水环境化学

水是世界上分布最广的资源之一，也是人类与生物体赖以生存和发展必不可少的物质。水环境化学是研究化学物质在天然水体中的存在形态、反应机制、迁移转化、归趋的规律与化学行为及其对生态环境的影响。

水环境化学

• 天然水的基本特征及污染物的存在形态
  • 基本特征
    • 天然水的组成
      • 八大离子：K+,Na+，Ca+，Mg+，HCO3-,NO3-,CL-,SO42- 水中的金属离子 气体在水中的溶解性（主要气体O2、CO2、CH4，N2） 水生生物
    • 天然水的性质
      • 碳酸平衡
        • 比较封闭体系和开放体系就可发现，在封闭体系中，[H2CO3*],[HCO3-]和[CO32-]等可随pH变化而改变，但总的碳酸量CT始终保持不变，而对于开放体碳酸平衡系来说，[HCO3-],[C032-]和CT均随 pH 的变化而改变，但 [H2CO3*]总保持不变。
      • 碱度和酸度
        • 总碱度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]=CT(a1+2a2)+Kw/[H+]-[H+] 酚酞碱度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]=CT(a2-a0)+Kw/[H+]-[H+] 苛性碱度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]=-CT(a1+2a0)+Kw/[H+]-[H+]
        • 总酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]=CT(a1+2a0)+[H+]-Kw/[H+] CO2酸度=[H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]=CT(a0-a2)+[H+]-Kw/[H+] 无机酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]=-CT(a1+2a2)+[H+]-Kw/[H+]
      • 缓冲能力
  • 污染物分布及形态
    • 有机污染物：农药、三氯联苯(PCBS)、卤代脂肪烃、醚类、单环芳香族化合物、苯酚类和甲酚类、酞酸酯类、多环芳烃类、亚硝胺和其他化合物
    • 金属污染物，如镉、汞、铅、砷、铬、铜、锌、铊等
  • 水中营养元素及水体富营养化
    • 水中营养元素
      • N,P,C,O和微量元素Fe,Mn,Zn等
      • 通常用N/P的大小判断湖泊的富营养化状况
        • 大于100，贫营养状况
        • 小于10，富营养状况
    • 水体富营养化：指生物所需的N、P等营养物质大量进入缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，鱼类及其他生物大量死亡的现象
• 水中无机污染物的迁移转化
  • 颗粒物与水之间的迁移
    • 颗粒物类别
      • 矿物微粒和粘土矿物
      • 金属水化合物
      • 腐殖质
      • 水体悬浮沉积物
  • 水环境中颗粒物的吸附作用
    • 表面吸附、离子交换吸附、 专属吸附
    • 吸附等温线和等温式
      • Henry型：G=kc
      • Freundlich型：G=kc^(1/n)
      • Langmuir型：G=G^0C/(A+c)
  • 沉积物中重金属的释放
    • 盐浓度升高、 氧化还原条件的变化、 降低PH、增加水中配合剂的含量
  • 水中颗粒物的聚集
    • 胶体颗粒凝聚的基本原理和方式
      • 压缩双电层凝聚、专属吸附凝聚、胶体相互凝聚、“边对面”絮凝、第二极小值絮凝、聚合物黏结架桥絮凝、无机高分子絮凝、絮团卷扫絮凝、颗粒层吸附絮凝、生物絮凝
    • 胶体颗粒絮凝动力学
      • 异向絮凝、同向絮凝、差速沉降絮凝
  • 溶解与沉淀
    • 溶解度小者，迁移能力小；溶解度大者，迁移能力大
    • 氧化物和氢氧化物
    • 硫化物：只要水环境中存在S2-，均可从水中去除
    • 碳酸盐
  • 氧化还原
    • PH=-Lg[H+] PE=-Lg(ae) pE=(1/0.059v)E
    • 天然水体PE-PH图，如以铁为例（PH=5~9，Fe(OH)3和Fe2+是主要的稳定形态）
    • 水体PH直接影响水体的氧化还原性质
  • 配合作用
    • 无机配体：OH-,CL-,CO32-,HCO3-,F-,S2-等 有机配体：动植物组织的天然降解物，生活废水中的洗涤剂、清洁剂，农药等
    • 腐殖质的配合作用：腐殖酸可溶于稀碱液但不溶于酸的部分，相对分子质量由数千到数万；富里酸可溶于酸又可溶于碱的部分，相对分子质量由数百到数千；腐黑物不能被酸和碱提取的部分
• 水中有机污染物的迁移转化
  • 分配作用
    • 理论：1、分配作用：在水溶液中，土壤有机质(包括水生生物脂肪以及植物有机质等)对有机物的溶解作用，而且在溶质的整个溶解范围内，吸附等温线都是线性，与表面吸附位无关 2、吸附作用，即在非极性有机溶剂中，土壤矿物质对有机物的表面吸附作用或千土壤矿物质对有机物的表面吸附作用，前者主要靠 van der Waals力，后者则,各种化学键力如氢键、离子偶极键、配位键及π键作用的结果。其吸附等温线是非线性的，并存在着竞争吸附，同时在吸附过程中往往要放出大量热，来补偿反应中熵的损失
    • 标化分配系数：Kp=ρa/ρw 、Koc=Kp/Woc、Koc=0.63Kow、LgKow=5-0.67Lg(sw*10^3/Mr)
  • 挥发作用
    • 挥发作用是有机物质从溶解态转入气相的一种迁移过程。（双膜理论）挥发速率依赖于有毒物质的性质和水体特征。
    • Henry定律：p=K*Cw K'=Ca/Cw
  • 水解作用
    • 水解速率常数：Kh=[Kn+aw(Ka[H+]+Kb[OH-])
  • 光解作用
    • 直接光解
      • 光的吸收作用+光量子产率
    • 敏化光解（间接光解）
      • 一个光吸收分子可能将它的过剩能量转移到一个接受体分子，导致接受体反应，这种反应就是光敏化作用
    • 氧化反应
  • 生物降解
    • 生长代谢
      • 在生长代谢过程中，微生物可对有毒物质进行较彻底的降解或矿化，因而是解毒生长基质
    • 共代谢
      • 某些有机污染物不能作为微生物的唯一碳源与能源，必须有另外的化合物存在提供微生物碳源或能源时，该有机物才能被降解，这种现象称共代谢