水環(huán)境中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化

1、LOGO 重金屬在水環(huán)境中的 遷移轉(zhuǎn)化制作人：白婷制作人：白婷重金屬的定義重金屬的定義v在化學(xué)中一般是指相對密度等于或大于5.0的金屬，包括Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Hg、Ni、Co等45種元素。v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)污染特點(diǎn) 1 2 3 4來源廣、殘留時間長、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)。重金屬的來源重金屬的來源1大氣中的

2、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：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：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大氣中重金屬的來源 自然因素：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，不會對人體健康造成危害。但，導(dǎo)致水體受到重金屬污染。 人為因素：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。12 污

3、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)類型水環(huán)境中反應(yīng)類型吸附解吸吸附解吸絮凝聚沉絮凝聚沉沉淀溶解沉淀溶解氧化還原氧化還原配合作用配合作用吸附解吸作用 天然水體中存在著大量天然水體中存在著大量黏土礦物、水合氧化物黏土礦物、水合氧化物等無機(jī)高等無機(jī)高分子化合物和分子化合物和腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)等有機(jī)高分子化合物，它們是天然水等有機(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)。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)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，對重金屬離子在水體中的遷移烈地吸附各種分子和離子，對重金屬離子

4、在水體中的遷移有重大影響。有重大影響。 膠體的吸附作用是使重金屬從水中轉(zhuǎn)入固相的主要途徑。膠體的吸附作用是使重金屬從水中轉(zhuǎn)入固相的主要途徑。 黏土礦物對重金屬的吸附 v離子交換吸附機(jī)制離子交換吸附機(jī)制 v水解吸附機(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基中基中M+離子以及層狀結(jié)構(gòu)之間的離子以及層狀結(jié)構(gòu)之間的M+離子，與水中的重金屬離子離子，與水中的重金屬離子交換而將其吸附。交換而將其吸附。水解吸附機(jī)制水解吸附機(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

5、而被吸附：表面的羥基，形成羥基配合物而被吸附： Me2+ + n H2O = Me(OH)n(2-n)+ + n H+ AOH + Me(OH)n(2-n)+= AMe(OH)n+1(1-n)+ 水合金屬氧化物對重金屬離子的吸附 一般認(rèn)為，水合金屬氧化物對重金屬離子的吸一般認(rèn)為，水合金屬氧化物對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：過程，可用下式表示： nAOH + Men+= (AO)n Me + n H+ 式中式中代表微粒表面，代表微粒表面，A代表微粒表面的鐵、鋁、代表微粒表面的鐵、鋁、硅或錳，硅或錳，Me

6、n+為重金屬離子，箭頭代表配位鍵。為重金屬離子，箭頭代表配位鍵。 腐殖質(zhì)對重金屬離子的吸附 腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)(Hum)微粒對重金屬離子的吸附，主要是通過它對金屬離子的微粒對重金屬離子的吸附，主要是通過它對金屬離子的螯螯合作用合作用和和離子交換離子交換作用來實(shí)現(xiàn)。作用來實(shí)現(xiàn)。 例例:Mn2+與腐殖質(zhì)以離子交換吸附為主，腐殖質(zhì)對與腐殖質(zhì)以離子交換吸附為主，腐殖質(zhì)對Cu2+、Ni2+以螯合作以螯合作用為主，與用為主，與Zn2+或或Co2+則可以同時發(fā)生離子交換和螯合作用則可以同時發(fā)生離子交換和螯合作用以離子交換為主以絡(luò)合作用為主重金屬濃度高時重金屬濃度低時離子交換機(jī)理離子交換機(jī)理 ： 螯合作用：螯合作用

7、： 膠體微粒的吸附對金屬離子的影響 v吸附作用可控制水體中金屬離子的濃度。吸附作用可控制水體中金屬離子的濃度。v膠體的吸附作用是使許多微量金屬從飽和的天然水中膠體的吸附作用是使許多微量金屬從飽和的天然水中轉(zhuǎn)入固相的最重要的途徑。轉(zhuǎn)入固相的最重要的途徑。v膠體的吸附作用在很大程度上控制著微量金屬在水環(huán)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。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由于吸附作用幾乎都富集有Cu2+Cu2+、Ni2+Ni2+、Ba2+Ba2+、Zn2+Zn2+、

8、Pb2+Pb2+、TlTl、U U等金屬。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。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主要因素：影響膠體聚沉的兩個主要因素： 微粒電荷：微粒電荷：大量陽離子的存在，可促進(jìn)膠體凝大量陽離子的存在，可促進(jìn)膠體凝聚。聚。 水化膜：水化膜：水化膜使有機(jī)膠體微粒距離增大，分水化膜使有機(jī)膠體微粒距離增大，分子間作用力變?nèi)?，難以聚沉。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)境重金屬化合物在水中的溶解度可直觀地體現(xiàn)它

