第一節(jié)水環(huán)境化學(xué)

第一節(jié)水環(huán)境化學(xué)一、天然水基本特征1、水分子的結(jié)構(gòu)水是地球上常見(jiàn)的物質(zhì)之一。水是氧的氫化物，具有V型結(jié)構(gòu)的極性分子。這種V型結(jié)構(gòu)使水分子正負(fù)電荷向兩端集中，一端為兩個(gè)H離子帶正電荷，一端為O帶負(fù)電荷，所以水是極性分子。極性使水分子之間存在氫鍵，并有多個(gè)水分子締合nH2O=(H2O)n。常稱“水分子團(tuán)”。

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學(xué)2、水的特異性水的物理化學(xué)性質(zhì)在很多方面不符合常有規(guī)律而顯示出特異性。具有較高的溶點(diǎn)和沸點(diǎn)第VI主族元素氫化物熔點(diǎn)比較第VI主族元素氫化物沸點(diǎn)比較（x軸主族周期數(shù)，y軸溫度k）

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學(xué)如上圖顯示，如果按照O在主族中的位置推測(cè)，水呈現(xiàn)液態(tài)的溫度應(yīng)是-100—-80攝氏度，換句話說(shuō)，在目前的地球溫度下水應(yīng)該呈現(xiàn)氣態(tài)。而事實(shí)上水為液態(tài)，因此在自然生態(tài)環(huán)境中具有不可估量的作用。例如保證了飲用、水生生物的生存、生命的進(jìn)化等。體積隨溫度變化情況異常。水的體積改變不遵循“熱脹冷縮”的普遍規(guī)律。“冰輕于水”（4℃水密度最大）具有重要的生態(tài)學(xué)意義?？梢员Ｗo(hù)水下的生物，保證水底部生物需要的溶解氧以及其他營(yíng)養(yǎng)物的補(bǔ)充等。

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學(xué)熱容量最大。在所有液體和固體中，水具有最大的熱容量。沸點(diǎn)高。能夠有效地調(diào)節(jié)溫度的劇烈變化。溶解和反應(yīng)能力強(qiáng)。常被稱為通用溶劑。水具有極強(qiáng)的溶解能力，能夠不同程度地溶解大量物質(zhì)，當(dāng)然包括污染物。具有很大的表面張力。水的表面張力僅僅次于水銀。水提供了有機(jī)物和生命物質(zhì)中H的來(lái)源。一些有機(jī)化合物都是以碳、氫、氧、氮等元素為基礎(chǔ)形成的。這些元素的主要來(lái)源物質(zhì)就是CO2和H2O。

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學(xué)二、天然水的基本特征1、天然水的組成（離子、溶解氣體、水生生物）天然水是含有可溶性物質(zhì)和懸浮物的一種天然溶液?？扇苄晕镔|(zhì)非常復(fù)雜，主要是巖石風(fēng)化過(guò)程中，經(jīng)過(guò)水文地球化學(xué)和生物地球化學(xué)的遷移、搬運(yùn)到水中的地殼礦物質(zhì)。包括：懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、溶解物質(zhì)（氣體、離子）、水生生物等。

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學(xué)（1）天然水中的主要離子組成最主要的八大離子天然水中常見(jiàn)的八大離子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-。常見(jiàn)的八大離子占天然水中離子總量的95%~99%。水中這些主要離子的分類，常用來(lái)作為表征水體主要化學(xué)特征性指標(biāo)。

硬度酸堿金屬陽(yáng)離子Ca2+Mg2+H+Na+HCO3-CO32-OH-SO42

Cl-NO3-陰離子堿度酸根

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學(xué)

除上述的八大離子之外，還有H+、OH-、NH4+、HS-、S2-、NO2-、NO3-、HPO4-、PO43-、Fe2+、Fe3+等。一般水體中的特征離子海水中：一般Na+、Cl-占優(yōu)勢(shì)；湖水中：Na+、Cl-、SO42-占優(yōu)勢(shì)；地下水主要離子成分受地域變化影響很大，一般說(shuō)地下水硬度高，就是其中Ca2+、Mg2+含量高，對(duì)于一些苦水或咸水地區(qū)，地下水中Na+、HCO3-含量較高；河水中所含有的部分Na+和大部分的Ca2+主要分別來(lái)源于硅酸鹽和碳酸鹽的風(fēng)化、溶解；水中所含有的SO42-主要來(lái)自硫化物礦物和硫酸鹽礦物（如石膏）的溶解。

