第二章水化学成分组成_精品文档PPT资料.ppt
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它在水中解离方程为:
2、Si在水中的存在形态与控制因素在天然水中(pH=69)占优势的是H4SiO4。
在碱性条件下(pH增高到9.09.5时),由于单链节和多链节硅酸盐的形成,SiO2的溶解度有所增加。
几乎所有天然水环境下,H2SiO42-是次要的。
天然水中可溶性SiO2含量一般不超过100mg/L。
通常为1030mg/L,平均值为17mg/L。
(二)铝1、水中铝的来源与水化学作用铝在地壳中所占重量百分数为8.23,仅次于氧和硅,占第三位。
铝硅酸盐的不全等溶解的主要产物是高岭石。
高岭石在酸性条件下可溶出AI3+:
高岭石强烈风化可形成三水铝石(Al2O3H2O),Al2O3在水中溶解度受pH值控制。
它溶于强酸性溶液中,pH=4.110时它几乎不溶,而此时SiO2却有部分溶解(见图2.4)。
所以,pH=45时,Al2O3/SiO2=1:
2,此时有利于高岭石族矿物形成,当pH=89时,Al2O3/SiO2=1:
4,则有利于胶岭石族矿物形成。
2、铝在水中的存在形态与控制因素,铝在水的存在形式受pH控制,在强酸性水中(pH4.0),水中铝的主要形式为Al3+,在碱性水中,可形成AIO2-、AIO33-。
在含F-的水中,铝和氟很容易形成络合离子,如AIF2+、AIF2+,在SO42-含量很高的酸性水中,AISO4+可能是铝的主要存在形式。
水中铝的浓度主要受铝的氢氧化物(三水铝石)溶度积的控制。
据文献资料,当pH接近于6时,三水铝矿最小溶解度的计算值小于10mg/L,实测值约27mg/L。
在大多的天然水中(pH=69),水中铝浓度常小于1mg/L,有时可达几mg/L。
但是,在pH小于4.0的强酸性水中,每升水中铝可能几十mg/L,甚至几百mg/L,这种水多为矿坑排水或泉水或严重酸性污染水。
(三)铁1、水中铁的来源与水化学作用铁在地壳中重量百分数仅次于氧、硅、铝而居于第四位。
与前述三者不同,铁不仅大量分散存在于地壳的岩石、土壤、水体中,而且在某些矿体中富集形成有用矿床(Fe3O4、Fe2O3,FeCO3,Fe2SiO4)。
水中铁的水化学特性受pH值及氧化还原反应影响很大,这已在第一章作过详细介绍。
在pH=6的水溶液中,Fe3+的浓度为1.510-12mg/L,在pH=7的水溶液中,Fe3+的浓度为1.510-15mg/L,pH=8时,Fe3+的浓度为1.510-18mg/L。
也即pH值从6增加到8,铁在水中的溶解度减少106倍。
所以,当陆地上含铁的弱酸性水进入弱碱性的海水中会发生Fe(OH)3沉淀。
如河水中铁含量为1mgL,则海水中仅0.008mgL。
2、铁在水中的存在形态与控制因素铁在水中也发生水解。
Fe3+在pH=1的水中,可水解成FeOH2+、Fe(OH)2+,高浓度下可聚合成Fe2(OH)24+。
Fe2+在pH=4的水中,开始水解生成FeOH+,在pH14时则形成Fe(OH)42-。
它们的部分反应式如下:
所以,天然水中铁可以有许多形式,如Fe3+、Fe2+、Fe(OH)+、Fe(OH)2+、Fe(OH)30、Fe(OH)20、HFeO2-、FeCO30、FeS20,FeS0,FeSO40,Fe2(OH)24+。
此外,从FeH2OCO2系统稳定场内可见,在氧化带内,Fe3+的活度没有达到Fe(OH)3的溶度积时,铁的可能最大稳定形式是Fe(OH)30,在pH8时才会出现FeCO3沉淀,之后是Fe(OH)20占优势。
而一般水中Fe(OH)4-及HFeO3-是不存在的。
