天然水体中物质的沉积过程

天然水体中的物质沉积过程大致有这么几类：①溶解性组分发生化学沉淀；②胶体颗粒凝聚沉降；③颗粒状物质发生物理性重力沉降；④水体等温蒸发致使其中溶解性盐类过饱和析出。第四种情况比较复杂，不拟予以讨论。

  1. 化学沉淀

化学沉淀是形成水底沉积物的原因之一，以下是天然水体中发生化学沉淀的一些实例：

  1. 富磷的废水进入硬性水体中，将生成羟基磷灰石沉积物， 5Ca2++OH-＋3PO 3-=Ca OH（PO ） ↓

  2. 在富 CO 的水体中，如果排进大量

    Ca2+，将生成碳酸钙沉积物，同时放出 CO2，

Ca2+＋2HCO3-=CaCO3↓＋CO2↑＋H2O

在光合作用过程中也有类似现象发生，

Ca2+＋2HCO -＋hv=（CH O）＋CaCO ↓+O

夏季藻类生长茂盛，能加速反应进程，所以更容易在水底形成白色的 CaCO3 沉积层。

  1. 微生物的作用也是生成沉积物的原因之一，有时这种作用还和化学

沉淀协同发生。如当水体氧化还原电位因外来因素而发生变化时，水中溶解性 Fe2+可被氧化为 Fe（OH） 沉淀物：

4Fe2+＋10H O＋O =4Fe（OH） ↓＋8H+

在水底沉积区的厌氧条件下，又由不同种的厌氧微生物参与而引发如下两种反应：

Fe（OH） →Fe2+ SO 2-→H S

结果生成黑色的 FeS 沉积物：

Fe2+＋H2S→FeS↓＋2H+

冬天水温较低，H2S 不易从水中挥发，所以更容易在水底形成黑色的 FeS 沉积层。结合上例中 CaCO3 的沉积作用，可以解释为何在水底会出现黑白相间的沉积物分层现象。

  1. 胶体颗粒的凝聚沉降

水中胶粒大小约为 1～100nm，所以一般不能用沉降或过滤的方法从水中除去这些颗粒物质。胶体颗粒基本有两类，即亲水胶粒和疏水胶粒。亲水胶粒的受溶剂化程度高，颗粒被水壳层所包围，所以在水体中很难凝聚沉降。这一类胶粒多数是生物性的物质，例如可溶性淀粉、蛋白质和它们的降解产物以及血清、琼脂、树胶、果胶等。水体中的疏水胶粒成分一般由粘土、腐植质、微生物等经分散后产生，这些胶粒的表面带电（一般带负电），较容易通过某些天然或人为因素的作用而凝聚沉降下来。

从化学热力学角度看，胶体系统是高度分散的，因而也是一种不稳定体系。这种体系有降低表面能，趋于稳定的自发倾向，而降低表面能又是靠胶粒（尤其是疏水胶粒）发生凝聚和吸附这两种基本过程来达成的。

胶体的凝聚有两种基本形式，即凝结和絮凝。胶体粒子表面带有电荷， 由于静电斥力而难以相互靠拢，凝结过程就是在外来因素（如化学物质）作用下降低静电斥力，从而使胶粒合在一起。絮凝则是借助于某种架桥物质， 通过化学键联结胶体粒子，使凝结的粒子变得更大。在用化学试剂处理废水的一种被称为化学混凝单元操作中，能同时发生凝结和絮凝作用，所产生的絮状颗粒又进一步吸附水溶性物质和粘附水中悬浮粒子，由此构成了一个相当复杂的物理化学过程。这种过程是去除废水中胶粒和细小悬浮物的一种有效方法，所加入的化学试剂称为化学混凝剂。以下我们来阐述胶体颗粒凝聚沉降的微观机理。

疏水胶粒表面带正电或负电主要取决于胶粒的本性。但水体的 pH 值则是具有决定意义的外因，高 pH 值可使胶粒趋向于带更多负电。例如作为粘土组分的水合 SiO2 和 Al（OH）3 的等电点①分别在 pH=2 和 pH=4.8～5.2，大多数

