《水环境化学》课件.ppt

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1、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、水中胶体颗粒物聚集的基本原理和方式 三、溶解和沉淀 四、氧化还原 五、配合作用,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;主要通过吸附解吸、沉淀溶解、氧化还原、配合作用、胶体形成等一系列物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 天然水中颗粒物主要包括五大类：矿物、金属水合氧化物、腐殖质、悬浮物、其他泡沫、表面活性剂等

2、半胶体以及藻类、细菌、病毒等生物胶体。（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(SiO2)、长石(KalSi3O8)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：SiO2）。,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

3、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)3n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()的存在形态是Fe

4、3+、Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+和Fe(OH)3。固体沉淀物可转化为FeOOH的不同晶形物。同样，它也可以聚合成为无机高分子和溶胶。锰与铁类似，其丰度虽然不如铁，溶解度比铁高，也是常见的水合金属氧化物。硅酸的单体H4SiO4，若写成Si(OH)4，则类似于多价金属，是一种弱酸，过量的硅酸将会生成聚合物，并可生成胶体以至沉淀物。,重要的水合氧化物主要有：褐铁矿：Fe2O3nH2O水化赤铁矿：2Fe2O3H2O 得到具有重要胶体作用的：针铁矿：Fe2O3H2O 水解 Al(OH)3聚合无机高分子水铝石：Al2O3H2O FeOOH聚合无机高分子三水铝石：Al2O33H

5、2O MnOOH聚合无机高分子二氧化硅凝胶：SiO2nH2O Si(OH)4聚合无机高分子水锰矿：Mn2O3H2O 所有的金属水合氧化物都能结合水中微量物质，同时其本身又趋向于结合在矿物微粒和有机物的界面上。,（3）腐殖质：最早由土壤学研究者所发现，主要就是腐殖酸，例如富里酸、胡敏酸等。属于芳香族化合物，有机弱酸性，分子量从700-20 0000不等；带负电的高分子弱电解质，其形态构型与官能团（羧基、羰基、羟基）的离解程度有关。在pH较高的碱性溶液中或离子强度低的条件下，溶液中的OH-将腐殖质理解出的H+中和掉，因而分子间的负电性增强，排斥力增加，亲水性强，趋于溶解。在pH较低的酸性溶液（H+

6、多，正电荷多），或有较高浓度的金属阳离子存在时，各官能团难于离解而电荷减少，高分子趋于卷缩成团，亲水性弱，因而趋于沉淀或凝聚。,（4）水体悬浮沉积物：天然水体中各种环境胶体物质相互作用结合成聚集体，即为水中悬浮沉积物，它们可以沉降进入水体底部，也可重新再悬浮进入水中。一般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：湖泊中的藻类，污水中的细菌、病毒、废水排出的表面活性剂、油滴等，也都有类似的胶

7、体化学表现，起类似的作用。2、水环境中颗粒物的吸附作用主要有表面吸附、离子交换吸附、专属吸附三种类型。（1）表面吸附：是一种物理吸附，其吸附过程不发生化学变化，发生的关键是胶体颗粒具有巨大的比表面积，因此胶体具有巨大的表面能。,单位比表面积(为密度)=面积（球）/重量=（cm2/g）表面能（又称为表面吸附能）：任何分子之间均存在引力，在物体内部，某分子受到各方面作用力相等，因而处于平衡状态，但是在胶体表面上，分子受力不均匀（因为表面分子周围的分子数量不相等），因而产生了所谓的表面能。计算实例：某湖泊底泥=2.65g/cm3，10%为直径D=1um（10-4cm）的颗粒物，求面积S=100m2，

8、深度h=0.2m的底泥中，所有直径D=1um（10-4cm）的颗粒物比表面积？,解：先计算单位比表面积(为密度)=面积（球）/重量=2.264104（cm2/g）,其次计算总体积=100m20.2m10%=2m3=2106cm3所以总重量=总体积比重=2106cm32.65g/cm3=5.3106g所以总比表面积=5.3106g2.264104（cm2/g）=121010cm3=12万m3,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，胶体的吸附作用也就愈强，它是属于一种物理吸附。一般么蒙脱石单位比表面积=800m2/g左右，伊利石=