9、在水環(huán)境中的遷移能力。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。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重金屬的氯化物和硫酸鹽(AgCl(AgCl、Hg2Cl2Hg2Cl2、PbSO4PbSO4等除外等除外) )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。難溶的。沉淀溶解反應(yīng)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)主要包括以下幾種化合物的沉淀溶解平衡反應(yīng)1. 氫氧化物氫氧化物2. 硫化物硫化物3. 碳酸鹽碳酸鹽 氫氧化物氫氧化物 金屬氫氧化物的溶解平衡可表示為：金屬氫氧化物

10、的溶解平衡可表示為： Me(OH)n= Men+ + nOH- 溶度積為：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部分金屬離子氫氧化物在pH較高時，其溶解度較高時，其溶解度較小，遷移能力較弱；若水體較小，遷移能力較弱；若水體pH較小，金屬氫較小，金屬氫氧化物的溶解度升高，金屬離子的遷移能力也氧化物的溶解度升高，金屬離子的遷移能力也就增大就增大硫化物硫化物 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，重金屬離子等就可能形成金

11、屬硫化物。在硫化氫和金屬硫硫化氫時，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，同時存在著兩種平衡：化物均達(dá)到飽和的水中，同時存在著兩種平衡： H2S = H+ + HS- K1 = H+HS-/H2S HS- = H+ + S2- K2 = H+S2-/HS- Me2+ + S2-= MeS(s) Ksp =Me2+S2-碳酸鹽碳酸鹽 HCO3-是天然水體中主要陰離子之一，它能與金屬離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

12、氧化碳的中碳酸鹽的溶解度，在很大程度上取決于其中二氧化碳的含量和水體含量和水體pH。水體中二氧化碳能促使碳酸鹽的溶解：。水體中二氧化碳能促使碳酸鹽的溶解： MeCO3(s) + Co2+ H2O = Me2+ +2HCO3- 可見，水體可見，水體pH升高，碳酸鹽溶解度下降，金屬離子的升高，碳酸鹽溶解度下降，金屬離子的遷移能力也就減小。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)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，使大限制了重金屬污染物在水體

13、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，在某種程度上可重金屬離子在水中的遷移能力，在某種程度上可以對水質(zhì)起凈化作用。以對水質(zhì)起凈化作用。 配合作用 水體中存在著各種各樣的無機(jī)配位體、有機(jī)水體中存在著各種各樣的無機(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，對水體中重金屬遷移及生物效應(yīng)有很大螯合物，對水體中重金屬遷移及生物效應(yīng)有很大的影響。的影響。 羥基的配合作用羥基的配合作用 氯離子的配合作用氯離子的配合作用無機(jī)配位體無機(jī)配位體有機(jī)配位體有機(jī)配位體

14、配合作用配合作用無機(jī)配位體對重金屬的配合作用 羥基對重金屬離子的配合作用羥基對重金屬離子的配合作用 羥基對重金屬的配合作用實(shí)際上是重金屬離子的水解反應(yīng)。羥基對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，能在較低的重金屬與堿金屬、堿土金屬不同，能在較低的pHpH值下水解。值下水解。以二價離子為例，羥基與其的配合反應(yīng)可表示如下：以二價離子為例，羥基與其的配合反應(yīng)可表示如下： MeMe2+2+ OH+ OH- - = MeOH = MeOH+ + K1K1MeOHMeOH+ + + OH + OH- - = Me(OH)= Me(OH)2 2 K2 K2Me(OH)M

15、e(OH)2 2 + OH + OH- -= Me(OH)= Me(OH)3 3- - K3K3Me(OH) Me(OH) 3 3- -+ OH+ OH- - = Me(OH) = Me(OH)4 42-2- K4 K4 氯離子的配合作用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，它與金屬離一，被認(rèn)為是較穩(wěn)定的配合劑，它與金屬離子子( (以以Me2+Me2+為例為例) )的反應(yīng)主要有：的反應(yīng)主要有： Me2+ Cl- MeCl+ Me2+ 2Cl- MeCl2 Me2+ 3Cl- MeCl3- 氯離子配合作用對重金屬遷移的影氯

16、離子配合作用對重金屬遷移的影響主要表現(xiàn)為：響主要表現(xiàn)為：v 大大提高了難溶重金屬化合物的溶大大提高了難溶重金屬化合物的溶解度。解度。 v 由于氯絡(luò)重金屬離子的生成，減弱由于氯絡(luò)重金屬離子的生成，減弱了膠體對重金屬離子的吸附作用了膠體對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)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水體中常見的氧化劑常見的還原劑常見的還原劑Fe( )、Mn()、S()、Cr()、As()、溶解氧等 Fe()、Mn()、S2 和和有機(jī)化合物有機(jī)化合物 水體氧化還原條件對重金屬的存在形態(tài)及其水體氧化還原條件對重金屬的存在形態(tài)及其遷移能力有很大的影響。遷移能力有很大的影響。 鉻，礬，硫化合物鉻，礬，硫化合物易溶物易溶物難溶物難溶物氧化條