水环境化学 第五章 水环境中的界面过程

M
(OH
)n
(S
)
MO(OH
) n1
(S
)
H
M(OH)n-1(H2O)+的数目=MO(OH)n-1-的数目
在该pH值发生的情况称为等电点或零电荷点 （Zero Point of Charge，ZPC)。
pHZPC对于不同金属氧化物有不同数值，而且每种 氧化物均是固定常数。
表5-1 典型矿物的等电点（pHZPC)
大多数情况下，天然水中有机胶体或无机胶体微 粒都带有负电荷。
但一些胶体如水合氧化铁、铝等矿物在水pH值偏 酸下也可以带正电荷。
胶体表面电荷的来源？？？
（1）表面电荷可来自表面的化学反应 （2）离子置换 （3）离子吸附
（1）表面电荷可来自表面的化学反应
• 此类电荷的产生是由于无机胶体表面上的羟基或 有机质胶体的一些基团如-OH,-COOH,-C6H4OH,-NH2 等获得或失去质子所致。
胶体种类 气溶胶 液溶胶 固溶胶
分散剂状态 气体 液体 固体
实例 雾、云、烟、霾 Fe(OH)3胶体、牛奶、豆浆 烟水晶、有色玻璃
天然水体中的胶体一般可分为三大类： （按分散质分类） 无机胶体，包括各种次生粘土矿物和各种
金属水合氧化物； 有机胶体，包括天然的和人工合成的高分
子有机物、蛋白质、腐殖质等； 有机无机胶体复合体。
如气-液、气-固、液-液、液-固和固-固等界面。
5.1 天然水体中的胶体物质 5.2 固液界面的吸附过程 5.3 水-固体系中的分配过程 5.4 挥发作用
5.1 天然水体中的胶体物质
胶体是分散质的大小介于1～100nm之间的分散系。 胶体有丁达尔效应，能发生布朗运动，有电泳和聚
沉现象。
胶体按分散剂分类
距离比较固定，不易改变。 ④ 颗粒直径小于2 μm ，膨胀性较小，具有较高的阳离子代换
量。
阳离子代换：
在粘土矿物的形成过程中，常常发生半径相近的 离子取代一部分铝（Ⅲ）或硅（Ⅳ）的现象，即同晶 替代作用。如Mg2+、Fe3+等离子取代Al3+，Al3+取代 Si4+，同晶替代的结果，是粘土矿物微粒具有过剩的 负电荷。
1、矿物微粒和粘土矿物
粘土矿物是由长石等原生硅酸盐矿物风化后形 成的，其成分是铝硅酸盐，具有片状晶体构造，是 构成土壤粘粒的主要成分。主要有伊利石（水云 母）、蒙脱石和高岭石。
伊利石、蒙脱石和高岭石均属薄片层状结晶构 造，即均由硅氧片和水铝片相重叠而成，但是由于 重叠的情况各不相同，故每种矿物的特性也异。
第5章 水环境中的界面过程
• 水中大多数重要的化学反应、物理化学过 程和生物化学现象都涉及水中的某些成分与另 一相的相互作用。
矿物溶解
挥发过程
在颗粒物和沉积物上的吸附交换过程
•……
CaCO 3 (s) H2O CO 2 Ca (HCO 3 )2
3KAlSi

3O8
(s)
2H 2 CO
3
12 H 2O
高岭石结构
① 为风化度极高的矿物，主要见于湿热的热带和亚热带地区 的土壤中；
② 1：1型矿物，单位晶层由一层硅氧片和一层铝氧片构成。 ③ 晶层之间以氢键连接，联结力强，层间空隙不大。 ④ 颗粒直径较大，膨胀性较小，阳离子代换量低。
2、金属水合氧化物
无机胶体除粘土矿物外，还有铁、铝、锰、硅等水合氧化 物。
它们的基本组成为Fe(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3、 MnO(OH)2、MnO2、Si(OH)4、SiO2等。
随pH不同，各种形态的比例不同。 在一定条件下，铁、铝等均能聚合成多核配合物，或称为
无机高分子溶胶。
3.腐殖质
腐殖质是一类特殊的有机化合物，它不是化学上单
一•的物质，而是结构上和性质上有共同特点、又有
无机胶体（粘土矿物和金属氧化物）表面上 的羟基：
在较酸性的介质中反应为：
M (OH )n (S ) H M (OH )n1(H2O) (S )
在较碱性的介质中：
M
(OH
)n
(S
)
MO(OH
) n1
(S
)
H
等电点
在某些中等pH值时，所产生的氢氧化物胶粒的 净电荷为0，即
M (OH )n (S ) H M (OH )n1(H2O) (S )
• 5.2 固液界面的吸附过程
5.2.1 胶体粒子的性质
1、胶体有极大的比表面
无机胶体中以蒙脱石类表面积最大（600～ 800m2/g)，不仅有外表面积，并且有巨大内表面 积，伊利石次之，高岭石最小（7～ 30m2/g)。
有机胶体具有巨大的外表面积（～700m2/g)，与 蒙脱石相当。
2、胶体的表面电荷
2K
2HCO
3
6H 4SiO
4
KAl3Si 3O10
(OH ) 2
(s)
FeS2 (s) 15 4 O2 7 2 H2O Fe(OH)3 (s) 4H 2SO 42
密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚 度）称为界面。
界面的类型形式上可以根据物质的三态--固态、 液态和气态来划分，
差异的一系列高分子化合物组成的一类有机质。
4.有机无机胶体复合体
•
天然水体中各种环境胶体物质往往并非单独存
在，而是相互作用结合成为某种聚集体，即成为水
中悬浮物。
•
一般来说，悬浮沉积物是以矿物颗粒，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。
粘土矿物通常分为 1：1 和 2：1 两种类型。根 据构成晶层时硅氧四面体（硅氧片）与铝氧八面 体（水铝片）的数目和排列方式，粘土矿物可分 为三大类：伊利石、蒙脱石和高岭石。
伊利石（水云母）结构
① 是一种风化程度较低的矿物，以温带干旱地区的土壤中含量 最多。
② 2：1型矿物，两层硅氧片间夹一层水铝片而形成单元晶层。 ③ 富含钾素（K2O），晶层与晶层之间由K+离子联结，晶层间
此负电荷由处于层状结构外部的K+、Na+等来平 衡。这一特征决定了粘土矿物具有离子交换吸附等性 能。
蒙脱石结构
① 是伊利石进一步风化的产物，在温带干旱地区的土壤中含量较 高。
② 2：1型矿物，两层硅氧片中间夹一层铝氧片构成蒙脱石晶层。 ③ 晶层之间没有钾离子存在，晶层之间主要靠弱的分子力连接，
故层间空隙大，水分子容易进入。 ④ 颗粒直径小于1 μm ，膨胀性大，具有极高的阳离子代换量。