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环境化学-第三章水环境化学
pG——各种气体的分压。 注意：亨利定律只能算出未在水中发生反应的气体的溶
解度。
（3）气体在水中的溶解性 氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压及水中含 盐量有关。在1.0130×105Pa、25℃饱和水中溶解度为 8.32mg/L。
水在25℃时的蒸气压为0.03167×105Pa。而空气中氧的含量 为20.95%，氧的分压为： pO2=(1.10310 – 0.03167) ×105×0.2095×105=0.2065×105 代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为： [O2(aq)]=KH ·pO2=1.26×10-8×0.02065×105=2.6×10-4 氧的分子量为32，因此其溶解度为8.32mg/L
营养元素超标： C（BOD= CO2）、N、P、Fe，都有可 能成为 制限因子； 藻类疯长； 藻类尸体分解引起水体溶氧下降； 水体发臭； 水生生物死亡； 藻毒素。
太湖美景
天然水的性质
• 碳酸平衡 • 天然水中的碱度和酸度 • 天然水体的缓冲能力 • 水的硬度
碳酸平衡
CO2在水中形成酸，同岩石中的碱性物质发生 反应，并通过沉淀反应变为沉积物从水中除去。 在水和生物体之间的生物化学交换中，CO2占有独 特地位，溶解的碳酸盐化合态与岩石圈、大气圈 进行均相、多相的酸碱反应和交换反应，对于调 节天然水的pH和组成起着重要作用。
第三章 水环境化学
本章内容提要
• 水中污染物的种类、分布和存在形态 • 水中无机污染物的迁移与转化 • 水中有机污染物的迁移与转化 • 水质模型
水是地球上人类和一切生物得以生存的物质基础
自然地貌的形成
自然功能
维持生态平衡
水
气象气候主要因素
的
功
能
解度。
（3）气体在水中的溶解性 氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压及水中含 盐量有关。在1.0130×105Pa、25℃饱和水中溶解度为 8.32mg/L。
水在25℃时的蒸气压为0.03167×105Pa。而空气中氧的含量 为20.95%，氧的分压为： pO2=(1.10310 – 0.03167) ×105×0.2095×105=0.2065×105 代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为： [O2(aq)]=KH ·pO2=1.26×10-8×0.02065×105=2.6×10-4 氧的分子量为32，因此其溶解度为8.32mg/L
营养元素超标： C（BOD= CO2）、N、P、Fe，都有可 能成为 制限因子； 藻类疯长； 藻类尸体分解引起水体溶氧下降； 水体发臭； 水生生物死亡； 藻毒素。
太湖美景
天然水的性质
• 碳酸平衡 • 天然水中的碱度和酸度 • 天然水体的缓冲能力 • 水的硬度
碳酸平衡
CO2在水中形成酸，同岩石中的碱性物质发生 反应，并通过沉淀反应变为沉积物从水中除去。 在水和生物体之间的生物化学交换中，CO2占有独 特地位，溶解的碳酸盐化合态与岩石圈、大气圈 进行均相、多相的酸碱反应和交换反应，对于调 节天然水的pH和组成起着重要作用。
第三章 水环境化学
本章内容提要
• 水中污染物的种类、分布和存在形态 • 水中无机污染物的迁移与转化 • 水中有机污染物的迁移与转化 • 水质模型
水是地球上人类和一切生物得以生存的物质基础
自然地貌的形成
自然功能
维持生态平衡
水
气象气候主要因素
的
功
能
水环境化学-72页文档资料
农药
有机氯 有机磷
多氯联苯 (PCBS) 卤代脂肪烃 醚
单环芳香族化合物 苯酚类和甲酚类 酞酸酯类 多环芳烃（PAH) 亚硝胺和其他化合物
2、金属污染物 (Metal Pollutant)
Cd、 Hg、 Pb、 As、 Cr、 Cu、 Zn、 Tl、 Ni、 Be
第二节 水中无机污染物的迁移转化
强酸 弱酸 强酸弱碱盐
