E09314整理水的特质与化学概论课件.ppt

1、2004/10/301水污染防治之規畫與管理7-1水的特質與化學概論學號：E09314002報告者：陳 春 木2004/10/302n水質化學n水體生物化學2004/10/303水分子特性n水分子結構和鍵結n水分子具有極性(adipole)n氫鍵(hydrogen bonds)2004/10/3042004/10/305水中的氣體分子n水中的氧氣n水中魚類的死亡不是直接由污染物毒性造成，分解污染物導致水體缺氧窒息而死n水中的氧氣大部份來自大氣，並非藻類n水中氧的溶解度與水溫、大氣氧的分壓、水中的鹽類息息相關n溫度愈高，氧的溶解度愈低，且加速水中生呼吸速率，使得水中溶氧更加缺乏2004/10/3

2、06n水中的二氧化碳n水中最重要的弱酸nCO2溶解於水中會形成碳酸(H2CO3)、游離產物碳酸氫根(HCO3-)、碳酸根(CO32-)n水中碳酸會與大氣二氧化碳保持平衡n水中的碳酸根離子會與固態的碳酸根礦物維持平衡MCO3(微溶碳酸鹽礦物)M+CO32-2004/10/307n高濃度的二氧化碳存在於水中，會引起水中動物呼吸作用和氣體交換，引起動物死亡n雨水酸性可藉由二氧化碳與石灰岩作用而降低；故石灰岩地形的水體pH值不易受雨水弱酸性影響CaCO3(s)+CO2(aq)+H2O Ca2+2HCO3-2004/10/308水中碳酸(二氧化碳)碳酸氫根碳酸根分佈情形2004/10/309水的酸、鹼度

3、n酸度(acidity)：水體中和OH-離子的能力n導因於弱酸的出現，如二氧化碳n其他離子H2PO4-、H2S、蛋白質、脂肪酸n酸性金屬離子：Fe3+n以污染觀點來看：強酸是酸度的重要來源n自由磺酸如水中的H2SO4、HCln酸礦水指水中有可觀濃度的自由磺酸n總酸度：利用強鹼滴定至酚酞終點pH8.3n自由磺酸度：用強鹼滴定至甲基橙終點pH4.32004/10/3010水的酸、鹼度n鹼度(alkalinity)：水體中和H+離子的能力n鹼度主要由弱酸鹽、少部份因弱鹼或強鹼所形成n引起水的鹼度主要物質：氫氧化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽nalk=HCO3-+2 CO32-+OH-H+n功用：防止因酸加入而

4、急遽變化，具緩衝作用2004/10/3011水的酸、鹼度n鹼度的表示：n酚酞鹼度：被酸滴定至酚酞終點pH8.3，碳酸根均轉變成碳酸氫根n總鹼度：再繼續滴定至甲基橙終點pH4.3，當碳酸氫根和碳酸根均變成二氧化碳n不同pH值下，鹼度主要成份：npH=7，主要由HCO3-造成npH=10，OH-、CO32-遠大於的HCO3-濃度2004/10/3012水中的鈣離子和其他重金屬nCa2+離子、Mg2+離子、還有一些Fe2+離子存在於水體稱為水中之硬度(water hardness)，與肥皂作用產生沈澱。n暫時硬度(temporary hardness)是由於水體中Ca2+離子和碳酸氫鹽離子出現形成C

5、a2+2HCO3-CaCO3(s)+CO2(g)+H2O 增溫過程會使反應產生二氧化碳氣體和白色碳酸鈣沈澱2004/10/3013水中的鈣離子和其他重金屬n水體中若含高量二氧化碳會從碳酸鹽的礦物溶解出Ca2+離子 CaCO3(s)+CO2(g)+H2O Ca2+2HCO3-n水底底泥和土壤中有機體之呼吸作用，會產生高濃度CO2和HCO3-，對於水質化學和地質化學作用的轉變有極深遠的影響。CH2O+O2 CO2+H2O2004/10/3014溶解性二氧化碳氣體和碳酸鈣礦物n溶解性的二氧化碳的碳酸鈣礦物對天然水體之鹼度、pH和溶解Ca2+濃度有極重要的影響。2004/10/3015錯合和螯合作用n