细菌细胞胶体的等电点在 pH=2～3 之间，由于天然水体 pH 值大致在 6～9 范围内，所以水中这类胶粒表面多带过剩的负电。现在让我们来审视一个带着过剩负电荷的胶粒。如图 4-13 所示，这个胶粒与它周围的水体间构成了一个双电层。形成双电层的过程是：①由于胶粒表面带负电引起带正电的反离子被吸附在粒子表面。②部分反离子因热运动而向外扩散。如图 4-13 所示，双电内层附着在固体颗粒表面上，而外层则位于液相之中，内外两层的界面在AB。这个界面也就是胶体粒子在溶液中移动时的剪切面。在颗粒表面和 AB 面之间所形成的ζ电位（动电位）可用电泳法或电渗法予以测定，并可用下式表示其大小：

4πδq

ζ = D

（4 - 29）

式中 q——粒子表面电荷量； δ——双电内层厚度； D——水的介电常数。

另如图 4-14(a)所示，在两个相邻的胶体粒子间一方面受到与ζ电位大小相应的静电斥力，另一方面也受到一个相互吸引的范德华力。后一种力存在于任何两邻近胶粒之间而不拘于它们所带电荷的种类（正或负），且力的大小主要取决于胶粒在水体中的密度，而与水相组成无关。此外，随着粒子间距离增大，范德华引力迅速衰减。当以上两种相异的力中斥力大于引力时， 所产生的净斥力就构成了阻碍粒子间互相凝结的能垒。在向胶体溶液加入某种电解质（如铁盐、铝盐等）后，可将反离子更多地驱入双电内层，并由内层压缩而使ζ电位降低，从而也就降低了粒子间的斥力，因此粒子能互相靠拢，范德华引力也就进一步得到增强，导致能垒消失（图 4-14(b)），并达到粒子间发生凝结的结果。上述胶体粒子凝结的机理可用于解释一些自然现象，如带有大量胶体粒子的河水流至河海交汇处（河口）时，由于海水中含盐较高，从而破坏河水胶体的相对稳定性，使大量胶粒经凝聚而形成河口沉积物。

当水体受纳了一些高分子聚合电解质后，也可能通过架桥絮凝作用而破坏胶体系统的稳定性。这种高分子化合物可能是天然的，例如淀粉、丹宁（多糖）、动物胶（蛋白质）等；也可能是人造的，如聚丙烯酰胺及其衍生物等。水体中发生胶粒凝结和絮凝的实际过程如图 4-15 所示。

  1. 重力沉降

对于球形颗粒体在静止水体中的沉降速率可用斯托克斯定律描述，

(ρ − ρ )gd 2

ν = 1 2

18μ

式中ν——沉降速率（cm/s）；

ρ ——颗粒的密度（g/cm3）； ρ ——水体的密度（g/cm3）；

g——重力加速度（980cm/s2）； d——颗粒的直径（cm）；

(4 − 30)

μ——水体的粘度（Pa·s）。

应用斯托克斯定律时有很多条件限制。对于水体中粒径小于 2μm 的小粒子，由于布朗运动的影响，它的沉降速率将小于上述公式计算值；反之，对于水体中的砂粒，由于在沉降时会产生湍流，它的沉降速率将大于上述公式计算值。

水体的密度和粘度随温度和盐分含量而变化，有关数据可从一些专业手册查得。对沉降速率大小有决定意义的是颗粒本身的密度、大小和形状。呈单一颗粒状的一般矿物密度近于 2.6g/cm3，也有很多重矿石的密度可达 5～ 7g/cm3。有机物颗粒比较轻，密度可在 0.1～0.001g/cm3 范围之内。由于天然水体中存在的颗粒物种类甚多，它们的密度大小又有很大差异，所以要用单一的斯托克斯定律来描述整体沉降情况也是有困难的。粒子的形状也是影响沉降速率的重要因素。在水体中经受长期磨洗的粗粒，其沉降速率与相同体积的球形颗粒相近。越是小的颗粒，其非球形状的因素越是显著，例如云母粘片的沉降速率比等体积球形颗粒小两个数量级。