总酸度= [H+]+ [ HCO3-] +2[H2CO3*] - [ OH-] CO2酸度= [H+]+ [H2CO3*] - [CO32-] - [ OH-] 无机酸度= [H+]- [ HCO3-]-2 [CO32-] - [ OH-]
二、水中污染物的分布及存在形态
1、有机污染物 (Organic Pollutant)
第三节 水中有机污染物的迁移转化
(Transport and Transformation of organic Pollutants)
有机污染物在水环境中的迁移转化 取决于有机污染物的自身性质和水体的 环境条件。 迁移转化主要方式：
吸附、挥发、水解、光解、生物富集、 生物降解等。
一、分配作用 (Partition)
1、 分配理论 (Partition Theory)
吸着（sorption）指有化合物在土壤(沉积物) 中的吸着存在，可以用二种机理来描述有机 污染物和土壤质点表面间物理化学作用的范 围。
（2）天然水中的碱度和酸度
(Acidity and Alkalinity in Natural Waters)
碱度（Alkalinity）
指水中能与强酸发生中和作用 的全部物质，即接受质子的物质总 量，包括强碱、弱碱及强碱弱酸盐。
第三章水环境化学3
2. 金属污染物（重金属污染物）
Cd、 Hg、 Pb、 As、 Cr、 Cu、 Zn、 Tl、 Ni、Be 优先污染物 (Priority pollutants)“黑名单”
CO 2 3
(1 [H ]2 [H ])1
2
C
KK K
T
12
2
[H2CO3*]= CT0 [HCO3-] = CT1 [CO32-] = CT2 以上为封闭体系，未考虑溶解性CO2与大气的交换， CT不变，其余各浓度变化。
开放体系 考虑到CO2在气-液相之间的平衡，[H2CO3*] 不变。
如藻类（Algae)的生成和分解
106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++ (痕量元素) (Respiration) R↑↓P (Photosynthesis) C106H263O110N16P + 138 O2
利用太阳能从无机矿物合成有机物的生物体称为生产者，水 体产生生物体的能力称为生产率，生产率是由化学及物理的 因素相结合而决定的。 在高生产率的水体中藻类生产旺盛， 死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低，这就是水体的富营 养化。
二、 水中污染物的分布及存在形式
Eight types of pollutants：
耗氧类污染物
致病污染物 植物营养物 无机及矿物质
美国 学者
合成有机物
沉积物
放射性污染物
热污染
1. 有机颗粒物
农药(Pesticides)
有机氯—难化学和生物降解，低水溶性，高辛醇-水分配系数， 易沉积到有机质和生物脂肪之中，如食物链积累。
化学需氧量（COD-Chemical Oxygen Demand ）
Cd、 Hg、 Pb、 As、 Cr、 Cu、 Zn、 Tl、 Ni、Be 优先污染物 (Priority pollutants)“黑名单”
CO 2 3
(1 [H ]2 [H ])1
2
C
KK K
T
12
2
[H2CO3*]= CT0 [HCO3-] = CT1 [CO32-] = CT2 以上为封闭体系，未考虑溶解性CO2与大气的交换， CT不变，其余各浓度变化。
开放体系 考虑到CO2在气-液相之间的平衡，[H2CO3*] 不变。
如藻类（Algae)的生成和分解
106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++ (痕量元素) (Respiration) R↑↓P (Photosynthesis) C106H263O110N16P + 138 O2
利用太阳能从无机矿物合成有机物的生物体称为生产者，水 体产生生物体的能力称为生产率，生产率是由化学及物理的 因素相结合而决定的。 在高生产率的水体中藻类生产旺盛， 死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低，这就是水体的富营 养化。
二、 水中污染物的分布及存在形式
