《第6章 敞开式水体中的二氧化碳碳酸盐平衡》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章 敞开式水体中的二氧化碳碳酸盐平衡（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 敞开式水体中的二氧化碳-碳酸盐平衡36.1 封闭水体中碳酸的离解平衡36.1.1 碳酸酸碱平衡36.1.1.1 碳酸酸碱平衡理论36.1.1.2 碳酸酸碱平衡的动力学探讨46.1.2 封闭水体的碳酸平衡与pH值46.2 天然水体的自然pH与碳酸平衡66.2.1 天然水中的杂质及相关水质指标66.2.1.1 天然水体中的杂质61. 水中杂质的主要来源62. 天然水中杂质的类别63. 天然水中溶解的离子66.2.1.2 相关的水质指标71. 水中杂质的含量72. 碱度73. 硬度86.2.2 天然水体的pH、硬度与碱度96.2.2.1 地下水的pH、硬度与碱度96.2.2.2 地表水的pH
2、、硬度与碱度91. 江河水92. 湖泊和水库水湖泊和水库水106.2.2.3 降水的pH、硬度与碱度106.2.2.4 海水的pH、硬度与碱度116.3 循环冷却水系统的自然pH与碳酸平衡116.3.1 循环冷却水系统的任务与水质特点116.3.1.1 循环冷却水系统概述126.3.1.2 循环冷却水系统的水质要求131. 悬浮物质和胶体132. 含盐量或电导率133. 有机物134. 阳离子135. 阴离子146. 硬度与碱度167. 溶解气体176.3.2 循环冷却水系统中存在的问题176.3.3 循环冷却水系统的自然pH与碳酸平衡186.3.3.1 敞开水体的碳酸平衡与pH值186.3.
3、3.2 循环冷却水系统的浓缩倍数201. 循环水的浓缩倍数202. 浓缩倍数与补充水量、排污水量及蒸发量的关系203. 浓缩倍数的选择204. 浓缩倍数的监测216.3.3.3 循环冷却水系统中的pH值与碳酸盐碱度211. pH值与碳酸盐碱度对循环冷却水的影响212. 浓缩后的自然pH值213. 自然pH值的计算224. 敞开式循环冷却水系统中的碱度235. 循环水调pH值时加酸量的计算256. 选择循环冷却水自然pH值及总碱度M计算公式有关的问题256.4 循环冷却水系统自然pH、平衡碱度及碳酸盐沉积趋势的理论预测266.4.1 几个经典的预测模型266.4.1.1 碳酸钙的溶解平衡266.
4、4.1.2 几个典型的预测模型271 饱和指数(L.S.I.)272.稳定指数(R.S.I.)273. 结垢指数(P.S.I.)274. 临界pH结垢指数276.4.2 Langlier预测理论的改进286.4.2.1 目前碳酸钙饱和pH值（pHS）的计算方法及其优缺点281. 查表法282. 查图法283. 公式法296.4.2.2 碳酸钙饱和pH值（pHS）推荐计算方法291. 推荐公式的理论根据及推导292. 推荐的查表法306.4.2.3 计算碳酸钙饱和pH值的几个问题311. 计算式中的碱度M值312. 温度值的选择313. 电导率与总溶解固体量的换算326.4.3 热力学浓缩-暴气
5、模型32参考文献33第6章 敞开式水体中的二氧化碳-碳酸盐平衡6.1 封闭水体中碳酸的离解平衡6.1.1 碳酸酸碱平衡6.1.1.1 碳酸酸碱平衡理论在水溶液中，碳酸存在式(6-1-1) 式(6-1-3)平衡反应及在25时的平衡常数：CO2(aq)+H2OH2CO3Km=10-2.8H2CO3H+HCO3-K1=10-3.5HCO3-H+CO32-Ka,2=10-10.3(6-1-1)(6-1-2)(6-1-3)由式(6-1-1)可以得知：溶于水中的二氧化碳CO2(aq)浓度要比碳酸H2CO3浓度占优势。Km=10-2.8=H2CO3/CO2(aq)=1.610-3因此，H2CO3仅为CO2(
6、aq)的0.16%。出于用像酸碱滴定那样曲分析方法来区别H2CO3和CO2(aq)是很困难的，所以用一个假想的物种H2CO3来表示H2CO3与CO2(aq)两者之和。用式(6-1-1)和(6-1-2)可以确定H2CO3的电离常数Ka,1如下。因为，H2CO3+CO2(aq)=H2CO3(6-1-4)式中的H2CO3仅仅是一个假想的物种。忽略离子强度效应，于是H2CO3和H2CO3的电离平衡常数可以分别写为：Ka,1=H+HCO3-/H2CO3K1=H+HCO3-/H2CO3将式(6-1-4)代入Ka,1公式，得，Ka,1=H+HCO3-/(H2CO3+CO2(aq)(6-1-5)现在将公式(6