6、水中重金屬與電子供應者(路易士鹼)形成錯合物(complex)或螯合物(coordination compound)，水中鎘離子會與配位基CN-形成錯離子nCN-是單位配位基與Cd+僅有一個位置。單位配位基在天然水體中較不重要，比較重要的是具複合作用的螯合劑(chelating agents)2004/10/3016錯合和整合作用n螯合劑具有超過一個原子以上可能與中心重金屬原子在同時間形成環狀結構，因此焦磷酸鹽P2O74-會與Ca2+離子有二個鍵結位置形成螯合物2004/10/3017水中螯合劑的重要性n常出現在污泥和都市廢水中n廢水中的錯合劑能將從沈積物中溶解出重金屬n錯合反應會增加重金屬從

7、廢棄物處置堆滲出，降低傳統生物糟重金屬去除效率nFe()和其他微量重金屬離子常以螯合反應作為藻類培養基2004/10/3018水體中的多磷酸鹽n多磷酸鹽大量使用於水處理、硬水軟化、清潔劑助劑補捉Ca2+n多磷酸鹽的水解作用產物為正磷酸鹽n多磷酸鹽的錯合作用上，環狀磷酸鹽比支鏈狀形成的錯合物更弱2004/10/3019腐植酸的錯合作用n腐植質腐植質(humic substances)自然界最重要的錯合劑(抗生物性物質)n用強鹼萃取：n餘液是酸性n不可萃取的植物殘餘是腐植腐植(humin)n酸性萃取液沈澱物質是腐植酸腐植酸(humic acid)n酸性溶液中的有機物質稱黃酸黃酸(fulvic ac

8、id)腐植酸和腐植質會與水中離子(陽離子或有機物質)錯合2004/10/3020腐植質與重金屬錯合方式n利用其官能基CO、OH、COOH、，與金屬離子鍵結n有碳氧基和酚基氫氧整合作用n兩碳氧基的整合作用n碳氧基的錯合作用O2004/10/3021n黃酸與金屬如何錯合，尚未得知n水中黃竭色物質(Gelbstoffe)，常與溶解性鐵離子存在n自來水加氯時形成致癌物：三鹵甲烷(THMS)2004/10/3022錯合和氧化還原作用n金屬氧化後，表面會形成一層保護膜，而螯合物可溶解保護膜，使金屬曝露繼續受腐蝕n在廢水中影響水管腐蝕，加速重金屬排放n作為電鍍清洗液，清洗金屬表面2004/10/3023水體

9、生物化學過程n微生物：細菌、真菌、原生動物、藻類n根據碳的來源和能量來源可分為：n化學異營化學異營n光合自營光合自營2004/10/3024藻類(Algae)n四種單細胞藻類：n金黃藻類：呈黃綠色或黃褐色，細胞壁含矽，n綠藻類：水中最重要生產者n紅藻類：會形成藻華，釋放毒素，造成紅潮n纖毛藻類：具動植物特徵，除了光合自營，也利用其他生物做為碳源2004/10/3025n白天行光合作用，晚上行代謝作用，藻類過多，將消耗所有的溶氧n藻類與真菌共生：地衣n藻類提供光合作用產物給真菌n藻類靠真菌固著地面，吸收水分及養分n地衣對岩石風化佔有極重要的角色2004/10/3026真菌(Fungi)n不能行光

10、合作用n好氧性的生物，比細菌能在酸性、重金屬下生存n分解木質素為碳水化合物，為能量來源n其分解物質進入水中，影響水或廢水成份，如腐植質2004/10/3027原生動物(Protozoa)n在水中和土壤的生化反應過程扮演相當重要的角色：n為有機物氧化分解的參與者n以細菌為食物，細菌在分解物質過程，原生動物可影響速率2004/10/3028細菌(Bacteria)n細菌細胞表面積與體積比值高，故反應速率快n代謝前，分泌體外酵素將食物分解為溶水性物質n以含有營養源洋菜培養基培養，再算其菌落數2004/10/3029自營性與異營性細菌n自營性細菌：以二氧化碳或無機碳做為碳源，以反應生成的化學能為能量n