Eight types of pollutants：
耗氧类污染物
致病污染物 植物营养物 无机及矿物质
美国 学者
合成有机物
沉积物
放射性污染物
热污染
1. 有机颗粒物
农药(Pesticides)
有机氯—难化学和生物降解，低水溶性，高辛醇-水分配系数， 易沉积到有机质和生物脂肪之中，如食物链积累。
化学需氧量（COD-Chemical Oxygen Demand ）
第三章-水环境化学(第一次课)
次要离子：Fe2+、CO32－、HSiO3－、NO2－、 HPO42－、H2PO4－、PO43－
ii 表示方法
总含盐量(Total Dissolved Solids－TDS)，也称总矿化度： 水中所含各种溶解性矿物盐类的总量称为水的总含盐量。
总含盐量＝Σ阳离子+Σ阴离子
iii 测定
重量法
总含盐量＝溶解固形物
cT
[H
2 CO
* 3
](1
K1 [H
]
K1K 2 [H ]2
)
0
[H2CO*3
]
1
cT
(1
K1 [H ]
K1K 2 [H ]2
) 1
说明pH决定它们的 含量多少
1
[HCO
3
]
cT
[H ] (
K1
1
K2 [H
) ]
1
2
[CO32 ] cT
([H ]2 K1K 2
[H ] 1)1 K2
lg c2 H • ( 1 1 ) 15.59103 ( 1 1 ) c1 2.303R T1 T2 2.3038.314 298.15 273.15
c2 8.289 1.778 14.74mg / L
0 ℃时的含量14.74mg/L 20 ℃时为9.227mg/L
2．在一个标准大气压下，25℃时CO2在水中的溶解度。已知 CO2在干空气中的含量为0.0314%（体积）。
氧气的分压为
0.9813105 20.95% 0.2056105 Pa
[G(O2) ] KH PG 1.26108 0.2056105 2.590104 mol / L
[G(O2) ] 2.590104 32 8.289mg / L
ii 表示方法
总含盐量(Total Dissolved Solids－TDS)，也称总矿化度： 水中所含各种溶解性矿物盐类的总量称为水的总含盐量。
总含盐量＝Σ阳离子+Σ阴离子
iii 测定
重量法
总含盐量＝溶解固形物
cT
[H
2 CO
* 3
](1
K1 [H
]
K1K 2 [H ]2
)
0
[H2CO*3
]
1
cT
(1
K1 [H ]
K1K 2 [H ]2
) 1
说明pH决定它们的 含量多少
1
[HCO
3
]
cT
[H ] (
K1
1
K2 [H
) ]
1
2
[CO32 ] cT
([H ]2 K1K 2
[H ] 1)1 K2
lg c2 H • ( 1 1 ) 15.59103 ( 1 1 ) c1 2.303R T1 T2 2.3038.314 298.15 273.15
c2 8.289 1.778 14.74mg / L
0 ℃时的含量14.74mg/L 20 ℃时为9.227mg/L
2．在一个标准大气压下，25℃时CO2在水中的溶解度。已知 CO2在干空气中的含量为0.0314%（体积）。
氧气的分压为
0.9813105 20.95% 0.2056105 Pa
[G(O2) ] KH PG 1.26108 0.2056105 2.590104 mol / L
[G(O2) ] 2.590104 32 8.289mg / L
第3章 水环境化学3
⑵ pE-pH图（自学）
假定溶液中溶解性铁的最大浓度为1.0×10-7mol/L，没 有考虑Fe(OH)2＋及FeCO3等形态的生成。根据上面 的讨论，Fe的pE-pH图必须落在水的氧化还原限度内。
①Fe(OH)3(s) 和 Fe(OH)2(s) 的 边 界。
Fe(OH)3(S) ＋ H＋ ＋ e Fe(OH)2(S) + H2O
体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低，并 恢复到污染前的水平；狭义的定义指水体中的微生物氧化分解 有机物而使得水体得以净化的过程。
=-4.13
还原环境，有提供电子的倾 向