7、-1-5)的分子与分母除以H2CO3，而且已知CO2(aq)/H2CO3=1/Km以及H+HCO3-/H2CO3= K1，得；K1/(1/Km+1)=Ka,1K1Km/(Km+1)=Ka,1因为Km=10-2.8=1.610-3H2CO3，可以得到：H2CO3H2CO3(6-1-8)虽然平衡计算证明采用假想物种H2CO3是对的，但仍必须考虑某些动力学的问题。有一个简单的实验能说明这个问题。取200ml冷蒸馏水并加一片干冰(固体CO2)以上增加其溶解CO2的含量，加3到4滴溴廖蓝指示剂，这种指示剂在pH6时是黄色的，在pH=7处是绿色的而在pH=8及8以上时是蓝色的。在该冷CO2溶液里，这种指示
8、剂将转成黄色。现将加入12 ml 0.1 mol/L的NaOH并震荡加以混合。该溶液将立刻变蓝，然后经过绿色的中间色再回到它原的黄色。这些颜色的改变表明在加入了强碱之后，溶液的pH值在相当的时间里是大于8的，然后逐渐回到pH小于6，由于某些原因，加到溶液里去的强碱在一个明显的时间间隔内没有被中和或者说保持着未起反应。结合有关反应动力学的知识，缓慢的反应速率并不是酸碱反应的特征。这种行为的解释在于，相对于其它去质子反应，水溶CO2的水合作用速率较缓慢。在2025时，反应(6-1-1)即CO2(aq)+H2OH2CO3的反应速率常数为0.00250.03。对于该冷溶液，象我们做过的试验那样，其速率
9、更要慢些。根据平衡的讨论，我们知道CO2(aq)是溶解CO2的主要物种。而参与与OH-进行酸碱反应的H2CO3却是次要物种，H2CO3+OH-=HCO3-+H2O象大多数酸碱反应一样，这个反应是极其迅速的。因此，当加入过量的OH-时，有效H2CO3的消耗速率比其产生速率要快。这个结果使pH值瞬间增大，直至较慢的CO2水合反应能供应更多的H2CO3来与OH-反应为止。水合反应慢的原因是由于在CO2水合作用时必须发生的分子构型的改变。CO2(aq)分子是以线性的形式与水合作用的水附着的；而在H2CO3中，C原子为sp3杂化构型，整个分子为平面三角形。6.1.2 封闭水体的碳酸平衡与pH值所谓封闭水
10、体，是指水体中的组分不与大气相交换。对于碳酸平衡来说，就是不考虑CO2的气液平衡。由碳酸的酸碱平衡可知，分子状态的两种碳酸（CO2与H2CO3）在平衡时，CO2形态占主要成分。因此常以溶解性二氧化碳量作为游离碳酸总量。为便于讨论，一般用CO2或H2CO3代表游离碳酸总量，即令：H2CO3CO2(aq)H2CO3+CO2(aq)(6-1-9)那么，在水溶液中的碳酸平衡反应可写作：H2CO3H+HCO3-K1HCO3-H+CO32-K2(6-1-10)(6-1-11)其中，K1Ka,1H+ HCO3-H2CO3K2Ka,2H+ CO32-HCO3-(6-1-12)(6-1-13)不考虑CO2的溶解
11、和挥发，即水中的碳酸化合物总量为定值，以ct表示，如式(6-1-14)ctH2CO3 + HCO3- + CO32-(6-1-14)从碳酸各级平衡反应式来看，如ct值固定，在达到平衡时，三种类型的碳酸量应有一定的比例，而此比例决定于溶液的氢离子浓度。按碳酸各级平衡反应式(6-1-10)及式(6-1-11)可见，H+增多，即pH值降低时，平衡左移，游离碳酸增加。H+减少，即pH值升高时，平衡右移，碳酸氢盐及碳酸盐依次增多。如果把此三种类型的碳酸在总量中所占的摩尔比例分别以0、1及2表示，则H2CO3ct0HCO3-ct1CO32-ct20121按K1及K2可由式(6-1-15)(6-1-17)求得0、1及2。01K1H+K1 K2H+2-11H+K11K2H+-12H+2K1K2H+K11-1(6-1-15)(6-1-16)(6-1-17)K1及K2随温度有所变化。在循环冷却水系统中温度比较稳定，故实际上是由pH值决定碳酸在水中存在的形态。例如25时，三类碳酸的摩尔比如表6-1-2和图6-1-1。表6-1-2三种不同碳酸的摩尔比例/ pHH2CO3HCO3-CO32-pHH2CO3HCO3-CO32-1000100110021000100110022.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
