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(因为只有H+存在); (2)当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，几乎所有碳酸盐均以CO32形式存在，因此碱度等于2[CO32-] + [OH-] ,此时 [OH-] 不能忽略。

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根据碱度= 2[CO32-] + [OH-] 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。碱性水 与 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 + H+ Na+ + HAc; HAc + OH- Ac- + H2O 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： 碱度(mg/L CaCO3) = (mg/L) (CaCO3与该化合物的当 量质量之比)

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Example: 水中含有100.0mg/L的CO32-,75mg/L的HCO3-, pH=10 。试计算其“准确”碱度和“近似”碱度(忽略 [OH-]和[H+])。Solution: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=6

0, 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

pH=10时， [OH-]和[H+]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。

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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 CaCO3 OH-:1.7 (50/17) = 5.0 mg/L CaCO3 由此，精确碱度=[61.5+166.7+ 5 10-6+5.0]= 233.2 mg/L CaCO3; 近似碱度= 61.5+166.7 = 228.2 mg/L CaCO3。 因此，近似碱度与精确碱度的误差只有2.2%。

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反应动力学介绍环境中发生的许多反应，并不会很快达到平衡，如水中 有机物的去除过程等。反应动力学就是研究这些反应是 如何进行的。反应速率(r)用来描述某种化合物的生成 或消失速率。如果反应发生在单相中(气、液或固相), 则称为均相反应；如果发生在两相界面，则称为非均相 反应。反应速率为正，表示该物质生成；反应速率为负， 表示该物质消失。反应速率是温度、压力和反应物浓度 的函数。 aA + bB cC 化合物A的浓度变化等于化合物A的反应速率d [ A] rA k[ A] [ B] k[C ] dt

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如果aA + bB cC为基元反应，则 , , 分别等于其计 量系数a,b和c。d [ A] rA k[ A]a [ B]b k[C ]c dt

总反应速率与各组分的反应速率的关系为：

rA rB rC r a b c

利用实际测得的反应物浓度随时间变化的数据作图，可 以确定速率常数k。

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利用积分方法确定反应级数的作图步骤：d [ A] rA k[ A]a dt

反应级数 速率方程

积分式[ A] [ A] 0 kt

线性作图 斜率 [A]~t -k

截距[ A] 0

0d [ A] k dt

1

d [ A] k [ A] dt

ln

[ A] kt [ A] 0

ln[A]~t

-k

ln[A] 0

2

d [ A] k[ A] 2 1 1 kt dt [ A] [ A] 0

1 ~t [ A]

k

1 [ A] 0

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水质：饮用水的水质从四个方面描述： 物理性质：通常与水的外观有关，如色度、浊度、温度、特别 是嗅和味。 化学性质：通过一些可以观察到的反应来确认，如比较硬水与 软水在洗衣过程产生的现象。主要包括：氯化物、氟化物、铁、 铅、锰钠、硫酸盐、锌、毒性无机物(主要包括硝酸盐、氰化 物和重金属)和毒性有机物(主要包括杀虫剂、农药与溶剂)。 微生物学性质：与公共健康有着非常重要的关系。可以致病的 微生物种类包括：病毒、细菌和原生动物。 放射性：在水源有可能与放射性物质接触的地区，放射性因素 必须考虑。

水的分类与处理系统按来源，自来水可以分为地下水和地表水两类。

根据来源，地 下水又可分为深井水和浅井水；按照水源来自湖泊、水库或者 河流，对地表水也可进一步划分。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ra3i.html