9、30-80m2/g，高岭石=10-50=800m2/g，腐殖质=400-900m2/g，无定型氢氧化铁Fe(OH)3=300m2/g左右。（2）离子交换吸附：是一种物理化学吸附，主要是胶体对各种介质离子的吸附，曾有人称之为“极性吸附”。,一般情况下，环境中大部分胶体（包括粘土矿物、有机胶体、含水氧化物等）带负电荷，容易吸附各种阳离子，在吸附过程中，胶体每吸附一部分阳离子，同时也放出等量的其他阳离子，因此把这种吸附称为离子交换吸附，它属于物理化学吸附。需要说明的是，这种负电荷一部分是永久负电荷，主要是由于晶格中离子的同晶替代造成的，例如硅氧四面体中的Si4+被Al3+所取代，或者铝氢氧八面体中的

10、Al3+被Mg2+所取代等，都会产生这种永久负电荷。另一部分为可变电荷，主要随着环境pH的改变而发生改变，原因是Si-OH中的H+在碱性溶液中的离解。Si-OH+OH-=Si-O-+H2O。,特征：这种吸附是一种可逆反应，能够迅速达到平衡。不受温度影响，酸碱条件下均可进行，其交换吸附能力与溶质的性质、浓度及吸附剂性质等有关。对于那些具有可变电荷表面的胶体，当体系pH高时，也带负电荷并能进行交换吸附。离子交换吸附对于从概念上解释胶体颗粒表面对水合金属离子的吸附是有用的，但是对于那些在吸附过程中表面电荷改变符号，甚至可使离子化合物吸附在同号电荷的表面上的现象无法解释。因此，近年来有学者提出了专属吸

11、附作用。,（3）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。在水环境中，配合离子、有机离子、有机高分子和无机高分子的专属吸附作用特别强烈。例如，简单的Al3+、Fe3+高价离子并不能使胶体电荷因吸附而变号，但其水解产物却可达到这种效果，这就是发生专属吸附的结果。水合氧化物胶体对重金属离子有较强的专属吸附作用，这种吸附作用发生在胶体双电层的Stern层中，被吸附的金属离子进入Stern层后。不能被通常提取交换性阳离子的提取剂提取，只能被亲和力更强的金属离子取代，或在强酸性条

12、件下解吸。,专属吸附的另一特点是它在中性表面甚至在与吸附离子带相同电荷符号的表面也能进行吸附作用。例如，水锰矿对碱金属(K、Na)的吸附作用属于离子交换吸附，而对于Co、Cu、Ni等过渡金属元素离子的吸附则属于专属吸附。下表列出水合氧化物对重金属离子的专属吸附机理与交换吸附的区别。水合氧化物对金属离子的专属吸附与非专属吸附的区别,注：本表摘自陈静生主编，1987。,3、吸附等温线吸附等温线和等温式：吸附是指溶液中的溶质在界面层浓度升高的现象。水体中颗粒物对溶质的吸附是一个动态平衡过程，在固定的温度条件下，当吸附达到平衡时，颗粒物表面上的吸附量(G)与溶液中溶质平衡浓度(c)之间的关系，可用吸附

13、等温线来表达。水体中常见的吸附等温线有三类：Henry型、Freundlich型、Langmuir型，简称为H、F、L型。H型等温线为直线型，其等温式为：G=kC式中：k分配系数。该等温式表明溶质在吸附剂与溶液之间按固定比值分配。F型等温式为：G=kC1/n,若两侧取对数，则有：,以lgG对lgc作图可得一直线。lgk为截距，因此，k值是c=1时的吸附量，它可以大致表示吸附能力的强弱。为斜率，它表示吸附量随浓度增长的强度。该等温线不能给出饱和吸附量。L型等温式为：G=G0c/(A+c)式中：G0单位表面上达到饱和时间的最大吸附量；A常数。G对c作图得到一条双曲线，其渐近线为G=G0,即当c时，

14、GG0。在等温式中A为吸附量达到时溶液的平衡浓度。转化为：1/G=1/G0+(A/G0)(1/c),以 对 作图，同样得到一直线。等温线在一定程度上反映了吸附剂与吸附物的特性，其形式在许多情况下与实验所用溶质浓度区段有关。当溶质浓度甚低时，可能在初始区段中呈现H型，当浓度较高时，曲线可能表现为F型，但统一起来仍属于L型的不同区段。影响吸附作用的因素有以下几种：首先是溶液pH值对吸附作用的影响。在一般情况下，颗粒物对重金属的吸附量随pH值升高而增大。当溶液pH超过某元素的临界pH值时，则该元素在溶液中的水解、沉淀起主要作用。吸附量(G)与pH、平衡浓度(C)之间的关系可用下式表示：G=AC10B

