环境品质规画书面报告.docx

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环境品质规画书面报告

第七章水污染防治之規劃與管理

7-1

學號：

E09314002

姓名：

陳春木

水的特質與化學概論

緒論

本章是討論水會受到哪些污染及如何防治各種水污染。

欲了解水污杂，首先必須對水中發生之化學現象有所認知，凡是有關此方面之化學理論，都稱之為水質化學（aquaticchemistry）。

水的化學基本概論包括了酸鹼作用、錯合現象、氧化還原反應和溶解渡。

雖然許多水質化學現象可以熱力學平衡觀點來看，如化學反應速率，但生物作用在水質的化學過程中卻扮演極重要的角色。

例如藻類進行光合作用時，可去除水中二氧化碳，提高水體之pH值，同時可將HCO3-離子轉成CO32-離子會與水中的Ca2+離子反應而產生CaCO3的沈殿。

水分子的特殊性質包括極性、形成氫鍵，水合金屬離子，其特性主要由於結構和鍵結造成。

水分子由兩個氫原子與一個氧原子鍵結，此三原子不是以直線排列，而是以夾角105度鍵結。

氧原子除了與氫原子形成共價鍵結外，仍有兩對未鍵結的電子對。

由於電子對相互推擠，使得水分子結構並非線性。

由於氧原子的的陰電性大於氫原子，，使得氫─氧鍵結的兩側的氧原子稍帶負電，氫原子稍帶正電的傾向。

因此水分子具有極性（adipole）。

因為水分子具有極性這種特性，使得水分子可以吸付正、負離子。

例如：

當NaCl溶解於水時，水分子分別會包圍NA+離子和Cl-離子。

除了極性外，水分子還有氫鍵（hydrogenbonds）這項重要的性質，當兩個水分子靠近時，水分子中的氧原子上未鍵結的電子對（負電）會吸引另一水分子的氫原子（正電）。

氫鍵是一種僅於特殊的原子之間才能發生，通常都是在具有氫之化合物內，才會產生氫鍵，但並非所有含氫化合物內皆會形成氫鍵。

壹、水質化學概論

一、水的氣體溶解度

水中溶解的氣體分子，如氧對於魚的呼吸作用及二氧化碳對於藻類進行的光合作用，可以了解溶解於水中的氣體，對水中生物是多麼重要！

而水中裡的氣體也會引起一些問題，如魚類死亡後，血液與水中作用產生飽和氮氣，以氣體形式逸出。

水中氣體的溶解度通常以亨利定律（Henrry’slaw）計算，氣體在液體中的溶解度與該氣體在液面上的分壓成正比。

水中如果沒有足夠的氧氣，許多水中生物將無法生存。

許多水中的生物並不是因為水中的有毒污染物致死，通常是要分解這些污染物造成水中缺氧窒息而死。

大部份水中的氧氣是來自於大氣中的氧氣，雖然藻類會進行光合作用產生氧，但到了夜晚藻類無法進行光合作用，反而會因呼吸作用消耗一些溶氧量，因此藻類的光合作用產生的氧氣絕不會是增加水中溶氧量一個有效方法，故水體與大氣接觸的再氧化和再曝氣絕是水體重要的特性。