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學(xué)礦化過(guò)程和礦化度礦化過(guò)程：天然水中主要離子成分的形成過(guò)程，稱為礦化過(guò)程；礦化度：礦化過(guò)程中進(jìn)入天然水體中的離子成分的總量，以溶解總固體表示經(jīng)常，近似地天然水中常見(jiàn)主要離子總量可以粗略地作為水的總含鹽量

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學(xué)(2)天然水中溶解的金屬離子水溶液中金屬離子的表示式常寫(xiě)成Mn+,預(yù)示著是簡(jiǎn)單的水合金屬陽(yáng)離子M(H2O)xn+。它可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài).

酸-堿，沉淀、配合及氧化-還原等反應(yīng)是他們?cè)谒羞_(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程。（3）天然水中溶解的重要?dú)怏w天然水中溶解的氣體有氧氣、二氧化碳、氮?dú)?、甲烷、氮?dú)獾人砻嬉訡O2、N2、O2為特征，不流通的深海中CO2過(guò)飽和、有時(shí)還有硫化氫。氣體溶解在水中，對(duì)于生物種類的生存是非常重要的。例如魚(yú)需要溶解氧，一般要求水體溶解氧濃度不能低于4mg/L

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學(xué)魚(yú)類呼吸作用的結(jié)果消耗溶解氧的同時(shí)又釋放出二氧化碳；在污染水體許多魚(yú)的死亡，不是由于污染物的直接毒害致死，而是由于在污染物的生物降解過(guò)程中大量消耗水體中的溶解氧，導(dǎo)致它們無(wú)法生存。大氣中的氣體分子與溶液中同種氣體分子間的平衡服從亨利定律：即一種氣體在液體中的溶解度正比于液體所接觸的該種氣體的分壓。但必須注意，亨利定律并不能說(shuō)明氣體在溶液中進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，如：CO2+H2O=H++HCO3-SO2+H2O=H++HSO3-因此，溶解于水中的實(shí)際氣體的量，可以大大高于亨利定律表示的量。

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學(xué)①氧在水中的溶解氧在干燥空氣中的含量為20.95%，大部分元素氧來(lái)自大氣，因此水體與大氣接觸再?gòu)?fù)氧的能力是水體的一個(gè)重要特征。藻類的光合作用會(huì)放出氧氣，但這個(gè)過(guò)程僅限于白天。所以水中溶解氧的主要來(lái)源有兩個(gè)：水中藻類的光合作用釋放氧氣和大氣復(fù)氧作用。

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學(xué)②CO2的溶解

25℃時(shí)水中[CO2]的值可以用亨利定律來(lái)計(jì)算。已知干空氣中CO2的含量為0.0314%（體積），水在25℃時(shí)蒸汽壓為0.03167，CO2的亨利定律常數(shù)是3.34mol/(L·Pa)(25℃)，則CO2在水中的溶解度為：所以：mol/LCO2在水中離解部分可產(chǎn)生等濃度的H+和HCO3-。H+及HCO3-的濃度可從CO2的酸離解常數(shù)（K1）計(jì)算出：CO2+H2OCO2·H2O亨利常數(shù)=3.34×10-7molL-1Pa-1

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學(xué)CO2·H2OHCO3-+H+

一級(jí)電離=4.45×10-7molL-1HCO3-CO32-+H+

二級(jí)電離=4.68×10-11molL-1

由于k2特別小，所以只考慮前面兩個(gè)方程，可得：

[H+]=[HCO3-][H+]2/[CO2]=K1=4.45×10-7[H+]=(1.028×10-5×4.45×10-7)1/2=2.14×10-6mol/LpH=5.67（酸雨判別標(biāo)準(zhǔn)的由來(lái)）故CO2在水中的溶解度為[CO2]+[HCO3-]=1.24×10-5mol/L。

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學(xué)