从上面计算可以看到：(1)天然水体的pE与其决定电位 体系的物质含量有关。就溶解氧含量来说，其含量随水深 而减少，致使表层水呈氧化性环境，深层水及底泥则为还 原性环境；溶解氧含量随水体温度升高而降低，还随水中 耗氧有机物的增加而减少，并与水生生物的分布、活动有 关。总之，天然水中溶解氧的分布是不均匀的，时空变化 比较明显。(2)天然水体的pE与其pH有关，pE随pH减小而 增大。
由水中铁体系的pE-pH图看出，当这个体系在一个相 当高的H+活度及高的电子活度（酸性还原介质）， Fe2＋ 是主要形态，在这种条件下一些地下水中含有相当水平的 Fe2＋；在高的H+活度及低的电子活度（酸性氧化介质）， Fe3 ＋ 是 主 要 形 态 ； 在 低 酸 度 的 氧 化 介 质 中 ， 固 体 Fe(OH)3(S) 是主要的存在形态，最后在碱性的还原介质中， 具有低的H+活度及高的电子活度，固体Fe(OH)2是稳定的。
⑦Fe2+和FeOH+的边界 Fe2+ ＋ H2O FeOH+ + H+
第3章：水环境化学
➢湖水中：Na+、Cl-、SO42-占优势； ➢地下水主要离子成分受地域变化影响很大，一般说地下水硬度 高，就是其中Ca2+、Mg2+含量高，对于一些苦水或咸水地区， 地下水中Na+、HCO3-含量较高； ➢河水中所含有的部分Na+和大部分的Ca2+主要分别来源于硅酸 盐和碳酸盐的风化、溶解；水中所含有的SO42-主要来自硫化物矿 物和硫酸盐矿物（如石膏）的溶解。
第3章：水环境化学
举例：水中可溶性金属离子可以多种形态存在。例如，铁可以
Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+、Fe3+等形态存在。这些 形态在中性(pH=7)水体中的浓度可以通过平衡常数加以计算：
Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+ [Fe(OH)2+][H+]/[Fe3+]=8.9×10-4
代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为：
[O2(aq)]= KH·=1.26×10-8×0.2056×105=2.6×10-4 mol/L 氧的分子量为32，因此其溶解度为8.32mg/L。
气 体 溶 解 度 随 温 度 升 高 而 降 低 ， 这 种 影 响 可 由 Clausius-Clapeyron （克拉帕龙）方程式显示出：
CO2在水中离解部分可产生等浓度的H+和HCO3-。H+及HCO3-的浓度可 从 CO2的酸离解常数（K1）计算出： CO2+H2O CO2·H2O 亨利常数 KH [C=OP23CO H.232O 4]×10-7molL-1Pa-1
第3章：水环境化学
CO2·H2O HCO3-+H+ 一级电离
第3章：水环境化学
举例：水中可溶性金属离子可以多种形态存在。例如，铁可以
Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+、Fe3+等形态存在。这些 形态在中性(pH=7)水体中的浓度可以通过平衡常数加以计算：
Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+ [Fe(OH)2+][H+]/[Fe3+]=8.9×10-4
代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为：
[O2(aq)]= KH·=1.26×10-8×0.2056×105=2.6×10-4 mol/L 氧的分子量为32，因此其溶解度为8.32mg/L。
气 体 溶 解 度 随 温 度 升 高 而 降 低 ， 这 种 影 响 可 由 Clausius-Clapeyron （克拉帕龙）方程式显示出：
CO2在水中离解部分可产生等浓度的H+和HCO3-。H+及HCO3-的浓度可 从 CO2的酸离解常数（K1）计算出： CO2+H2O CO2·H2O 亨利常数 KH [C=OP23CO H.232O 4]×10-7molL-1Pa-1
第3章：水环境化学
CO2·H2O HCO3-+H+ 一级电离
3章水环境化学
我国水资源总量约为2.8万亿立方米，居世
界第6位。但由于人口众多，人均水资源占有量