水中氧的溶解度常與水溫、大氣氧的分壓和水中鹽類的含量息息關。

首先要如何分辨氧溶解渡和平衡時最大溶氧量。

在25℃下，大氣中的氧溶解於水中的平衡量是8.3mg/L，水中若含有其它物質，水與大氣氧的平衡量將無法達最高的數值。

如果氧氣的消耗同時出現於水中，溶氧量將很快消耗殆盡。

除了以有效再曝氣作用之機操作外，例如在河川水流呈亂流狀態或空氣以曝氣機打入二級廢水處理廠活性污泥槽中。

有機物在水中分解會消耗溶氧量，溫度愈高，氧溶解度欲愈低，同時於溫度升高會加速水中生物呼吸的速率，使得水中的溶氧量更加缺乏。

水體中最重要的弱酸是二氧化碳，因為大氣中的二氧化碳和經微生物分解產生，可出現於天然水中和污水中。

未受污染的大氣經雨水沖刷，使雨水呈弱酸性，主要的原因是二氧化碳溶於水中之緣故。

二氧化碳溶於水中，會形成碳酸（H2CO3）、游離產物碳酸氫根（HCO3-）和碳酸根（CO32-），對於水質化學有極重要的影響。

水中的碳酸會與大氣的二氧化碳保持平衡，水溶液之碳酸根離子也會與固態的含碳酸根礦物保持平衡。

此種平衡對水中的酸鹼值具有很強的緩衝作用。

二氧化碳僅佔正常乾空氣之0.035%，如果大氣中含低濃渡的二氧化碳，水體將會缺乏鹼度（中和H+的能力）。

儘管如此，HCO3-和CO32-之形成會增加二氧化碳的溶解度，高濃度的自由二氧化碳存在於水中，會影響水中生物的呼吸作用和氣體的交換。

水中的二氧化碳不可以超過25mg/L，否則會引起水中動物的死亡。

雨水酸性可藉由二氧化碳和地殻中的石灰石作用而降低，因此蘊藏石灰岩地形的水體，pH值不易受雨水弱酸性的影響。

二、水的酸度

總酸度是利用強鹼滴定至酚酞終點pH8.2，自由磺酸則是利用強鹼滴定至甲基橙終點pH4.3。

有些水合金屬離子的酸性特質將有助於酸度的形成：

Al（H2O）63+Al（H2O）5OH2++H+

有時工業廢棄物，諸如鋼鐵之酸洗金屬液，常含酸性金屬離子和一些過量強酸，這些廢棄物之酸度必須藉由添石灰或其他鹼性化學物質之劑量中和測定之。

水的鹼度（alkalininty）為其對酸中和能力的量度，鹼度在水處理及天然水體之化學和生物作用是非常重要的。

原水的鹼度主要是由弱酸鹽、少部分因弱鹼或強鹼所形成，具緩衝作用可防止pH值因酸加入而急遽變化。

引起原水的鹼度之物質，主要有氫氧化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽：

HCO3-+H+→CO2+H2O

CO32-+H+→HCO3-

OH-+H+→H2O

鹼度通常以酚酞或總鹼度表示。

當以強鹼氫氧化鈉和碳酸鈉的滴定曲線，被酸滴定至酚酞終點pH8.3，碳酸根均轉變成碳酸氫根，稱為酚酞鹼度。

若再繼續滴定至甲基橙終點pH4.3，當碳酸氫根和碳酸根物種均轉變成二氧化碳稱為總鹼度。

CaCO3+2H+→Ca++CO2+H2O

金屬離子在水中，通常以Mn+表示，可以許多型式存於水體環境。

譬如Ca2+無法單獨存在於水中，為了保持外層電子高穩定度，金屬離子在水中會與其他離子形成鍵結和配位。

這些離子可能是水分子或其他強鹼（電子供給者）。

因此金屬在水中可能以水合金屬離子M（H2O）Xn+存在，水溶液中之金屬離子傾向於會藉化學反應形成高穩定度狀態，包括：

（1）酸鹼作用：

Fe（H2O）63+FeOH（H2O）62++H+

（2）沈澱作用：

Fe（H2O）63+FeOH（H2O）6（S）+3H2O+3H+

（3）氧化還原反應：

Fe（H2O）62+FeOH（H2O）6（S）+3H2O+e-+3H+

三、水中重金屬離之行為

金屬物種在天然水與廢水之環境化學中扮演極重要的角色，例如水合金屬離子FeOH（H2O）52+，而金屬亦可能在水中與無機陰離子或有機物鍵結形成金屬錯合物（organometallic,metalcomplexes）。

