Hóa học Oxy hóa-Khử trong Nước Tự nhiên

Hóa học oxy hóa-khử thiết lập trạng thái oxy hóa của carbon, nitơ, lưu huỳnh, sắt và nhiều nguyên tố khác trong nước tự nhiên, cấu trúc các hệ thống thủy sinh từ nước bề mặt có oxy đến trầm tích thiếu oxy.

Definition

Nghiên cứu về các phản ứng chuyển giao điện tử và điều kiện oxy hóa-khử kiểm soát trạng thái oxy hóa của các loài hòa tan và dạng hạt trong nước tự nhiên.

Scope

Chủ đề này bao gồm cân bằng và động học oxy hóa-khử trong nước tự nhiên, việc sử dụng hoạt độ điện tử (pE) và Eh làm biến số chính, trình tự sử dụng chất nhận điện tử qua trung gian vi sinh vật, và các biến đổi oxy hóa-khử của các nguyên tố chủ chốt qua các ranh giới có oxy-thiếu oxy.

Core questions

• pE và Eh mô tả các điều kiện oxy hóa-khử trong nước như thế nào?
• Tại sao các chất nhận điện tử được sử dụng theo một trình tự có thể dự đoán được?
• Các chuyển đổi oxy hóa-khử kiểm soát hóa học của sắt, mangan, lưu huỳnh và nitơ như thế nào?
• Trong trường hợp nào động học, chứ không phải cân bằng, chi phối kết quả oxy hóa-khử?

Key theories

Thang oxy hóa-khử của các chất nhận điện tử

Khi chất hữu cơ bị oxy hóa, các cộng đồng vi sinh vật sử dụng các chất nhận điện tử theo thứ tự giảm dần năng lượng, từ oxy qua nitrat, oxit mangan và sắt, sulfat, và cuối cùng là carbon dioxide, tạo ra một sự phân vùng oxy hóa-khử theo chiều dọc đặc trưng.

Mechanisms

Hoạt độ điện tử (pE) và pH cùng nhau xác định các trường ổn định cho các loài nhạy cảm với oxy hóa-khử, được tóm tắt trong các biểu đồ pE-pH. Trong trầm tích và các vùng nước phân tầng, hô hấp của vi sinh vật tiêu thụ oxy và sau đó là các chất nhận năng lượng thấp hơn liên tiếp, thúc đẩy quá trình khử nitrat, oxit kim loại và sulfat, đồng thời huy động hoặc cố định các nguyên tố liên quan.

Clinical relevance

Các điều kiện oxy hóa-khử kiểm soát khả năng di chuyển của sắt, mangan, asen và các chất dinh dưỡng, ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm, sự giải phóng chất gây ô nhiễm từ trầm tích và thiết kế các hệ thống xử lý.

History

Khung pE-pH đã được điều chỉnh từ địa hóa học sang hóa học thủy sinh vào giữa thế kỷ 20, và sự kiểm soát của vi sinh vật đối với trình tự oxy hóa-khử đã được làm rõ thông qua các công trình địa hóa sinh học sau này.

Key figures

• Werner Stumm
• James J. Morgan

Seminal works

• stumm1996
• vanLoon2017

Frequently asked questions

Tại sao asen đôi khi xuất hiện trong nước ngầm?

Các điều kiện khử có thể hòa tan các oxit sắt chứa asen, giải phóng nó vào nước ngầm; do đó, hóa học oxy hóa-khử kiểm soát vấn đề ô nhiễm quan trọng này.