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1、第二章 水处理2.1 水化学的基础知识为了便于理解水质管理和废水处理两章的内容，先简 单介绍一下水化学的基本知识。 （1）水的物理性质l密度：单位体积物质的质量质量密度（mass density ）l比重：单位体积的重量（specific weight）。l相对质量密度：S = /0 = /0式中： 0代表3.98C时水的密度，即1000kg/m3。此时 水的比重是9.81KN/m3。为了方便计算，一般将相对质 量密度假设为1。l粘度：所有的物质，包括液体，会产生一种内在的摩 擦力，阻碍物体的运动。摩擦力的大小用粘度表示。 有两种表达方式： （1）动力粘度（dynamic viscosity）
2、或绝对粘度（ absolute viscosity），单位：Pa S。 （2）运动粘度（kinematic viscosity）： = /。单位为 m2/s。 （2）溶液中杂质的状态l从环境工程的观点看，杂质在水中的存在形式有：悬悬 浮浮( (suspended)suspended)、胶体（胶体（colloidalcolloidal）和溶解（和溶解（dissolveddissolved） 三种三种。溶解性物质存在于溶液中，只有一相存在。必 须借助蒸馏、沉淀、吸附与萃取等相转移的方式，才 能将液体中的溶解性杂质除去。悬浮固体的尺寸较大 时，可以通过沉降或过滤从水中除去，此时有固液两 相存在。l至
3、于细菌，则属于尺寸较小的悬浮固体，大小约 0.11.0m之间。可被玻璃纤维滤盘（glass fiber filter disc）分离的固体颗粒，称为悬浮颗粒悬浮颗粒，也称为可过滤 颗粒（filterable solids）。悬浮固体可利用过滤、沉降 、离心等办法从水中除去。l胶体颗粒的尺寸介于溶解性物质与悬浮固体之间。胶 体颗粒会产生丁达尔（丁达尔（TyndallTyndall）现象：当光线通过含 有胶体颗粒的液体时，光线将会被颗粒反射。在与入 射光线成9090度度的地方，胶体颗粒反射光线的程度，表 示为浊度浊度( (turbidity)turbidity)。采用浊度单位（TU）来表示水的 浊
4、度。在颗粒尺寸固定的情况下，浊度越高表示水中 胶体颗粒物的浓度越高。l l色度：色度：另一个描述溶液状态的术语。与物质在水中的 三种溶解性状态有关。可以是溶解性物质或胶体颗粒 引起的。l水的色度大部分是由有机质分解所产生的复杂有 机物引起的，而胶体状态的铁或锰的化合物也会 导致色度产生。大部分产生色度的颗粒介于 3.510m之间，属于胶体颗粒的范围。l色度由溶液吸收光的能力大小来测量。色度的去 除方法与溶解性物质和胶体颗粒的去除方法相同 。取决于色度是溶解性色度还是胶体色度。 （3）有关浓度表示法：l质量浓度（mg/L），质量分数（%），摩尔浓度 （mol/L）。l当量质量 = 摩尔质量 除以
5、 氧化还原反应中的电子 转移数 或酸碱反应中的质子转移数。当量浓度（ N）是每升溶液里溶质的当量数。l l浓度转换：浓度转换：l lExample:Example: 1L水中溶解98克H2SO4，试计算硫酸溶液的 浓度（质量百分比，质量浓度，摩尔浓度，当量浓度 ）。假设溶解过程体积不变。l lSolution:Solution: （1 1）质量百分比 = 溶质质量/溶液质量100% = 98/1098 = 8.9%;（2 2）质量浓度 = 溶质质量/溶液体积 = 98 103 /1 = 98 103 mg/L;（3 3）摩尔浓度 = 溶质摩尔数/溶液体积 = 1mol/1L = 1 mol/L
