第四章水环境保护第三节　水体污染物的迁移和转化-无机污染物在水体中的迁移和转化(课件）《环境学基础》教学同步（化学工业出版社）

第四章　水环境保护 第三节　水体污染物的迁移和转化 无机污染物在水体中的迁移和转化 无机污染物在水体中的迁移和转化 重点介绍重金属污染物在水环境中的迁移转化 颗粒物与水之间的迁移 水中颗粒物的聚集 溶解和沉淀 氧化还原 配合作用 一、颗粒物与水之间的迁移 1.水中颗粒物 2.颗粒物的吸附作用 矿物微粒和黏土矿物 金属水合氧化物 腐殖质 水体悬浮沉积物 表面吸附 离子交换吸附 专属吸附 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，具有层状晶体结构； 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），其间主要靠氢键连接，因此易于断裂开来。 Si O O O O Al O OH O OH OH OH 重要的水合氧化物主要有： 褐铁矿：Fe2O3﹒nH2O 水化赤铁矿：2Fe2O3﹒H2O 得到具有重要胶体作用的： 针铁矿：Fe2O3﹒H2O 水解 [FeOOH]∞聚合无机高分子 水铝石：Al2O3﹒H2O [Al(OH)3]∞聚合无机高分子 三水铝石：Al2O3﹒3H2O [MnOOH]∞聚合无机高分子 二氧化硅凝胶：SiO2﹒nH2O [Si(OH)4]∞聚合无机高分子 水锰矿：Mn2O3﹒H2O 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+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。 2.水中颗粒物的吸附作用 表面吸附：由于颗粒物具有巨大的比表面和表面能，产生表面吸附；物理吸附； 离子交换吸附：胶体颗粒大部分带负电荷，容易吸附各种阳离子；物理化学吸附； 专属吸附：有化学键、憎水键、范德华力、氢键等作用； 表面吸附 （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。 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。 离子交换吸附 （2）离子交换吸附：是一种物理化学吸附;环境中大部分胶体带负电荷，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 。 需要说明的是： 负电荷 永久负电荷 可变负电荷 ：随着pH值的变化而改变 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。 （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。 水合氧化物胶体对重金属离子有较强的专属吸附作用。 专属吸附 水合氧化物对金属离子的专属吸附与非专属吸附的区别 项目 非专属吸附 专属吸附 发生吸附的表面净电荷的符号 金属离子所起的作用 吸附时所发生的反应 发生吸附时要求体系的pH值 吸附发生的位置 - 反离子 阳离子交换 >零电位点 扩散层 -、0、+ 配位离子 配位体交换 任意值 内层 注：本表摘自陈静生主编，1987。 吸附等温线 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，可用吸附等温线来表达。 吸附等温线 Henry型 Freundlich型 Langmuir型 直线型，其等温式为：G=kC 等温式为：G=kC1/n 等温式为：G=G0c/(A+c) 吸附是指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。