③水中溶解H2S天然水中的硫化氫可以分子狀態(tài)存在，也可以離子狀態(tài)存在，能夠來(lái)源于無(wú)機(jī)物或有機(jī)物。缺氧條件下，硫酸鹽能夠被還原為硫化氫，含硫蛋白質(zhì)厭氧分解也能產(chǎn)生硫化氫。自然界最多的硫化氫來(lái)自火山噴發(fā)。硫化氫不穩(wěn)定，只有缺氧條件下才能存在，一旦受到擾動(dòng)，就會(huì)發(fā)生氧化或從水中溢出。所以天然水中的硫化氫一般出現(xiàn)在地下水中。(4)水生生物水生生物可直接影響許多物質(zhì)的濃度，其作用有代謝、攝取、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和釋放等。水生生態(tài)系統(tǒng)生存的生物體，可以分為自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物。自養(yǎng)生物利用太陽(yáng)能或化學(xué)能量，把簡(jiǎn)單、無(wú)生命的無(wú)機(jī)物元素

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學(xué)引進(jìn)至復(fù)雜的生命分子中即組成生命體。異養(yǎng)生物利用自養(yǎng)生物產(chǎn)生的有機(jī)物作為能源及合成它自身生命的原始物質(zhì)。藻類藻類是典型的自養(yǎng)水生生物，通常CO2、NO3-和PO43-多為自養(yǎng)生物的C、N、P源。利用太陽(yáng)能從無(wú)機(jī)礦物合成有機(jī)物的生物體稱為生產(chǎn)者。我國(guó)南方幾乎一年四季都可見(jiàn)到“水華”，這主要是富營(yíng)養(yǎng)化形成的藻類引起的。形成水華的藻類主要有：微囊藻、項(xiàng)圈藻。藻類是湖泊、水庫(kù)等流動(dòng)緩慢的水體中最常見(jiàn)的能夠進(jìn)行光合作用的浮游植物。

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學(xué)藻類大小尺寸差異顯著，最大可長(zhǎng)達(dá)60m,最小的只有幾個(gè)微米，富營(yíng)養(yǎng)的水體中1mL水中的藻類細(xì)胞達(dá)到10萬(wàn)個(gè)以上。水處理過(guò)程中由于藻類的大量繁殖，大大增加了污水處理的難度，因?yàn)樵孱惓叽绾苄。軌虼┩肝鬯幚韽S的過(guò)濾濾池，水體中含有藻類，會(huì)導(dǎo)致處理后的水中有異味，這時(shí)一般采用臭氧和活性炭殺菌過(guò)濾的處理方法，但是增加了處理成本。

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學(xué)細(xì)菌等其他微生物細(xì)菌的特點(diǎn)是形體十分微小，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大多是單細(xì)胞；水環(huán)境中主要微生物：原生動(dòng)物、藻類、真菌、放線菌、細(xì)菌；細(xì)菌等微生物關(guān)系到水環(huán)境自然凈化和廢水生物處理過(guò)程的重要的微生物群體；一般污水處理中，根據(jù)氧化過(guò)程需要氧的不同，分為：厭氧菌（油酸菌、甲烷菌）、好氧菌（醋酸菌、亞硝酸菌）、兼氧菌（乳酸菌）；

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學(xué)2、天然水的化學(xué)特征大氣降水、海水、河水、湖泊水、地下水（1）大氣降水溶解的氧氣、氮?dú)?、二氧化碳是飽和或過(guò)飽和的；含鹽量很小，一般小于50mg/L，近海以Na+、Cl-為主，內(nèi)陸以Ca2+、HCO3-、SO42-；一般含有氮的化合物，如二氧化氮、氨、硝酸、亞硝酸等（閃電、生物釋放）；降水pH=5-7;

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學(xué)（2）海水礦化度很高，35g/L，海洋蒸發(fā)濃縮，大陸帶來(lái)鹽分化學(xué)組成比較恒定，海水太多，離子變化影響不大；海水pH=8-8.3;（3）河水礦化度低，一般100-200mg/L，不超過(guò)500mg/L一般Ca2+>Na+，HCO3->SO42->Cl-；河水化學(xué)成分易變，隨著時(shí)間和空間變化，例如汛期和非汛期，流經(jīng)不同的地區(qū)等河水溶解氧一般夏季6-8mg/L，冬季8-10mg/L；河水二氧化碳夏季1-5mg/L，冬季20-30mg/L（光合作用減弱，補(bǔ)給源地下水含二氧化碳多）；