6、 =1M;（4 4）当量浓度 = 溶质的当量数/溶液体积；这里H2SO4的当量数 = 硫酸质量/硫酸的克当量硫酸的克当量 = 硫酸的摩尔质量/1摩尔硫酸可提供的质子数目= 98/2 = 49；所以硫酸的当量数 = 98/49 = 2；当量浓度 = 2当量/1L = 2N。（4 4）化学反应）化学反应l有四种主要类型的化学反应：沉淀反应、酸碱 反应、络合反应和氧化还原反应。由溶解态到 固态的相变化反应称为沉淀反应沉淀反应。l l酸碱反应酸碱反应：HCl + NaOH NaCl + H2Ol l络合反应络合反应：形成中性络合物或离子络合物Hg2+ + 2Cl- HgCl2; Al3+ + OH-
7、Al(OH)n3-nl l氧化还原反应氧化还原反应：涉及到价数改变和电子转移。Fe + 2H+ Fe2+ + H2l l溶度积常数：溶度积常数：离子活度的乘积。离子的活度等于其浓度与活度系数 的乘积。AaBb(s) aAb+ + bBa-；Ks = AaBb；表示摩尔浓度摩尔浓度。通常将通常将K Ks s记为记为pKpKs s； pKs = -lg Ks。无论是固体溶解还是离子沉淀，均可应用 溶度积常数。当发生沉淀作用的离子在水中的浓度高于达到溶度积 所需要的浓度时，此溶液称为过饱和溶液过饱和溶液。Example: Example: AlPOAlPO4 4沉淀平衡时，水溶液中沉淀平衡时，水溶液
8、中POPO4 43-3-的浓度的浓度 是多少？是多少？AlPOAlPO4 4 Al Al3+3+ + PO+ PO4 43- 3- ( (pKpKs s= 22.0)= 22.0)由Ks的定义得到： Ks = AlAl3+3+POPO4 43-3- = 10 = 10-22.0-22.0根据的AlPOAlPO4 4平衡式可知：1mol磷酸铝溶解时，溶液中会产生1mol 磷酸根离子和1mol铝离子，平衡时两者的浓度相等，因此：AlAl3+3+ = PO = PO4 43-3- = 10 = 10-11.0-11.0 mol/Lmol/LPOPO4 43-3-的摩尔质量为的摩尔质量为9595g/m
9、olg/mol，其质量浓度为：其质量浓度为：9.59.5 1010-7-7mg/Lmg/L。l l活度系数：活度系数：对于稀溶液，可以假设溶液中离子间的作 用相互独立。此时溶液的离子活度系数为。当溶液 离子浓度增加时，离子电荷间的相互作用将会影响其 平衡关系，这种相互作用可用离子强度来衡量。用活 度系数（activity coefficient）来修正其平衡常数。摩尔摩尔 浓度乘以活度系数即为活度。浓度乘以活度系数即为活度。l l缓冲溶液：缓冲溶液：经过稀释、加酸或加碱，pH值都不会发生 很大变化的溶液。主要由弱酸及其盐类形成，如Hc + NaAc是典型的缓冲溶液体系。大气中CO2溶于水可按照
10、下式反应：CO2(g) COCO2, solution2, solution +H2O H2CO3 2H+ + CO32-因此，具有天然的缓冲能力。 COCO2, 2, solutionsolution 与大气中的 CO2(g) 保持平衡状态。缓冲体系中的组分发生任何变 化都会导致CO2从溶液中释放或者从大气溶解进入溶液 。lCO2(g) COCO2, solution2, solution的平衡关系由Henry定律确定：l当总压不高时（不超过5 105 Pa），在恒定的温度下 ，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中 的摩尔分率成正比，其比例常数即为Henry系数（与压 强单位一致）。
11、lCO2水溶液的Henry系数为：l天然水体中碳酸盐缓冲体系与大气中的 CO2保持平衡。溶液中CO32-浓度比HCO3- 浓度低得多。此外，水体中的天然石灰 岩或其它钙的来源，所产生的钙离子将 会形成不溶性的碳酸钙沉淀。钙离子与 碳酸根离子的沉淀反应是水质软化过程 的基本化学反应之一。l l碱度：碱度：当溶液的pH值降低到4.5时，所有可滴 定碱（titratable base）的总量。通常通过实验 求得将水的pH调节至4.5时所需要酸的总量来 控制。碱度等于碳酸盐物种与氢氧根离子浓度碱度等于碳酸盐物种与氢氧根离子浓度 之和，再减去氢离子浓度所得到的值。之和，再减去氢离子浓度所得到的值。l当水
