《天然水的主要离子》PPT课件.ppt

天然水的主要离子,2.1水的硬度及钙镁离子,天然水中主要离子成分 含量大于等于1mg/L 天然水中的主要离子成分是构成水中盐分的主体，占其总含盐量的90%以上。,陆地水 阳离子：Ca2+ , Mg2+ , Na+ , K+ 阴离子：HCO3- , CO32- , SO42- , Cl- 海水中除上述，另有 Sr2+ , Br- , F-，H3BO3(H2BO3-),1)内陆水 河水 I土壤I岩石I大气I风I有机体E离子E风E植物X 湖水 S支S雨S潜S排S风S渗S沉 随着离子总量的增加，优势主要离子变化为 HCO3-SO42-Cl-; Ca2+Mg2+Na+K+ 潜水 Ca2+ , Mg2+ , Na+ , HCO3- , SO42- , Cl-,硅酸盐离子,2)大气降水 化学成分： HCO3- , SO42- , SO32- ，Cl-, NO3-，Ca2+ , Mg2+ , Na+ , NH3 (NH4) 分布变化：1）地区分布 沿海地区：离子总量较高，Cl-, Na+高，水质类型Cl,CNa ； 内陆地区：Cl-, Na+逐渐被HCO3- , SO42- , Ca2+ 代替； 城市附近：降水酸度明显增大，SO42- , Cl-, 含氮化合物含量较高。 2）季节变化 内陆与城市附近， SO42- 冬季高于夏季；沿海地区，Cl-雨季高于旱季；含氮化合物夏季高于冬季。,3)海水 中等浓度的电解质溶液； 含有80多种元素，且以各种各样价态和化合形式存在的化学体系； 主要组分占海水中溶解盐类的99.8-99.9%,主要成分有恒比关系； 含有10-9级或含量更低的微量元素和溶解有机物； 化学物质以不同的分散度（溶解、胶体、悬浮）存在于水体中。,2.1.1 水硬度的概念及表示单位 1)硬度：水的硬度是指水沉淀消耗肥皂的能力。 从理论上说，包括碱金属以外的所有金属离子。 天然水中，钙、镁是构成天然水硬度的主要成分。,2) 水硬度的表示单位 毫摩/升(mmol/L)：以1L水中含有的形成硬度离子的物质的量之和。以1/2Men+作为基本单元。常用硬度单位。 毫克/升(CaCO3) 以1L水中所含有的与形成硬度离子的量所相当的CaCO3的质量表示，符号为mg/L (CaCO3) 。美国常用，英文文献中较常出现。 德国度(HG) 将水中的Ca2+和Mg2+含量换算为相当的CaO量后，以1L水中含10mg CaO为1 德国度(HG) 。德国、苏联、我国常采用。,三个硬度单位的换算关系： 1mmol/L = 2.804德国度 = 50.05mg/LCaCO3,2.1.2 天然水的硬度与Ca2+、Mg2+ 2.1.2.1 钙 天然水中主要以Ca2+离子形式存在。来源主要有石膏、白云石、方解石的溶解。 含量差别大 易生成CaCO3沉淀,2.1.2.2 镁 含量常居阳离子的第二位。 Ca2+、Mg2+物质的量比例 海水中的镁与钙的关系,2.1.2.3 天然水的硬度 1)硬度的种类 由Ca2+造成的硬度称“钙硬度”（HCa) , Mg2+造成的硬度称“镁硬度” （HMg) 。 各种硬度之和称“总硬度”，（T.H.) T.H.= HCa+ HMg,碳酸盐硬度（HC暂时硬度）：以碳酸盐和重碳酸盐形式的Ca2+、 Mg2+造成的硬度，水煮沸后可除去。 非碳酸盐硬度（HS永久硬度） ：由硫酸盐和氯化物形式的Ca2+、 Mg2+造成的硬度。 T.H.= HC+ HS,总碱度大于总硬度时，水中只有碳酸盐硬度，没有永久硬度。为I型水，,2) 天然水硬度分类,2.1.2.4钙、镁及硬度的生态学意义 1）钙、镁作为营养元素：是生命过程的必需元素，是生物体液及骨骼结构的组分，还参与体内新陈代谢的调节。,镁是叶绿素的组分，Mg不足则RNA净合成停止，氮代谢混乱，细胞内积累碳水化合物及不稳定的磷脂。 钙对蛋白质的合成与代谢，碳水化合物的转化、细胞的穿透性以及氮、磷的吸收转化等，均有重要影响。,2）作为水质、底质改良剂： 主要作用有：调节并帮助稳定水质及底质的pH，促进物絮凝、聚沉；促进固氮作用及有益微生物的活动，促进有机物的矿化，加速植物营养物质的循环再生； Ca2+浓度增大时，可使生物减少从环境中吸收重金属，从而降低其毒性。 