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學(xué)（4）湖泊水礦化度比河水高，其中內(nèi)流湖又高于外流湖；不同區(qū)域湖水成分差別極大。鉀鹽、鈉鹽、鋁鹽、芒硝（NaNO3）、石膏(CaSO4)等等;礦化度也差別極大（淡水湖(<1g/L)、咸水湖(1-35g/L)、鹽湖（>35g/L））。（5）地下水化學(xué)成分復(fù)雜，礦化度高；（與不同的巖石、土壤長(zhǎng)時(shí)間接觸）化學(xué)類型多樣深層地下水化學(xué)成分比較穩(wěn)定生物作用對(duì)地下水作用影響不大地下水一般溶解氧含量低水溫不受大氣影響。

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學(xué)三、水體污染和自凈1、水體自凈水體污染由于人類活動(dòng)排放的污染物進(jìn)入河流、湖泊、海洋或地下水等水體，使水和水體底泥的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物群落組成發(fā)生變化，從而降低了水體的使用價(jià)值，這種現(xiàn)象稱為水體污染。水體自凈指受污染的水體由于物理、化學(xué)、生物等方面的作用，使污染物濃度逐漸降低，經(jīng)一段時(shí)間后恢復(fù)到受污染前狀態(tài)的過(guò)程。自凈作用：物理自凈污染物進(jìn)入水體后，可沉性固體逐漸沉至水底形成污泥，懸浮物、膠體和性污染物則因混合稀釋而逐漸降低濃度。

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學(xué)化學(xué)自凈污染物進(jìn)入水體后經(jīng)絡(luò)合、氧化還原、沉淀反應(yīng)等得到凈化。

生物自凈在生物的作用下，污染物的數(shù)量減少，濃度下降，毒性減輕或消失。2、水體中的污染物水體污染包括無(wú)機(jī)和有機(jī)有毒物質(zhì)、耗氧有機(jī)物、石油類、放射性物質(zhì)、熱污染以及病原微生物等。病原體污染物生活污水、畜禽飼養(yǎng)場(chǎng)污水以及制革、洗毛、屠宰業(yè)和醫(yī)院等排出的廢水，常含有各種病原體，如病毒、病菌、寄生蟲(chóng)。病原體污染的特點(diǎn)（1）數(shù)量大，（2）分布廣，（3）存活時(shí)間較長(zhǎng)，（4）繁殖速度快，（5）易產(chǎn)生抗藥性，很難絕滅，（6）傳統(tǒng)的二級(jí)生化污水處理及加氯消毒后，某些病原微生物、病毒仍能大量存活。耗氧污染物耗氧有機(jī)物濃度常用單位體積水中耗氧物質(zhì)生化分解過(guò)程所消耗的氧量表示，即以生化需氧量(BOD5)表示。

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學(xué)植物營(yíng)養(yǎng)物植物營(yíng)養(yǎng)物主要指氮、磷等能刺激藻類及水草生長(zhǎng)、干擾水質(zhì)凈化，使BOD5升高的物質(zhì)。富營(yíng)養(yǎng)化是指在人類活動(dòng)的影響下，生物所需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其它浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，魚(yú)類及其它生物大量死亡的現(xiàn)象。有毒污染物質(zhì)

是指進(jìn)入生物體后累積到一定數(shù)量能使體液和組織發(fā)生生化和生理功能的變化，引起暫時(shí)或特久的病理狀態(tài)，甚至危及生命的物質(zhì)。有毒污染物類型：（1）重金屬（2）無(wú)機(jī)陰離子（3）致癌有機(jī)物質(zhì)（4）一般有機(jī)物質(zhì)石油污染石油是烷烴、烯烴和芳香烴混合物。石油污染物主要來(lái)自工業(yè)排放，清洗石油運(yùn)輸船只的船艙、機(jī)件及發(fā)生意外事故，海上采油等均可造成石油污染。

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學(xué)放射性污染物放射性污染是由放射性物質(zhì)進(jìn)入水體造成。放射性污染物主要來(lái)源于核動(dòng)力工廠排出的冷卻水，向海洋投棄的放射性廢物，核爆炸降落到水體的散落物，核動(dòng)力船舶事故泄漏的核燃料；開(kāi)采、提煉和使用放射性物質(zhì)時(shí)，如果處理不當(dāng)，也會(huì)造成放射性污染。熱污染熱污染是一種能量污染，是由工礦企業(yè)向水體排放高溫廢水造成。

