北京大学环境工程概论_第二章_水处理-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密度：单位体积物质的质量—质量密度（massdensity）比重：单位体积的重量（specificweight）。相对质量密度：S=/0=/0式中：0代表3.98ºC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。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（dynamicviscosity）或绝对粘度（absoluteviscosity），，单位：PaS。（2）运动粘度（kinematicviscosity）：=/。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。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（glassfiberfilterdisc）分离的固体颗粒，称为悬浮颗粒，也称为可过滤颗粒（filterablesolids）。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。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。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103mg/L;（3）摩尔浓度=溶质摩尔数/溶液体积=1mol/1L=1mol/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。（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。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3232CaCOCOCa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=-lgKs。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-]=10-11.0mol/LPO43-的摩尔质量为95g/mol，其质量浓度为：9.510-7mg/L。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（activitycoefficient）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。CO2(g)CO2,solution的平衡关系由Henry定律确定：当总压不高时（不超过5105Pa），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：iiiCHP0C5101520253035404550600.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46\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。碱度：当溶液的pH值降低到4.5时，所有可滴定碱（titratablebase）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-]。H2CO3HCO3-+H+；pKa1=6.35HCO3-CO32-+H+；pKa2=10.33从pKa值可以得到一些有用的关系：（1）pH4.5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pH8.3时，大部分碳酸盐以HCO3-形式存在，因此碱度等于[HCO3-]；（3）当pH12.3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。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/LCaCO3表示。为了将单位转换成mg/LCaCO3，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/LCaCO3)=(mg/L)（CaCO3与该化合物的当量质量之比）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/LCaCO3。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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。利用转化式以及碳酸钙的当量质量，将单位转换成mg/LCaCO3：CO32-：100(50/30)=166.7mg/LCaCO3;HCO3-：75(50/61)=61.5mg/LCaCO3;H+：10-7(50/1)=510-6mg/LCaCO3OH-：1.7(50/17)=5.0mg/LCaCO3由此，精确碱度=[61.5+166.7+510-6+5.0]=233.2mg/LCaCO3;近似碱度=61.5+166.7=228.2mg/LCaCO3。因此，近似碱度与精确碱度的误差只有2.2%。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][][][][CkBAkrdtAdA如果aA+bBcC为基元反应，则，，分别等于其计量系数a，b和c。总反应速率与各组分的反应速率的关系为：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。cbaACkBAkrdtAd][][][][crbrarrCBA利用积分方法确定反应级数的作图步骤：反应级数速率方程积分式线性作图斜率截距0kdtAd][ktAA0][][[A]~t-k0][A1][][AkdtAdktAA0][][lnln[A]~t-k0]ln[A22][][AkdtAdktAA0][1][1tA~][1k0][1AaAAkrdtAd][][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。2.2混凝处理地表水需要除去色度、浊度和细菌。单独事业沙滤不能生产出清洁的水。直接过