15、pH式中：A、B常数。,其次是颗粒物的粒度和浓度对重金属吸附量的影响。颗粒物对重金属的吸附量随粒度增大而减少，并且，当溶质浓度范围固定时，吸附量随颗粒物浓度增大而减少。此外，温度变化、几种离子共存时的竞争作用均对吸附产生影响。4、解吸作用（以沉积物中重金属的释放为例）重金属从悬浮物或沉积物中重新释放属于二次污染问题，不仅对于水生生态系统，而且对于饮用水的供给都是很危险的。诱发释放的主要因素有：,（1）pH值降低：pH值降低，导致碳酸盐和氢氧化物的溶解，H+的竞争作用增加了金属离子的解吸量，H+被吸附而导致一些带正电荷的金属离子被释放。在一般情况下，沉积物中重金属的释放量随着反应体系pH的升高而

16、降低。其原因既有H+离子的竞争吸附作用，也有金属在低pH条件下致使金属难溶盐类以及配合物的溶解等。因此，在受纳酸性废水排放的水体中，水中金属的浓度往往很高。,（2）还原条件增强：还原条件下，Fe、Mn等的氧化物溶解，其吸附的金属离子被释放出来，因此在湖泊、河口及近岸沉积物中一般均有较多的耗氧物质，使一定深度以下沉积物中的氧化还原电位急剧降低，并将使铁、锰氧化物可部分或全部溶解，故被其吸附或与之共沉淀的重金属离子也同时释放出来。（3）盐浓度升高：盐度变化可以增加离子的吸附交换量，碱金属和碱土金属阳离子可将被吸附在固体颗粒上的其他金属离子交换出来，这是金属从沉积物中释放出来的主要途径之一。例如：水

17、体中碱金属和碱土金属Ca2+、Na+、Mg2+离子对悬浮物中铜、,铅和锌的交换释放作用。在0.5mol/LCa2+离子作用下，悬浮物中的铅、铜、锌可以解吸出来，这三种金属被钙离子交换的能力不同，其顺序为ZnCuPb。（4）水中配合剂的含量增加：天然或合成的配合剂使用量增加，能和重金属形成可溶性配合物，有时这种配合物稳定度较大，可以溶解态形态存在，使重金属从固体颗粒上解吸下来。（5）一些生物化学迁移过程也能引起金属的重新释放，从而引起重金属从沉积物中迁移到动、植物体内可能沿着食物链进一步富集，或者直接进入水体，或者通过动植物残体的分解产物进入水体。,二、水中胶体颗粒物聚集的基本原理和方式,1、概

18、述胶体颗粒的聚集亦可称为凝聚或絮凝。在讨论聚集的化学概念时，这两个名词常交换使用。这里把由电介质促成的聚集称为凝聚，而由聚合物促成的聚集称为絮凝。胶体颗粒长期处于分散状态还是相互作用聚集结合成为更粗粒子，将决定着水体中胶体颗粒及其上面的污染物的粒度分布变化规律，影响到其迁移输送和沉降归宿的距离和去向。2、基本理论（1）典型胶体的相互作用理论是以DLVO物理理论为定量基础。DLVO理论把范德华吸引力和扩散双电层排斥力考虑为仅有的作用因素，它适用于没有化学专属吸附作用的电解质溶液中，而且假设颗粒是粒度均等、球体形状的理想状态。这种颗粒在溶液中进行热运动，其平均功能为KT，两颗粒在相互接近时产生几种

19、作用力，即分子范德华力、静电排斥力和水化膜阻力。这几种力相互作用的综合位能随相隔距离所发生的变化。,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。,由图中曲线可见：不同溶液离子强度有不同VR曲线（离子强度越小，双电层较厚，斥力越大），VR随颗粒间的距离按指数律下降。VA则只随颗粒间的距离变化，与溶液中离子强度无关。不同溶液离子强度有不同的VT曲线。在溶液离子强度较小时，综合位能曲线上出现较大位能峰(Vmax)，此时，排斥作用占较大优势，颗粒借助于热运动能量不能超越此位能峰，彼此无法接近，体系保持分散稳定状态。当离子强度增大到一定程

20、度时，Vmax由于双电层被压缩而降低，则一部分颗粒有可能超越该位能峰。当离子强度相当高时，Vmax可以完全消失。,颗粒超过位能峰后，由于吸引力占优势，促使颗粒间继续接近，当其达到综合位能曲线上近距离的极小值(Vmin)时，则两颗粒就可以结合在一起。不过，此时颗粒间尚隔有水化膜。凝聚物理理论说明了凝聚作用的因素和机理，但它只适用于电解质浓度升高压缩扩散层造成颗粒聚集的典型情况，即一种理想化的最简单的体系，天然水或其他实际体系中的情况则要复杂得多。（2）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。异体凝聚理论的主要论点为：如果两个电荷符号相异的胶体微粒接