(四)锰1、水中锰的来源在自然界中,锰可以呈分散状态或形成有用矿物。
含锰矿物有蔷薇辉石(MnSiO3),锰橄榄石(Mn2SiO4)、菱锰矿(MnCO3),软锰矿(MnO2)、黑锰矿(Mn3O4)、硫锰矿(MnS)、方锰矿(MnO)及氢氧化物沉淀Mn(OH)3,Mn(OH)2等。
2、锰在水中的存在形态与控制因素锰的氧化态很多,有2、3、4、6、7价。
主要氧化态为Mn2+。
二价锰的特性与Fe2+近似。
锰在自然界中的性状受Eh-pH控制。
在天然水稳定场系统简单水溶液中,锰的存在形式有:
Mn2+、MnO2、MnOOH、Mn3O4、MnCO3、Mn(OH)2、Mn(OH)3-、MnS。
在简单的水溶液中,Mn2+在pH=8时开始水解并形成MnOH3+,高浓度时聚合成Mn2OH3+、Mn2(OH)3+。
Mn3+不稳定但可形成某些络合物。
当pH大于13.5时,Mn4+可以MnO42-形式存在,而在酸性介质中呈其它价态。
七价锰MnO4-在各种pH值的溶液中均十分稳定,但在强酸中易分解。
二价锰在氧化条件的水中可形成软锰矿(MnO2)及黑锰矿(Mn3O4)。
黑锰矿在酸性条件可形成Mn2+及MnO2。
反应式如下:
Mn的较高含量是在酸性水中,它们可以在不同pH值,不同矿化度、不同的水化学类型中出现。
二、宏量元素
(一)钙、镁、钠、钾,1、水中钙、镁、钠、钾来源与化学作用钙、镁、钠、钾广泛分布于地壳中,主要存在于硅酸盐,碳酸盐及易溶盐类地层。
这些岩石矿物溶解于水中的量取决于其溶解度及水解作用程度。
2、水中存在形态与控制因素Ca2+,Mg2+在水中行为受CO2影响极大,碳酸平衡控制了它们的溶解,沉淀或过饱和状态。
它们在水中的简单络合离子形式为:
Ca2+、CaHCO3+、CaSO40、CaCO30、CaCl+、CaOH+,Mg2+、MgHCO3+、MgSO40、MgCO30、MgCl+、MgOH+、MgF+、MgCl20。
以含钙为主的天然水的矿化度一般小于1g/L。
Ca2+积极参与生物地球化学作用,含钙的有机质可很快转化为矿物质而存在于土壤中。
镁盐在水中的溶解度比钙盐大,但Mg2+易被植物吸收,故在天然水中的含量小于Ca2+。
在矿化水中Mg2+可高达几g/L到kg/L。
钠、钾在水中含量主要受溶解度控制。
它们的离子电位低,在水中大多呈水合离子形式。
在简单水溶液中有下列络合离子形式:
Na+,NaSO4-,NaCl0,Na2CO3。
NaHCO30,NaOH0,NaCO3-,K+,KCl0,KOH0,KS04-。
Na+及Cl-为高矿化水中的主要成分,钠在地壳中占2.36,而在海水中,Na+占总含盐量30左右;
钾在地壳中含量与钠类似,为2.09,但在天然水中K+Na+,只有Na+含量的410,这是因为K+为营养元素易被植物吸收,但K+在海水中含量增高,可达390mg/L。
(二)碳1、水中的来源与特征碳主要来源于石灰岩,白云岩,泥灰岩等,其溶解度小,故在水中绝对含量低,但含量的变化范围小。
自然界中也广泛存在着有机碳成分,它们积极参与生物化学作用及碳的循环。
2、存在形态与控制因素由于碳的离子电位高,在水中易形成酸性络阴离子及络阴离子。
碳是水的主要化学成分,受pH值影响很大。
在天然水中,当pH8时,则主要以CO32-形态出现。
水中溶解的CO2气体,在水化学环境中起重要作用,它控制了水的酸碱性,直接影响水中许多化学平衡,碳酸盐体系在研究大气圈、水圈、岩石圈的演变史上有特别重要的意义。
(三)硫1、水中的来源与特征SO42-是天然水中重要成分之一,它广泛分布于地表水、浅层地下水及承压水中。