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學(xué)四、水中無(wú)機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化無(wú)機(jī)污染物，特別是重金屬和準(zhǔn)金屬等污染物，一旦進(jìn)入水環(huán)境，不能被生物降解;主要通過(guò)吸附—解吸、沉淀—溶解、氧化—還原、配合作用、膠體形成等一系列物理化學(xué)作用進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，參與和干擾各種環(huán)境化學(xué)過(guò)程和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程；最終以一種或多種形式長(zhǎng)期存留在環(huán)境中，造成永久性的潛在危害。重點(diǎn)介紹重金屬污染物在水環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的基本原理。

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學(xué)1、顆粒物與水之間的遷移水中顆粒物的類別天然水中顆粒物主要包括五大類：礦物、金屬水合氧化物、腐殖質(zhì)、懸浮物、其他泡沫、表面活性劑等半膠體以及藻類、細(xì)菌、病毒等生物膠體。（1）非粘土礦物和粘土礦物：都是原生巖石在風(fēng)化過(guò)程中形成的。非粘土礦物：天然水中常見(jiàn)為石英(SiO2)、長(zhǎng)石(KalSi3O8)等，晶體交錯(cuò)，結(jié)實(shí)、顆粒粗，不易碎裂，缺乏粘結(jié)性（例如沙子主要成分為：SiO2）。

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學(xué)粘土礦物：天然水中常見(jiàn)為云母、蒙脫石、高嶺石，層狀結(jié)構(gòu)，易于碎裂，顆粒較細(xì)，具有粘結(jié)性，可以生成穩(wěn)定的聚集體。其中的粘土礦物是天然水中最重要、最復(fù)雜的無(wú)機(jī)膠體，是天然水中具有顯著膠體化學(xué)特性的微粒。主要成分為鋁或鎂的硅酸鹽，具有片狀晶體結(jié)構(gòu)；

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學(xué)粘土礦物的層狀晶體基本由兩種原子層構(gòu)成，一種是硅氧四面體（硅氧片），另一種是鋁氫氧原子層（水鋁片），其間主要靠氫鍵連接，因此易于斷裂開(kāi)來(lái)。SiOOOOAlOOHOOHOHOH

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學(xué)（2）金屬水合氧化物：鋁、鐵、錳、硅等金屬的水合氧化物在天然水中以無(wú)機(jī)高分子及溶膠等形態(tài)存在，在水環(huán)境中發(fā)揮重要的膠體化學(xué)作用。天然水中幾種重要的容易形成金屬水合氧化物的金屬：鋁在巖石和土壤中是大量元素，在天然水中濃度低，不超過(guò)0.1mg/L。鋁水解，主要形態(tài)AL3+、Al(OH)2+、Al2(OH)24+、Al(OH)2+、Al(OH)3和Al(OH)4－，隨pH值變化而改變形態(tài)濃度比例。一定條件下會(huì)發(fā)生聚合，生成多核配合物或無(wú)機(jī)高分子，最終生成[Al(OH)3]n的無(wú)定形沉淀物。

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學(xué)鐵是廣泛分布元素，水解反應(yīng)和形態(tài)與鋁類似。在不同pH值下，F(xiàn)e(Ⅲ)的存在形態(tài)是Fe3+、Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+和Fe(OH)3。固體沉淀物可轉(zhuǎn)化為FeOOH的不同晶形物。同樣，它也可以聚合成為無(wú)機(jī)高分子和溶膠。錳與鐵類似，其豐度雖然不如鐵，溶解度比鐵高，也是常見(jiàn)的水合金屬氧化物。硅酸的單體H4SiO4，若寫(xiě)成Si(OH)4，則類似于多價(jià)金屬，是一種弱酸，過(guò)量的硅酸將會(huì)生成聚合物，并可生成膠體以至沉淀物。

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學(xué)重要的水合氧化物主要有：褐鐵礦：Fe2O3﹒nH2O水化赤鐵礦：2Fe2O3﹒H2O得到具有重要膠體作用的：針鐵礦：Fe2O3﹒H2O水解[Al(OH)3]∞聚合無(wú)機(jī)高分子水鋁石：Al2O3﹒H2O[FeOOH]∞聚合無(wú)機(jī)高分子三水鋁石：Al2O3﹒3H2O[MnOOH]∞聚合無(wú)機(jī)高分子二氧化硅凝膠：SiO2﹒nH2O[Si(OH)4]∞聚合無(wú)機(jī)高分子水錳礦：Mn2O3﹒H2O