21、近时，吸引力总是占优势；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决定于荷电较弱而电位较低的一方。因此，在异体凝聚时，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所遇到的颗粒聚集方式，大体可概括如下：,压缩双电层凝聚：由于水中电解质浓度增大而离子强度升高，压缩扩散层，使颗粒相互吸引结合凝聚。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，即产生电中和现象，使颗粒脱稳而凝聚。这种凝聚可以出现超荷状况，使胶体颗粒改变电荷符号后，又趋于稳定分散状况。胶体相互凝聚：两种电荷符号相反的胶

22、体相互中和而凝聚，或者其中一种荷电很低而相互凝聚，都属于异体凝聚。“边对面”絮凝：粘土矿物颗粒形状呈板状，其板面荷负电而边缘荷正电，各颗粒的边与面之间可由静电引力结合，这种聚集方式的结合力较弱，且具有可逆性，因而，往往生成松散的絮凝体，再加上”边对边”、”面对面”的结合，构成水中粘土颗粒自然絮凝的主要方式。,5）第二极小值絮凝：在一般情况下，位能综合曲线上的第二极小值较微弱，不足以发生颗粒间的结合，但若颗粒较粗或在某一维方向上较长，就有可能产生较深的第二极小值，使颗粒相互聚集。这种聚集属于较远距离的接触，颗粒本身并未完全脱稳，因而比较松散，具有可逆性。这种絮凝在实际体系中有时是存在的。6)聚合

23、物粘结架桥絮凝：胶体微粒吸附高分子电解质而凝聚，属于专属吸附类型，主要是异电中和作用。不过，即使负电胶体颗粒也可吸附非离子型高分子或弱阴离子型高分子，这也是异体凝聚作用。此外，聚合物具有链状分子，它也可以同时吸附在若干个胶体微粒上，在微粒之间架桥粘结，使它们聚集成团。这时，胶体颗粒可能并未完全脱稳，也是借助于第三者的絮凝现象。如果聚合物同时可发挥电中和及粘结架桥作用，就表现出较强的絮凝能力。7)无机高分子的絮凝：无机高分子化合物的尺度远低于有机高分子，它们除对胶体颗粒有专属吸附电中和作用外，也可结合起来在较近距离起粘结架桥作用，当然，它们要求颗粒在适当脱稳后才能粘结架桥。,8)絮团卷扫絮凝：已

24、经发生凝聚或絮凝的聚集体絮团物，在运动中以其巨大表面吸附卷带胶体微粒，生成更大絮团，使体系失去稳定而沉降。9)颗粒层吸附絮凝：水溶液透过颗粒层过滤时，由于颗粒表面的吸附作用，使水中胶体颗粒相互接近而发生凝聚或絮凝。吸附作用强烈时，可对凝聚过程起强化作用，使在溶液中不能凝聚的颗粒得到凝聚。10)生物絮凝：藻类、细菌等微小生物在水中也具有胶体性质，带电荷，可以发生凝聚。特别是它们往往可以分泌出某种高分子物质，发挥絮凝作用，或形成胶团状物质。实际水环境中，上述种种凝聚、絮凝方式并不是单独存在，往往是数种方式同时发生，综合发挥聚集作用。悬浮沉积物是最复杂的综合絮凝体，其中的矿物微粒和粘土矿物、水合金属

25、氧化物和腐殖质、有机物等相互作用，几乎囊括了上述十种聚集方式。,思考题：,1、请叙述天然水体中存在哪几类颗粒物？（p196,10）2、什么是表面吸附作用、离子交换吸附作用和专属吸附作用？并说明水合氧化物对金属离子的专属吸附和非专属吸附的区别。（p196,11）3、用Langmuir方程描述悬浮物对溶质的吸附作用，假设溶液平衡浓度为3.0010-3mol/L,溶液中每克悬浮物固体吸附溶质为0.5010-3mol/L，当平衡浓度降至1.0010-3mol/L时，每克吸附剂吸附溶质为0.2510-3mol/L，问每克吸附剂可以吸附溶质的限量是多少？（p196,13）4、请说明胶体的凝聚和絮凝之间的区别。（p196,14）5、请叙述水中颗粒物可以哪些方式进行聚集？并简述水环境中发生凝聚的机理？（p196,15）6、请叙述水环境中促成颗粒物絮凝的机理。（p196,16）,