它来源于石膏等硫酸盐的溶解、硫化矿床氧化带氧化产物的溶解及地热温泉水中。
2、存在形态与控制因素硫在水中有较多价态(-2,+4、+6),形式多样。
如:
硫在水中的行为受Eh-pH平衡控制。
在天然水稳定场内,主要是两个体系起作用,即H2SSO42-及HSSO42-,可写出各种硫的平衡方程式:
由图2.5可知,硫的氧化态主要是SO42-及HSO4-。
天然水中硫的主要类型是SO42-,酸性条件下HSO4-,在还原环境下出现H2S,在还原的碱性环境下才可出现HS-。
腐植质土壤及富含有机质的油田水,由于脱硫作用,几乎可不含或含少量SO42-。
C6H12O6+3Na2SO43CO2+3Na2CO3+3H2S+3H2O+热能当水中Ca2+含量高时,由于易生成CaSO4沉淀,也可使水中SO42-含量减少。
(三)氯主要来源于岩盐的溶解(NaCl、MgCl2,CaCl2、Ca2(PO4)3Cl、3NaAISiO4NaCl),它们有很高的溶解度,常常是总溶解固体(TDS)含量高的氯化物水或硫酸盐水中的主要成分。
Cl在水中含量与TDS增长一致。
水中氯主要以Cl-形式出现。
据戈莱娃.A.(1977)资料,在还原环境的高TDS氯化物卤水中,Cl可与重金属元素形成络合物,CuCl+,CuCl20,CdCl20,ZnCl20,ZnCl42-等。
在微酸性、低硫、高氯化物卤水中以氯化物络合物形式可以转移较多的Pb和Zn。
三、营养元素
(一)氮1、氮的来源与存在形态水中可以含有较多的NH4+、NO3-、NO2-,它们的形成与含蛋白质的有机物生物分解有关。
蛋白质分解最终产物是氨基酸,同时放出氨气。
R-CHNH2-COOH+H2O=R-CHOH-COOH+NH3NH3溶于水中形成NH4+,并氧化形成NO2-及NO3-。
在自然界中,水中蛋白质的出现往往是人为污染的结果。
所以NH4+、NO3-、NO2-的伴生可以作为污染的指标,在未污染的天然水中,NO3-一般都小于30mg/L,但在受污染的水中,其含量从几十mg/L到几千mg/L。
我国的陕西、河南一些“肥水”NO3-可达4000mg/L以上。
水中除NH4+、NO3-、NO2-外,还有以NH3,N2,N20等溶解气体形式存在于水中。
2、氮的转化与控制因素水中NO2-、NO3-及NH4+之间可以互相转换,且受Eh-pH条件控制。
它们的转换方程为:
从NH4+NO3-之间转换方程可以分析,当pH=7,NH4+NO3-浓度为10-3mol/L时,pE53.54,NO3-占优势,pE53.54,则NH4+占优势。
当NO3-、HS-、CH2O共存一个体系时,相互间能量差别愈大,其氧化能力愈强。
NO3-首先去氧化有机质,只有当有机质被完全氧化后才会去氧化HS-。
按照上述原则,当氧化环境的水进入富有机质的还原性水系统时,水中氧化组分被还原的次序是O2NO3-Fe3+SO42-CO2。
从还原环境进入氧化环境的水,水中还原组分被氧化的次序为CH2OHS-及H2SFe2+FeCO3NH4+。
所以当水中还存在较多CH2O时,该水中有可能同时存在Fe2+及NH4+等组分。
当水中SO42-=0或很少时,说明脱硫还原作用强烈,此时水中溶解氧、NO3-和Fe3+则已大部被还原。
(二)磷1、来源磷在地壳中平均浓度为0.1,占第十位。
磷是所有生命系统中不可缺少而又不可取代的元素。
水中无机磷主要来源于含磷矿物的风化。
陨石含磷100Gt,海洋中磷酸盐结核300Gt。
磷和钙形成的矿物有磷酸二氢钙Ca(H2PO4)2H2O,磷酸氢钙CaHPO4H2O、磷酸钙Ca3
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