環(huán)境管理_水環(huán)境中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化

重金屬在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化 制作人 白婷 重金屬的定義 在化學(xué)中一般是指相對(duì)密度等于或大于5 0的金屬 包括Fe Mn Cu Zn Cd Hg Ni Co等45種元素 在環(huán)境污染研究中 重金屬多指Hg Cd Pb Cr以及類金屬等生物毒性顯著的元素 其次是指有一定毒性的一般元素 如Zn Cu Ni Co Sn等 污染特點(diǎn) 1 2 3 4 來源廣 殘留時(shí)間長(zhǎng) 能沿著食物鏈轉(zhuǎn)移富集 有放大作用 重金屬離子在自然環(huán)境中不能被破壞 水體中的某些重金屬可在微生物作用下轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的金屬化合物 只要有微量重金屬即可產(chǎn)生毒性效應(yīng) 重金屬的來源 1 大氣中的重金屬來源 3 土壤中的重金屬來源 2 水體中的重金屬來源 自然來源 由宇宙天體作用及地球上各種地質(zhì)作用而使某些重金屬元素進(jìn)入大氣中 人為來源 工業(yè)生產(chǎn) 汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵等 大氣中重金屬的來源 自然因素 在沒有人為污染的情況下 水體中的重金屬的含量取決于水與土壤 巖石的相互作用 其值一般很低 不會(huì)對(duì)人體健康造成危害 但 導(dǎo)致水體受到重金屬污染 人為因素 工礦業(yè)廢水 生活污水等未經(jīng)適當(dāng)處理即向外排放 污染了土壤 廢棄物堆放場(chǎng)受流水作用以及富含重金屬的大氣沉降物輸入 都使水體重金屬含量急劇升高 水體中的重金屬來源 1 2 土壤中的重金屬來源 污水灌溉 施用化肥農(nóng)藥 固體廢棄物堆積 城市化 礦床開發(fā) 水環(huán)境中反應(yīng)類型 吸附解吸 絮凝聚沉 沉淀溶解 氧化還原 配合作用 吸附解吸作用 天然水體中存在著大量黏土礦物 水合氧化物等無(wú)機(jī)高分子化合物和腐殖質(zhì)等有機(jī)高分子化合物 它們是天然水體中存在的主要膠體物質(zhì) 由于膠體具有巨大的比表面 表面能和帶電荷 能夠強(qiáng)烈地吸附各種分子和離子 對(duì)重金屬離子在水體中的遷移有重大影響 膠體的吸附作用是使重金屬?gòu)乃修D(zhuǎn)入固相的主要途徑 黏土礦物對(duì)重金屬的吸附 離子交換吸附機(jī)制水解吸附機(jī)制 離子交換吸附機(jī)制 黏土礦物的微粒通過層狀結(jié)構(gòu)邊緣的羥基氫和 OM基中M 離子以及層狀結(jié)構(gòu)之間的M 離子 與水中的重金屬離子交換而將其吸附 水解吸附機(jī)制 重金屬離子先水解 然后奪取黏土礦物微粒表面的羥基 形成羥基配合物而被吸附 Me2 nH2O Me OH n 2 n nH AOH Me OH n 2 n AMe OH n 1 1 n 水合金屬氧化物對(duì)重金屬離子的吸附 一般認(rèn)為 水合金屬氧化物對(duì)重金屬離子的吸附過程是重金屬離子在這些顆粒表面發(fā)生配位化合過程 可用下式表示 n AOH Men AO n Me nH 式中 代表微粒表面 A代表微粒表面的鐵 鋁 硅或錳 Men 為重金屬離子 箭頭代表配位鍵 腐殖質(zhì)對(duì)重金屬離子的吸附 腐殖質(zhì) Hum 微粒對(duì)重金屬離子的吸附 主要是通過它對(duì)金屬離子的螯合作用和離子交換作用來實(shí)現(xiàn) 例 Mn2 與腐殖質(zhì)以離子交換吸附為主 腐殖質(zhì)對(duì)Cu2 Ni2 以螯合作用為主 與Zn2 或Co2 則可以同時(shí)發(fā)生離子交換和螯合作用 重金屬濃度高時(shí) 重金屬濃度低時(shí) 離子交換機(jī)理 螯合作用 膠體微粒的吸附對(duì)金屬離子的影響 吸附作用可控制水體中金屬離子的濃度 膠體的吸附作用是使許多微量金屬?gòu)娘柡偷奶烊凰修D(zhuǎn)入固相的最重要的途徑 膠體的吸附作用在很大程度上控制著微量金屬在水環(huán)境中的分布和富集狀況 大量資料表明 在水環(huán)境中所有富含膠體的沉積物由于吸附作用幾乎都富集有Cu2 Ni2 Ba2 Zn2 Pb2 Tl U等金屬 絮凝聚沉 膠體微粒的聚沉是指膠體顆粒通過碰撞結(jié)合成聚集體而發(fā)生沉淀現(xiàn)象 這現(xiàn)象也稱凝聚 影響膠體聚沉的兩個(gè)主要因素 微粒電荷 大量陽(yáng)離子的存在 可促進(jìn)膠體凝聚 水化膜 水化膜使有機(jī)膠體微粒距離增大 分子間作用力變?nèi)?