不足，仅为2200立方米，约为世界人均占有量
的1/4，被列为世界几个人均水资源贫乏的国家
之一。
9
我国水资源现状：
水资源时空分布不均，南多北少：
比如，黄淮海流域人口占全国的34.7%，水
资源量却只占全国的7.6%，人均水资源量仅有
重的缺水期。
这份报告还称，2030年，我国将缺水400-500亿立 方米，缺水高峰将会出现。
12
13
水的循环
14
第一节 天然水的基本特征及污染物的 存在形态
一、天然水的基本特征
在水污染化学中，水体指河流、湖泊、沼泽、
水库、地下水、冰川、海洋等贮水体的总称。
水体的组成不仅包括水，而且也包括悬浮物
24
自养生物—利用太阳能或化学能把简单无生命的无机 物引进复杂的生命分子中，组成生命体。 异养生物—利用自养生物产生的有机物作为能源及合 成它自身的原始物质。
利用太阳能从无机矿物合成有机物的生物体称为生产
者，水体产生生物体的能力称为生产率，生产率是由
化学及物理的因素相结合而决定的。
在高生产率的水体中藻类生产旺盛，死藻的分解引起 水中溶解氧水平的降低，这就是水体的富营养化。在 许多情况下，P(磷酸盐）是限制的营养物。
【教学重点】：天然水的基本特征；水质标准
和指标；水中常见化合物、污染物存在形态及分 布；污染物在水环境中的迁移转化的基本原理。
【教学难点】：水中重要污染物存在形态及分
布；污染物在水环境中的迁移转化的基本原理。
【教学课时数】：8学时
6
概述
界第6位。但由于人口众多，人均水资源占有量
不足，仅为2200立方米，约为世界人均占有量
的1/4，被列为世界几个人均水资源贫乏的国家
之一。
9
我国水资源现状：
水资源时空分布不均，南多北少：
比如，黄淮海流域人口占全国的34.7%，水
资源量却只占全国的7.6%，人均水资源量仅有
重的缺水期。
这份报告还称，2030年，我国将缺水400-500亿立 方米，缺水高峰将会出现。
12
13
水的循环
14
第一节 天然水的基本特征及污染物的 存在形态
一、天然水的基本特征
在水污染化学中，水体指河流、湖泊、沼泽、
水库、地下水、冰川、海洋等贮水体的总称。
水体的组成不仅包括水，而且也包括悬浮物
24
自养生物—利用太阳能或化学能把简单无生命的无机 物引进复杂的生命分子中，组成生命体。 异养生物—利用自养生物产生的有机物作为能源及合 成它自身的原始物质。
利用太阳能从无机矿物合成有机物的生物体称为生产
者，水体产生生物体的能力称为生产率，生产率是由
化学及物理的因素相结合而决定的。
在高生产率的水体中藻类生产旺盛，死藻的分解引起 水中溶解氧水平的降低，这就是水体的富营养化。在 许多情况下，P(磷酸盐）是限制的营养物。
【教学重点】：天然水的基本特征；水质标准
和指标；水中常见化合物、污染物存在形态及分 布；污染物在水环境中的迁移转化的基本原理。
【教学难点】：水中重要污染物存在形态及分
布；污染物在水环境中的迁移转化的基本原理。
【教学课时数】：8学时
6
概述
水环境化学38页PPT文档
H
CH3
N-亚硝基二甲胺 （NDMA)
新发现的强致癌性 的消毒副产物
偏二甲肼 （导弹推进剂）
N-亚硝胺还原的机理
H
第一种方式：
N-N还原
O
2e-
N + NO-
R1
R2
N
2H+
N
HH
R1
R2
2e-
N
2e-
2H+
N R1
R2
2H+
第二种方式： 肼
N=O还原
H
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
N + NH3
R1
R2
5. 还原脱烷基
还原脱烷基：杂原子上的烷基被H取代
CH3
CH3
NO2
NH2 NH2
NH2
NO2
与亚硝基
CH3
中间产物耦合
NO2
NO2
NO2
NO2
O
NN
NO2 NO2
NO2 NO2
与亚硝基 中间产物耦合
CH3 NO2
CH3
CH3
NO2
NO2
2 ',4 ,6 ,6 '-四 硝 基 -2 ,4 '-偶 氮 甲 苯
CH3
CH3
NO2
NO2 NO2
NH2
NHOH
SO3-Na+
N N
NH H
Direct Red 28
H2N
H2N
NH2 +
H HN N N
NH2
SO3-Na+
Benzidine （联苯胺）
SO3-Na+
致癌芳香胺
（3）N-亚硝胺还原