对于养殖水体，通常要求其硬度在13mmol/L。,3) 水中钙、镁离子比例，对海水鱼虾、贝的存活有重要影响,2.2水的碱度、碳酸氢根、碳酸根离子,2.2.1 碱度的组成及表示单位 2.2.1.1 碱度的组成 1) 碱度的定义 是指水中所含的能与强酸发生中和作用的全部物质。亦即能接受质子H+物质总量。 （1）定义：20，1L天然水中全部碱性物质被H+所中和时需要氢离子的mmol数。常以符号Alk表示，单位为mmol/L。 Alk=CHCO3-+C1/2CO32-+CH2BO3- + （COHCH）,：,2) 组成水中碱度的物质 强碱：NaOH,Ca(OH)2 弱碱: NH3、有机胺等， 强碱弱酸盐: 如碳酸盐、重碳酸盐、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物、腐殖酸盐等。,3)碱度的测定 碱度的测定一般采用标准酸溶液滴定至选定的pH值，根据滴定终点的不同可分： 苛性碱度，所有OH被中和，终点pH在1011之间。 碳酸盐碱度（酚酞碱度），所有CO32被中和，终点pH在8.3左右。 总碱度（甲基橙碱度），所有HCO3被中和。终点pH在4.3左右。,对于碳酸盐系统，对碱度有贡献的特种有OH、CO32-和HCO3-，有反应：,HOH,H2O,H+ + CO32-,HCO3-,H+ + HCO3-,H2CO3*,一般淡水的总碱度，主要由CO32-、HCO3-构成，其他弱酸造成的碱度比例较小。在天然水正常pH条件下，H+、OH-离子对碱度的影响也可忽略不计。 Alk=CHCO3-+C1/2CO32-,比较110-3molL-1的NaOH溶液和0.1molL-1的NaHCO3溶液， NaOH溶液的pH值为11，但用盐酸滴定时仅需110-3molL-1的H+，即碱度为110-3molL-1；而NaHCO3溶液的pH值为8.3，但中和时需0.1molL-1的H+，即碱度为0.1molL-1。,水体的二氧化碳总量： CO2 =CHCO3-+CCO32-+CCO2 水体的碳酸盐碱度： CA CHCO3-+2CCO32-,2.2.1.2 碱度的单位： 毫摩/升(mmol/L)：用1L水能结合的质子的物质的量。 毫克/升(CaCO3) 以1L水中能结合H+的物质所相当的CaCO3的质量表示，符号为mg/L (CaCO3) 。 德国度(HG) ：以1L水中含10mg CaO为1 德国度(HG) 。,1mmol/L=50.05mg/LCaCO3 =2.8德国度 =28mg/LCaO,2.2.1.3 天然水的碱度 1) 内陆水的碱度 天然水的碱度主要来自集雨区岩石、土壤中碳酸盐的溶解 较低的碱度的水系，东南沿海、珠江水系、长江水系 较高碱度，内陆干旱地区由阿列金I型水补给的湖泊 地下水碱度一般较高,2)海水的碱度 海水碱度的组成 海水的碱度则包括碳酸盐碱度（包括重碳酸盐碱度）和硼酸盐碱度。 Alk=CHCO3-+C1/2CO32-+CH2BO3- 碱度大小22.5mmol/L, 碱盐系数(区分水团或水系) 海气交换平衡 海水具有很强的吸收CO2的能力。 缓冲系统存在大大增强了海水吸收CO2的能力。特别是海水中存在过量的碱。 如果海水呈中性，且没有过量的碱，则在温度和压力下，每升海水只能溶解0.5cm3的CO2，因海水中有过剩的碱，则每升海水总共能溶解约45cm3的二氧化碳。,海水中CO2的分布概况 表层不饱和 随浓度增加而增大，水温越高，盐度越大，溶解度减小，压力越大，溶解度增加。 高纬度、低温地区吸收CO2比较强，低纬度会释放少量CO2。 温度每升高1，大气里CO2增加4%,2.2.2 天然水碱度的生态学意义 （1）维持水体pH值相对稳定的主要缓冲组分。要维持天然水体起码的缓冲能力要求Alk不小于0.4mmol/L。,（2）足够量的碱度值可促进有机悬浮物及胶体物质的絮凝，防止缺氧和鱼病的发生，也可中和底质中的多余有机酸促进微生物的活动，加速有机物的分解，增强水质的肥力。