12、中碱度主要为碳酸盐时，可消耗H+的碱度 为：碱度碱度 = = HCOHCO3 3- - + 2CO + 2CO3 32-2- + OH + OH- - - H - H+ + 式中对应浓度的单位为mol/L。在大多数天然 水体中（pH = 68），OH-和H+均可忽略不 计，因此有：碱度 = HCO3- + 2CO32- 。lH2CO3 HCO3- + H+ ；pKa1 = 6.35HCO3- CO32- + H+；pKa2 = 10.33l从pKa值可以得到一些有用的关系：（1）pH 8.3时，大部分碳酸盐以HCO3-形式 存在，因此碱度等于HCO3- ；（3）当pH 12.3时，几乎所有碳酸
13、盐均以CO32- 形式存在，因此碱度等于因此碱度等于22COCO3 32-2- + + OHOH- - ，此时 OH- 不能忽略。l根据碱度碱度= = 22COCO3 32-2- + + OHOH- - 以及对缓冲溶液的讨论，可 以用碱度来度量缓冲能力。水溶液有较高的碱度时表示 其具有较大的缓冲能力。l l碱性水碱性水 与 高碱度水高碱度水 的差异：碱性水是pH值在7.0以上的 水，而高碱度的水则表示具有较大的缓冲能力。碱性水 不一定具有高缓冲能力。同样，高碱度水的pH值可能高 ，也可能不高。例如：NaAc + HAc或NaH2PO4 + H3PO4 构成的缓冲体系，具有如下反应能力：NaAc
14、 + H+ Na+ + HAc; HAc + OH- Ac- + H2Ol传统上，碱度的单位不用摩尔浓度表示，而是用mg/L CaCO3表示。为了将单位转换成 mg/L CaCO3 ，将化合物 的质量浓度(mg/L)乘以CaCO3与该化合物的当量质量之 比：l l碱度碱度( (mg/L mg/L CaCOCaCO3 3) ) = = (mg/L) (mg/L) （CaCOCaCO3 3与该化合物的当与该化合物的当 量质量之比）量质量之比）l lExample: Example: 水中含有水中含有100100.0 .0mg/Lmg/L的的COCO3 32-2-，75mg/L75mg/L的的HCO
15、HCO3 3- -， pH=10pH=10。试计算其试计算其“ “准确准确” ”碱度和碱度和“ “近似近似” ”碱度（忽略碱度（忽略 OHOH- - 和和 H H+ + ）。）。l lSolutionSolution：首先将对应的浓度单位转化成mg/L CaCO3。各 化合物的当量质量分别为：CO32-：M=60, n=2, 当量质量=60/2=30g/当量HCO3-： M=61, n=1, 当量质量=61/1=61g/当量H+： M=1, n=1, 当量质量=1/1=1g/当量OH-： M=17, n=1, 当量质量=17/1=17g/当量l lpH=10pH=10时，时， OHOH- - 和和 H H+ + 分别计算如下：分别计算如下：H+ = 10-10mol/L = 10-7mg/L；OH- = Kw/H+=10-14/10-10=10-4mol/L=1.7mg/L。l利用转化式以及碳酸钙的当量质量，将单位转换成mg/L CaCO3：CO32-：100 (50/30) = 166.7 mg/L CaCO3;HCO3-： 75 (50/61) = 61.5mg/L CaCO3;H+： 10-7 (50/1) = 5 10-6 mg/L CaCO3OH-：1.7 (50/17) = 5.0 mg/L CaCO3由此，精确碱度=61.5+166.7+ 5 10-6+5.