所有的金屬水合氧化物都能結(jié)合水中微量物質(zhì)，同時(shí)其本身又趨向于結(jié)合在礦物微粒和有機(jī)物的界面上。

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學(xué)（3）腐殖質(zhì)：最早由土壤學(xué)研究者所發(fā)現(xiàn)，主要就是腐殖酸，例如富里酸、胡敏酸等。屬于芳香族化合物，有機(jī)弱酸性，分子量從700-200000不等；帶負(fù)電的高分子弱電解質(zhì)，其形態(tài)構(gòu)型與官能團(tuán)（羧基、羰基、羥基）的離解程度有關(guān)。在pH較高的堿性溶液中或離子強(qiáng)度低的條件下，溶液中的OH-將腐殖質(zhì)理解出的H+中和掉，因而分子間的負(fù)電性增強(qiáng)，排斥力增加，親水性強(qiáng)，趨于溶解。在pH較低的酸性溶液（H+多，正電荷多），或有較高濃度的金屬陽(yáng)離子存在時(shí)，各官能團(tuán)難于離解而電荷減少，高分子趨于卷縮成團(tuán)，親水性弱，因而趨于沉淀或凝聚。

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學(xué)（4）水體懸浮沉積物：天然水體中各種環(huán)境膠體物質(zhì)相互作用結(jié)合成聚集體，即為水中懸浮沉積物，它們可以沉降進(jìn)入水體底部，也可重新再懸浮進(jìn)入水中。一般懸浮沉積物是以礦物微粒，特別是粘土礦物為核心骨架，有機(jī)物和金屬水合氧化物結(jié)合在礦物微粒表面上，成為各微粒間的粘附架橋物質(zhì)，把若干微粒組合成絮狀聚集體（聚集體在水體中的懸浮顆粒粒度一般在數(shù)十微米以下），經(jīng)絮凝成為較粗顆粒而沉積到水體底部。

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學(xué)（5）其他：湖泊中的藻類，污水中的細(xì)菌、病毒、廢水排出的表面活性劑、油滴等，也都有類似的膠體化學(xué)表現(xiàn)，起類似的作用。水環(huán)境中顆粒物的吸附作用主要有表面吸附、離子交換吸附、專屬吸附三種類型。（1）表面吸附：是一種物理吸附，其吸附過(guò)程不發(fā)生化學(xué)變化，發(fā)生的關(guān)鍵是膠體顆粒具有巨大的比表面積，因此膠體具有巨大的表面能。

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學(xué)由于膠體具有巨大的比表面和表面能，因此固液界面存在表面吸附作用，膠體表面積愈大，所產(chǎn)生的表面吸附能也愈大，膠體的吸附作用也就愈強(qiáng)，它是屬于一種物理吸附。一般蒙脫石單位比表面積=800m2/g左右，伊利石=30-80m2/g，高嶺石=10-50=800m2/g，腐殖質(zhì)=400-900m2/g，無(wú)定型氫氧化鐵[Fe(OH)3]∞=300m2/g左右。（2）離子交換吸附：是一種物理化學(xué)吸附，主要是膠體對(duì)各種介質(zhì)離子的吸附，曾有人稱之為“極性吸附”。

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學(xué)一般情況下，環(huán)境中大部分膠體（包括粘土礦物、有機(jī)膠體、含水氧化物等）帶負(fù)電荷，容易吸附各種陽(yáng)離子，在吸附過(guò)程中，膠體每吸附一部分陽(yáng)離子，同時(shí)也放出等量的其他陽(yáng)離子，因此把這種吸附稱為離子交換吸附，它屬于物理化學(xué)吸附。需要說(shuō)明的是，這種負(fù)電荷一部分是永久負(fù)電荷，主要是由于晶格中離子的同晶替代造成的，例如硅氧四面體中的Si4+被Al3+所取代，或者鋁氫氧八面體中的Al3+被Mg2+所取代等，都會(huì)產(chǎn)生這種永久負(fù)電荷。另一部分為可變電荷，主要隨著環(huán)境pH的改變而發(fā)生改變，原因是Si-OH中的H+在堿性溶液中的離解。Si-OH+OH-=Si-O-+H2O。