11、合成複雜的蛋白質、酵素n地球上礦物的分解與合成，透過此類細菌轉化作用形成n異營性細菌：利用分解有機物做為能量的來源，也是污水中分解有機物的主要分解者2004/10/3030好氧與厭氧細菌n好氧細菌需要氧作為電子接受者n反應式：O2+4H+4e-2H2On厭氧細菌：缺氧下才能作用，氧氣對其具有毒性n兼氧細菌n有氧狀態：以氧為電子接受者n缺氧狀態：以氧化物做為電子接受者2004/10/3031細菌的代謝作用n細菌參與土壤和水中的化學獲得能源，也促使自然界元素循環使用n礦物質的沈積作用，如鐵、錳n水體和配水系統中，礦物的沈澱也是細菌造成n代謝作用可分為：n同化作用：小分子合成大分子(耗能)n異化作用

12、：大分子分解成單體(產能)2004/10/3032n細菌氧化物質得到的能量，以電子電子傳遞鏈來傳遞能量n以O2為電子接受者，為好氧呼吸作用好氧呼吸作用n若以還原性物質，如SO42-，NO3-，HCO3-或Fe3+為電子接受者，稱為厭氧呼吸作用厭氧呼吸作用n例子：DesulfovibrioDesulfovibrio菌菌和methanobacteriummethanobacterium菌菌可將SO42-還原成H2S2004/10/3033碳元素的轉化作用n微生物耗能與產能過程中，碳會有不同氧化狀態，如CO2變成碳水化合物，n能源(煤、石油)是有機物經由細菌的部分分解才形成，藏於含氧量低的地底下n呈

13、還原狀態，故保有很高的碳含量2004/10/3034甲烷生成菌n在厭氧、有機物濃度高、硝酸鹽和硫酸鹽濃度低條下，易生成甲烷甲烷n厭氧下，碳循環最後步驟，有機物分解成甲烷n大氣中80%甲烷，由此生成n甲烷的碳源，由CO2及有機物醱酵醱酵而來n甲烷生成菌共有四種：Methanobacterium、Methanobacillus、Methanococcus、Methanosarcina2004/10/3035n甲烷生成菌是絕對厭氧，很難在實驗室培養n自然界的醱酵作用，可應用於廢棄物處理n如廢棄物處理場將污泥或河川底部在厭氧條件下，將有機物分解生成的甲烷n生成的甲烷排入水體，可以有效移除水體的BOD，

14、理由：CH4+O2CO2+2H2On甲烷燃值高，牧場和污水處理廠，設回收裝置，做為蒸氣或動力的然料2004/10/3036氮循環作用n氮與大氣和有機物及無機物的交換作用，可說是自然界生命動力的過程n氮循環生化轉化作用有四種：n固氮作用：氮有機氮n硝化作用：氨硝酸鹽n硝酸鹽還原作用：硝酸鹽較低氧化態n脫硝作用：硝酸鹽、亞硝酸鹽氮2004/10/30372004/10/3038固氮作用n將空氣中的氮固定成有機氮(NH4+)n固氮細菌最重要的菌種：與豆科植物行互利共生的根瘤菌根瘤菌(rhizobium)n非豆科植物利用根部放射菌來固氮n有些菌種受草生植物刺激而有固氮作用2004/10/3039硝化作

15、用n將水體或土壤中的N()轉成N()的重要過程n硝化作用在自然界相當重要，氮硝酸鹽植物吸收利用nNH4+在氧氣充足下NO3-(硝化作用)nNO3-在缺氧下N2(脫硝作用)2004/10/3040n行硝化細菌有兩種：n亞硝化細菌：將氨氧化成亞硝酸鹽n硝化細菌：將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽n以上兩種細菌，均為好氧性菌，只有在有氧的情況下，才會有作用2004/10/3041硝酸鹽還原作用n將化合物中的氮還原成較低的氧化狀態n缺氧下，硝酸鹽為電子接受者而被還原n利用硝酸鹽中的氮合成蛋白質，須將NO3-NH4+(硝酸鹽同化作用)2004/10/3042脫硝作用n將硝酸鹽還原成氮氣n脫硝作用可將固氮作用的氮再釋放回到大氣，具有平衡作用n因氮氣沒有毒性，且硝酸鹽為電子的良好接受者，在缺氧下，脫硝細菌會大量繁殖n硝酸鹽和亞硝酸鹽，可被其他菌種作用下以N2O和NO的形態釋放回大氣2004/10/3043報告完畢報告完畢