北京大学环境工程概论_第二章_水处理-1

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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

密度：单位体积物质的质量—质量密度(mass density) 比重：单位体积的重量(specific weight)。 相对质量密度：S = / 0 = / 0 式中： 0代表3.98º C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。

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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 ) 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

从环境工程的观点看，杂质在水中的存在形式有：悬 浮 (suspended) 、胶体( colloidal )和溶解( dissolved ) 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。

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至于细菌，则属于尺寸较小的悬浮固体，大小约 0.1~1.0 m 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，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。 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( Tyndall )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 90 度的地方，胶体颗粒反射光线的程度，表 示为浊度(turbidity)。采用浊度单位(TU)来表示水的 浊度。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。 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。

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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 3.5~10 m之间，属于胶体颗粒的范围。 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：

质量浓度( mg/L ),质量分数( % ),摩尔浓度 (mol/L)。 当量质量 = 摩尔质量 除以 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。

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浓度转换：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。 Solution:

(1)质量百分比 = 溶质质量/溶液质量 100% = 98/1098 = 8.9%; (2)质量浓度 = 溶质质量/溶液体积 = 98 103 /1 = 98 103 mg/L; (3)摩尔浓度 = 溶质摩尔数/溶液体积 = 1mol/1L = 1 mol/L =1M; (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。

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(4)化学反应

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。2 Ca 2 CO3 CaCO3

酸碱反应：HCl + NaOH NaCl + H2O 络合反应：形成中性络合物或离子络合物 Hg2+ + 2Cl- HgCl2; Al3+ + OH- Al(OH)n3-n 氧化还原反应：涉及到价数改变和电子转移。 Fe + 2H+ Fe2+ + H2

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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 = [A]a[B]b;[]表示摩尔浓度。通常将Ks 记为pKs; 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。

Example: AlPO4沉淀平衡时，水溶液中PO43-的浓度 是多少？AlPO4 Al3+ + PO43- (pKs = 22.0) 由Ks的定义得到： Ks = [Al3+][PO43-] = 10-22.0

根据的AlPO4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：[Al3+] = [PO43-] = 10-11.0 mol/L PO43-的摩尔质量为95g/mol,其质量浓度为：9.5 10-7mg/L。

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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1。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 浓度乘以活度系数即为活度。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HAc + NaAc是典型的缓冲溶液体系。 大气中CO2溶于水可按照下式反应：

CO2(g) CO2, solution +H2O H2CO3 2H+ + CO32因此，具有天然的缓冲能力。 CO2, solution 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。

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CO2(g)

CO2, solution的平衡关系由Henry定律确定：

P i HiC i

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)。CO2水溶液的Henry系数为：15 1.24 20 1.44 25 1.66 30 1.88 35 2.12 40 2.36 45 2.60 50 2.87 60 3.46\

10 0 C 5 0.738 0.888 1.05

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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。

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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 之和，再减去氢离子浓度所得到的值。

当水中碱度主要为碳酸盐时，可消耗H+的碱度 为：碱度 = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] - [H+]

式中对应浓度的单位[]为mol/L。在大多数天然 水体中(pH = 6~8),[OH-]和[H+]均可忽略不 计，因此有：碱度 = [HCO3-] + 2[CO32-] 。

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H2CO3 HCO3- + H+ ;pKa1 = 6.35 HCO3- CO32- + H+;pKa2 = 10.33 从pKa值可以得到一些有用的关系： (1)pH < 4.5时，几乎所有的碳酸盐均以H2CO3 形式存在，所以碱度为负值 …… 此处隐藏：3390字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……