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學(xué)特征：這種吸附是一種可逆反應(yīng)，能夠迅速達(dá)到平衡。不受溫度影響，酸堿條件下均可進(jìn)行，其交換吸附能力與溶質(zhì)的性質(zhì)、濃度及吸附劑性質(zhì)等有關(guān)。對(duì)于那些具有可變電荷表面的膠體，當(dāng)體系pH高時(shí)，也帶負(fù)電荷并能進(jìn)行交換吸附。離子交換吸附對(duì)于從概念上解釋膠體顆粒表面對(duì)水合金屬離子的吸附是有用的，但是對(duì)于那些在吸附過(guò)程中表面電荷改變符號(hào)，甚至可使離子化合物吸附在同號(hào)電荷的表面上的現(xiàn)象無(wú)法解釋。因此，近年來(lái)有學(xué)者提出了專屬吸附作用。

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學(xué)（3）專屬吸附：是指吸附過(guò)程中，除了化學(xué)鍵的作用外，尚有加強(qiáng)的憎水鍵和范德華力或氫鍵在起作用。專屬吸附作用不但可使表面電荷改變符號(hào)，而且可使離子化合物吸附在同號(hào)電荷的表面上。在水環(huán)境中，配合離子、有機(jī)離子、有機(jī)高分子和無(wú)機(jī)高分子的專屬吸附作用特別強(qiáng)烈。例如，簡(jiǎn)單的Al3+、Fe3+高價(jià)離子并不能使膠體電荷因吸附而變號(hào)，但其水解產(chǎn)物卻可達(dá)到這種效果，這就是發(fā)生專屬吸附的結(jié)果。水合氧化物膠體對(duì)重金屬離子有較強(qiáng)的專屬吸附作用，這種吸附作用發(fā)生在膠體雙電層的Stern層中，被吸附的金屬離子進(jìn)入Stern層后。不能被通常提取交換性陽(yáng)離子的提取劑提取，只能被親和力更強(qiáng)的金屬離子取代，或在強(qiáng)酸性條件下解吸。

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學(xué)專屬吸附的另一特點(diǎn)是它在中性表面甚至在與吸附離子帶相同電荷符號(hào)的表面也能進(jìn)行吸附作用。例如，水錳礦對(duì)堿金屬(K、Na)的吸附作用屬于離子交換吸附，而對(duì)于Co、Cu、Ni等過(guò)渡金屬元素離子的吸附則屬于專屬吸附。下表列出水合氧化物對(duì)重金屬離子的專屬吸附機(jī)理與交換吸附的區(qū)別。水合氧化物對(duì)金屬離子的專屬吸附與非專屬吸附的區(qū)別項(xiàng)目非專屬吸附專屬吸附發(fā)生吸附的表面凈電荷的符號(hào)金屬離子所起的作用吸附時(shí)所發(fā)生的反應(yīng)發(fā)生吸附時(shí)要求體系的pH值吸附發(fā)生的位置—反離子陽(yáng)離子交換>零電位點(diǎn)擴(kuò)散層—、0、+配位離子配位體交換任意值內(nèi)層

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學(xué)解吸作用（以沉積物中重金屬的釋放為例）重金屬?gòu)膽腋∥锘虺练e物中重新釋放屬于二次污染問(wèn)題，不僅對(duì)于水生生態(tài)系統(tǒng)，而且對(duì)于飲用水的供給都是很危險(xiǎn)的。誘發(fā)釋放的主要因素有：

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學(xué)（1）pH值降低：pH值降低，導(dǎo)致碳酸鹽和氫氧化物的溶解，H+的競(jìng)爭(zhēng)作用增加了金屬離子的解吸量，H+被吸附而導(dǎo)致一些帶正電荷的金屬離子被釋放。在一般情況下，沉積物中重金屬的釋放量隨著反應(yīng)體系pH的升高而降低。其原因既有H+離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用，也有金屬在低pH條件下致使金屬難溶鹽類以及配合物的溶解等。因此，在受納酸性廢水排放的水體中，水中金屬的濃度往往很高。