難以聚沉 沉淀溶解反應(yīng) 重金屬化合物在水中的溶解度可直觀地體現(xiàn)它在水環(huán)境中的遷移能力 溶解度大者遷移能力大 溶解度小者遷移能力小 重金屬的氯化物和硫酸鹽 AgCl Hg2Cl2 PbSO4等除外 基本上是可溶的 重金屬的碳酸鹽 硫化物 氫氧化物卻是難溶的 沉淀溶解反應(yīng) 主要包括以下幾種化合物的沉淀溶解平衡反應(yīng) 1 氫氧化物 2 硫化物 3 碳酸鹽 氫氧化物 金屬氫氧化物的溶解平衡可表示為 Me OH n Men nOH 溶度積為 Ksp Men OH n一般說來 如果水體中沒有其他配位體 大部分金屬離子氫氧化物在pH較高時(shí) 其溶解度較小 遷移能力較弱 若水體pH較小 金屬氫氧化物的溶解度升高 金屬離子的遷移能力也就增大 硫化物在中性條件下大多數(shù)重金屬硫化物不溶于水 當(dāng)天然水體中存在硫化氫時(shí) 重金屬離子等就可能形成金屬硫化物 在硫化氫和金屬硫化物均達(dá)到飽和的水中 同時(shí)存在著兩種平衡 H2S H HS K1 H HS H2S HS H S2 K2 H S2 HS Me2 S2 MeS s Ksp Me2 S2 碳酸鹽 HCO3 是天然水體中主要陰離子之一 它能與金屬離子形成碳酸鹽沉淀 從而影響水中重金屬離子的遷移 水中碳酸鹽的溶解度 在很大程度上取決于其中二氧化碳的含量和水體pH 水體中二氧化碳能促使碳酸鹽的溶解 MeCO3 s Co2 H2O Me2 2HCO3 可見 水體pH升高 碳酸鹽溶解度下降 金屬離子的遷移能力也就減小 沉淀溶解的作用 沉淀溶解作用能使水體中重金屬離子與相應(yīng)的陰離子生成硫化物 碳酸鹽等難溶化合物 大大限制了重金屬污染物在水體中的擴(kuò)散范圍 使重金屬主要富集于排污口附近的底泥中 降低了重金屬離子在水中的遷移能力 在某種程度上可以對(duì)水質(zhì)起凈化作用 配合作用 水體中存在著各種各樣的無(wú)機(jī)配位體 有機(jī)配位體 它們能與重金屬離子形成各種絡(luò)合物或螯合物 對(duì)水體中重金屬遷移及生物效應(yīng)有很大的影響 羥基的配合作用 氯離子的配合作用 無(wú)機(jī)配位體 有機(jī)配位體 配合作用 無(wú)機(jī)配位體對(duì)重金屬的配合作用 羥基對(duì)重金屬離子的配合作用 羥基對(duì)重金屬的配合作用實(shí)際上是重金屬離子的水解反應(yīng) 重金屬與堿金屬 堿土金屬不同 能在較低的pH值下水解 以二價(jià)離子為例 羥基與其的配合反應(yīng)可表示如下 Me2 OH MeOH K1MeOH OH Me OH 2K2Me OH 2 OH Me OH 3 K3Me OH 3 OH Me OH 42 K4 氯離子的配合作用氯離子是天然水體中最常見的陰離子之一 被認(rèn)為是較穩(wěn)定的配合劑 它與金屬離子 以Me2 為例 的反應(yīng)主要有 Me2 Cl MeCl Me2 2Cl MeCl2Me2 3Cl MeCl3 氯離子配合作用對(duì)重金屬遷移的影響主要表現(xiàn)為 大大提高了難溶重金屬化合物的溶解度 由于氯絡(luò)重金屬離子的生成 減弱了膠體對(duì)重金屬離子的吸附作用 有機(jī)配位體與重金屬離子的配合作用 腐殖質(zhì)是起配合作用的主要物質(zhì)腐殖質(zhì)與金屬離子的螯合反應(yīng)示意如下 氧化還原反應(yīng) 水體中常見的氧化劑常見的還原劑 Fe Mn S Cr As 溶解氧等 Fe Mn S2 和有機(jī)化合物 水體氧化還原條件對(duì)重金屬的存在形態(tài)及其遷移能力有很大的影響 鉻 礬 硫化合物 易溶物 難溶