对水体中无机污染物质的转化方式之一，溶解和沉淀平衡作讨论，有化学基础的同学对这些物质在水体中的溶解与沉淀平衡方程式都比较熟悉，现在要从环境的角度来加以考虑，有便于同学们的理解。

教学内容：

3、沉积物中重金属的释放

诱发释放的因素