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學(xué)（2）還原條件增強(qiáng)：還原條件下，F(xiàn)e、Mn等的氧化物溶解，其吸附的金屬離子被釋放出來(lái)，因此在湖泊、河口及近岸沉積物中一般均有較多的耗氧物質(zhì)，使一定深度以下沉積物中的氧化還原電位急劇降低，并將使鐵、錳氧化物可部分或全部溶解，故被其吸附或與之共沉淀的重金屬離子也同時(shí)釋放出來(lái)。（3）鹽濃度升高：鹽度變化可以增加離子的吸附交換量，堿金屬和堿土金屬陽(yáng)離子可將被吸附在固體顆粒上的其他金屬離子交換出來(lái)，這是金屬?gòu)某练e物中釋放出來(lái)的主要途徑之一。例如：水體中堿金屬和堿土金屬Ca2+、Na+、Mg2+離子對(duì)懸浮物中銅、鉛和鋅的交換釋放作用。在0.5mol/LCa2+離子作用下，懸浮物中的鉛、銅、鋅可以解吸出來(lái)，這三種金屬被鈣離子交換的能力不同，其順序?yàn)閆n>Cu>Pb。

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學(xué)（4）水中配合劑的含量增加：天然或合成的配合劑使用量增加，能和重金屬形成可溶性配合物，有時(shí)這種配合物穩(wěn)定度較大，可以溶解態(tài)形態(tài)存在，使重金屬?gòu)墓腆w顆粒上解吸下來(lái)。（5）一些生物化學(xué)遷移過(guò)程也能引起金屬的重新釋放，從而引起重金屬?gòu)某练e物中遷移到動(dòng)、植物體內(nèi)—可能沿著食物鏈進(jìn)一步富集，或者直接進(jìn)入水體，或者通過(guò)動(dòng)植物殘?bào)w的分解產(chǎn)物進(jìn)入水體。

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學(xué)2、溶解和沉淀溶解表示了污染物在水環(huán)境中的遷移能力，水對(duì)許多物質(zhì)具有很強(qiáng)的溶解能力，原因是水分子是極性分子，他對(duì)極性大的離子鍵化合物比極性小的共價(jià)鍵化合物具有更強(qiáng)的溶解能力；例如水對(duì)硫酸鹽(金屬與SO42-)的溶解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)硫化物（金屬與S2-）的溶解能力。一般金屬化合物在水中遷移能力，直觀地可以用溶解度來(lái)衡量。溶解度小者，遷移能力小。溶解度大者，遷移能力大。不過(guò)，溶解反應(yīng)時(shí)常是一種多相化學(xué)反應(yīng)，在固—液平衡體系中，一般需用溶度積來(lái)表征溶解度。天然水中各種礦物質(zhì)的溶解度和沉淀作用也遵守溶度積原則。溶解度小于0.01g/100g水的物質(zhì)稱為“難溶物”。在溶解和沉淀現(xiàn)象的研究中，平衡關(guān)系和反應(yīng)速率兩者都是重要的。知道平衡關(guān)系就可預(yù)測(cè)污染物溶解或沉淀作用的方向，并可以計(jì)算平衡時(shí)溶解或沉淀的量。但是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)用平衡計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值相差甚遠(yuǎn)，造成這種差別的原因很多，但主要是自然環(huán)境中非均相沉淀溶解過(guò)程影響因素較為復(fù)雜所致。

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學(xué)3、氧化—還原無(wú)論在天然水中含是在水處理中，氧化還原反應(yīng)都起著重要作用。天然水被有機(jī)物污染后，不但溶解氧減少，使魚(yú)類窒息死亡，而且溶解氧的大量減少會(huì)導(dǎo)致水體形成還原環(huán)境。一些污染物形態(tài)發(fā)生了變化。水體中氧化還原的類型、速率和平衡，在很大程度上決定了水中主要溶質(zhì)的性質(zhì)。例如，一個(gè)厭氧性湖泊，其湖下層的元素都將以還原形態(tài)存在：碳還原成–4價(jià)形成CH4；氮形成NH4+；硫形成H2S；鐵形成可溶性Fe2+。而表層水由于可以被大氣中的氧飽和，成為相對(duì)氧化性介質(zhì)，如果達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，則上述元素將以氧化態(tài)存在：碳成為CO2