（一）水合金屬離子─酸

水合金屬離通常帶+3價電荷或更高，在水中會傾向於失去H+離子，而類似布忍斯特酸（Bronstedacid）。

Fe（H2O）63+FeOH（H2O）62++H+

水合金屬離子類似酸之特性對水體環境有深遠的影響。

最好的例子就是酸礦水（acidminewater），主要由於水合三價鐵離子呈酸性緣故

Fe（H2O）63+FeOH（H2O）6（s）+3H2O+3H+

O

H

氫氧根離子OH-會與金屬離子鍵結，形成以架橋方式與一個或更多個金屬離子作用：

2Fe（H2O）OH52+→（H2O）4FeFe（H2O）44++2H2O

H

O

（二）水中之鈣離子

鈣是許多地質化學過程極關鍵的元素，礦物是水中鈣離子之主要來源。

譬如CaSO4．2H2O，CaSO4，CaMg（CO3）2和不同礦物形態之CaCO3。

CA2+離子和Mg2+離子，還有一些Fe2+離子存在於水體稱為水中之硬度（waterhardness）。

硬水最常見之問題是硬度離子會與肥皂作產沈澱。

暫時硬度（temporaryhardness）是由於水中Ca2+離子和碳酸氫鹽離子出現後而形成，可藉由煮沸而去除。

Ca2++2HCO3CaCO2（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。

水體中若含高量的二氧化碳會從碳酸鹽的礦物溶解出Ca2+離子。

（三）溶解性的二氧化碳氣體和碳酸鈣礦物

溶解性的二氧化碳和碳酸鈣礦物對天然水體的鹼度，pH和Ca2+溶解的濃度有極重要的影響（如下圖）。

例如，淡水中〔Ca2+〕=〔HCO3-〕=10-3M，水體會與石灰（CaCO3）和大氣中二氧化碳達成平衡。

四、錯合和螯合作用

水中重金屬會與電子供應者（路易士鹼）形成錯合物（complex）或螯合物（coordinationcompound），水中鎘離子會與CN-形成錯離子。

Cd2++CN-CdCN+

同時可形成弱的錯合物（容易解離）Cd（CN）2，Cd（CN）2-和Cd（CN）42-。

在這個例子中，CN-是單位配位基與Cd離子僅有一個位置。

單位配位基在天然水體中較不重要，而較重要的是具複合作用的螯合劑（chelatingagents）。

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-會離子有二個鍵結位置形成整合物：

通常整合物與重金屬離子一次錯合會有一個以上的鍵結位置，整合作用會比單位配位基的錯合來得安定。

穩定度會隨著配位基上有效的配位位置數增加而增加。

金屬整合物會以環狀結構存在，NTA整合重金屬離子的六面體結構如圖3-5所示。

天然水與廢水中出現的配位基包含有各種不同之官能基提供電子對給配位基和金屬離子形成鍵結。

這些配位基錯合金屬離子大部份出現未受污染水體和生物處理系統（Mg2+，Ca2+，Mn2+，Fe2+，Fe3+，Cu2+，Zn2+，VO2+），他們同時會與重金屬離污染物（Co2+，Ni2+，Sr2+，Cd2+）形成鍵結。

（一）水體中螯合劑的出現與重要性

螯合劑是水中較具有潛力的污染物，這些物質可出現於污泥和都市污水放流處，例如電鍍廢水。

EDTA被使用為清潔劑和去除設備，反應器上污染物之溶出試劑，在處置污水井中採樣分析水樣顯示EDTA濃度約3.1×10-7M。

除了Co外，EDTA會與放射性離子Am3+，Cm3+，Th4+整合。

廢水中錯合劑最令人注意的主要原因是能從沈積物中溶解出重金屬，錯合反應會增加重金屬從廢棄物處置堆滲出，且降低傳統生物處理槽重金屬去除之效率。

在傳統都市污水處理系統中想要去除Fe的整合劑是困難的，Fe（Ⅲ）和其他微量重金屬離子常以整合反應作為藻類培養基，螯合劑的有效利用可能是藻類生長的決定因子。

自然界水體中黃褐色成因為天然Fe螯合劑的出現所造成。

（二）金屬錯合物的鍵結與結構

錯合物是有一中心原子與提供電子對配位基鍵結，配位基可能帶負電或中性，最後的錯合物可能帶中性、正電或負電荷。

配位基一般是指包圍在中心原子外圍配位圈（coordinationsphere）的物質。

配位基的分子或離子，其中至少有一個原子具有一對以上電子對，能與重金屬離子結合，許多錯合物的配位基能在溶液中與中心原子的配位圈間迅速交換。

配位數是中心重金屬原子或離子能提供電子對之配位基鍵結數目，通常配位數是2、4、6。

多核錯合物包含兩個或更多重金屬原子與配位基架橋連接，配位基通常為OH。

例如Fe（Ⅲ）

形成的雙核錯合物金屬錯合物鍵結的強度與性質可決定其化學行為和穩定度，形成錯合物時配位基會提供電子對給中心重金屬離子，這些電子對會填滿重金屬離子上的空軌域，使重金屬離子的電子分佈情形呈近似鈍氣狀態。

（二）整合作用的選擇性和專一性

雖然整合劑對特別重金屬離子不會有專一性，但一些來自生物來源的複雜螯合劑卻大部份只專與某些重金屬離子作用。

例如鐵色素可由真菌萃取出來，能與Fe（Ⅲ）形成極穩定的整合物。

藍綠藻中的anabaenaspecies種生物在嚴重藻花時期會攝取Fe而以螯合鐵存在，而一些競爭性的物重如綠藻的scenedesmus就不會有此現象。

因此螯合劑扮演了促使某些特定藍綠藻生