,实践表明，水体Alk0.1-0.3mmol/L其生产力低，0.3-1.5mmol/L水体生产力一般，而当达到1.5-3.5mmol/L水体才可能具有较高的生产力。,（3）水体中的HCO3和CO32可以同许多重金属离子生成络合物或离子对，从而降低了重金属对水生生物的毒性。 如有毒的Cu2+和CuOH+在水中Alk高时，90%可转化为碳酸盐络合物（主要为CuCO3与Cu(CO3)22-)，从而大大降低Cu在水中的毒性。用CuSO4防治鱼病时，水的碱度、络合容量不同，其效果也不同。,淡水渔业水体通常要求Alk值大于1mmol/L，但太高的Alk值可导致鱼类死亡，且随着pH值的升高毒性增强。 对于海水，一般Alk都稳定在2-2.5mmol/L，通常不影响水产生物的生长与生存。,2.3.1 硫酸根离子与硫在水中的循环 2.3.1.1 天然水中的硫酸根离子 1)水中硫酸根的来源：石膏(CaSO42H2O)和无水石膏；自然硫和含硫矿物的生物氧化；SO2及H2S的氧化、含硫的动植物残体的分解、蛋白质的氧化分解。,2.3 硫酸根离子、氯离子、钠离子、钾离子,2) 天然水中SO42-的含量 取决于各类硫酸盐的溶解度，特别是受到Ca2+的限制。 Ca SO4的溶度积常数为2.510-5。当水中SO42-与Ca2+的物质的量相等并处于溶解平衡时，SO42-的含量只能达到480mg/L。,硫是藻类生长所必需的营养元素，可以SO42的形式被藻类吸收利用，而SO42是天然水中的主要阴离子之一，一般不会缺乏。 生活饮用水中一般规定不得超过250mg/L。,2.3.1.2 硫在水中的转化 1) 硫在水中的存在形式 硫在水中存在的价太主要有+6价及-2价，以SO42-、HS-、H2S、含硫蛋白质等形式存在。,2)硫在水中的转化 蛋白质分解作用 蛋白质硫-2价硫高价态硫(有氧) 氧化作用 硫细菌 2H2S+O2 2S+2H2O 细菌 H2S+2O2 SO42-+2H+,还原作用 缺氧环境中，硫酸盐还原菌把SO42-还原为硫化物。硫酸盐还原作用的条件： a 缺乏溶氧 溶氧量超过0.16mg/L时，硫酸盐还原作用停止。 b 含有丰富有机物 提供能量 c 有微生物参与 d 硫酸根离子的含量, 沉淀与吸附作用 Fe2+H2S=FeS+2H+ 2Fe3+3H2S=2FeS +S +6H+ SO42-可以被CaCO3、黏土矿物等以CaSO4形式吸附共沉淀。 同化作用 SO42-中的硫合成蛋白质；某些特殊细菌可以利用H2S进行光合作用，将H2S转变成S或SO42-，同时合成有机物，但不释放氧。,2.3.2氯离子 1 ) Cl- 广泛分布于天然水中，但含量差别很大。是水体中最保守的成分，又是工业废水和生活污水中含量普遍较高的组分，尤其在Cl- 本底值很低的水体，水中的Cl明显增设高，指示着水体可能受到污染。 2) Cl- 无毒，渔业用水一般不做限定。对养鲤池，有要求。,3)水中Cl-含量增加 ，由于Cl-的络合作用，可以大大增加一些金属盐类的溶解度。 4)一切光合藻类都需要Cl。,2.3.3 钠离子和钾离子 1）天然水中的含量 Na+各种天然水中普遍存在，不同条件下含量差别悬殊。 K含量远比Na+低。K易被土壤胶体吸附，被植物吸收利用。 K是藻类的大量营养元素之一，主要用作酶的活化剂，Na至少可部分代替K，动物需要较多钠。一价金属离子含量过多，对许多淡水动物有毒。,矿化度主要通过水的渗透压改变而影响许多水生生物的繁殖、生长和生存。 日本鱼类用水标准规定NaCl为25005000mg/L,美国则规定渔业用水NaCl小于1500mg/L,变幅不得超过自然值的1/3。,2.4 海水主要离子组成的恒定性,各大洋和不同海域的常量组分浓度与氯度比值,海水主要成分的恒定性原理 海水的总含盐量或盐度是可变的，但常量成分浓度间的比值几乎保持恒定。 原因:大洋海水运动，连续不断地进行混合，而且海水体积极大，所拥有的多种成分的总量也十分巨大，外界的影响很难使其相对组成发生明显的变化。,海水主要成分的恒定性原理的应用： 研究海水的物理化学性质。如因为这种关系存在，只要测定一种主要的化学物质，就能确定盐度。 水文学上利用比值变化研究海水与河水的混合过程。,