天然水的緩沖能力

1、精品課件1 （3 3）天然水的緩沖能力）天然水的緩沖能力 緩沖溶液能夠抵御外界的影響，使其組分保持一定的穩(wěn)定性，pH緩沖溶液 能夠在一定程度上保持pH不變化。 天然水體的pH值一般在6-9之間，而且對于某一水體，其pH幾乎保持不變， 這表明天然水體具有一定的緩沖能力，是一個緩沖體系。 一般認為各種碳酸鹽化合物是控制水體pH值的主要因素，并使水體具有緩 沖作用。但最近研究表明，水體與周圍環(huán)境之間發(fā)生的多種物理、化學(xué)和 生物化學(xué)反應(yīng)，對水體的pH值也有著重要作用。 但無論如何，碳酸化合物仍是水體緩沖作用的重要因素。因而，人們時常 根據(jù)它的存在情況來估算水體的緩沖能力。 對于碳酸水體系，當pH8.3

2、時，可以只考慮一級碳酸平衡，故其pH值可由 下式確定： 精品課件2 如果向水體投入B量的堿性廢水時，相應(yīng)由B量H2CO3*轉(zhuǎn)化為HCO3-，水 體pH升高為pH,則： 水體中pH變化為pH=pH-pH，即： lg 3 * 32 1 HCO COH pKpH BHCO BCOH pKpH lg 3 * 32 1 由于通常情況下，在天然水體中，pH=7左右，對堿度貢獻的主要物質(zhì)就 是HCO3-，因此經(jīng)常情況下，可以把HCO3-作為堿度。若把HCO3-作為水的 堿度，H2CO3*作為水中游離碳酸CO2，就可推出： B=堿度10pH-1/(1+K110pH+pH) pH即為相應(yīng)改變的pH值。 * 23

3、23 33 lglg H COBH CO pH HCOBHCO 精品課件3 在投入酸量A時，只要把pH作為負值，A=-B,也 可以進行類似計算。 舉例舉例：在一個pH為6.5、堿度為1.6mmol/L的水體中，用 NaOH進行堿化，需多少堿能使pH上升至8.0? 解：pH=8-6.5=1.5, pH=6.5, 堿度=1.6mmol/L 所以B=堿度10pH-1/(1+K110pH+pH) =1.6（101.5-1）/(1+10-6.35106.5+1.5) =1.6（101.5-1）/45.668 =1.08 mmol/L 精品課件4 許多化學(xué)和生物反應(yīng)都屬于酸堿化學(xué)的范疇，以化學(xué)、生物化學(xué)等

4、學(xué)科為 基礎(chǔ)的環(huán)境化 學(xué)也自然要經(jīng)常需要應(yīng)用酸堿化學(xué)的理論。 酸堿無時無刻都存在于我們的身邊，食醋、蘇打以及小蘇打等都是生活中 最常見的酸和堿，一些學(xué)者認為弱堿性的水更有利于人類的健康。 酸堿反應(yīng)一般能在瞬間完成，pH值是體系中最為重要的參數(shù)，決定著體系 內(nèi)各組分的 相對濃度。在與沉積物的生成、轉(zhuǎn)化及溶解等過程有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)中，pH 值往往能決定轉(zhuǎn)化過程的方向。 天然水體pH值一般在69的范圍內(nèi)，所以在水和廢水處理過程中，水體酸 堿度的觀測是一個首先必須考慮的指標之一。 在天然水環(huán)境中重要的一元酸堿體系一元酸堿體系有HCN-CN、NH4+NH3等，二元酸堿二元酸堿 體系體系有H2S-HSS2、

5、H2SO3HSO3SO32、H2CO3HCO3CO32等，三元三元 酸堿體系酸堿體系有：H3PO4H2PO4HPO42PO43等。 精品課件5 酸堿質(zhì)子理論酸堿質(zhì)子理論 事物都有其認識和發(fā)展的過程，酸堿化學(xué)基礎(chǔ)理論亦如此。在酸堿化 學(xué)理論發(fā)展過程中存在著如下的幾種理論：酸堿電離理論、質(zhì)子理論。 電離理論至今仍普遍應(yīng)用于水環(huán)境化學(xué)的領(lǐng)域中，但由于電離理論把酸和 堿只限于水溶液，又把堿限制為氫氧化物等，使得該理論對于一些現(xiàn)象不 能夠很好的解釋。 由Brosted和Lowry于1923年提出的酸堿質(zhì)子論是各種酸堿理論中較適于水 化學(xué)的一種理論。根據(jù)質(zhì)子酸和質(zhì)子堿的定義：凡是能釋放出質(zhì)子的任何 含氫原

6、子的物質(zhì)都是酸，而任何能與質(zhì)子結(jié)合的物質(zhì)都是堿。例如，在下 列反應(yīng)中 HF+H2OH3O+F 當反應(yīng)自左向右進行時，HF起酸的作用(是質(zhì)子的給予體)，H2O起堿 的作用(質(zhì)子的受體)。如果上述反應(yīng)逆向進行，則應(yīng)將H3O+視為 精品課件6 酸，F(xiàn)則為堿。HF-F和H2OH3O+實質(zhì)上是兩對共軛酸堿體。而在下 列酸堿反應(yīng)中 H2O+NH3OH+NH4+ 當反應(yīng)自左向右進行時，H2O起了酸的作用(是質(zhì)子的給予體)，NH3 起堿的作用(是質(zhì)子的受體)。如果上述反應(yīng)逆向進行，則應(yīng)將NH4+視為 酸，OH則為堿。NH3NH4+實質(zhì)上是一對共軛酸堿體。 上面兩反應(yīng)寫成一般形式，可以表達為 酸1+堿2堿1+酸

7、2 從酸堿質(zhì)子理論看來，任何酸堿反應(yīng)，如中和、電離、水解等都是 兩個共軛酸堿對之間的質(zhì)子傳遞反應(yīng)。 精品課件7 酸和堿的強度酸和堿的強度 醋酸CH3COOH(簡稱HAc)是典型的一元酸，HAc水溶液體系中存在著如下的離解 反應(yīng)平衡，其電離平衡反應(yīng)為： HAc+H2OH3O+Ac ， ，Ka稱為酸平衡常數(shù)。 已經(jīng)離解的HAc的百分數(shù)，稱為弱酸的電離度，常以表示。如果以HAc表示 HAc的原始濃度，以Ac表示已離解HAc的濃度，則定義為：= 100%。 以氨的水溶液作為一元弱堿的例子進行簡要介紹，氨的水溶液中存在著如下的 電離平衡反應(yīng)，其電離平衡反應(yīng)為： NH3+H2ONH4+OH， ，Kb稱為堿

8、平衡常數(shù)。 3 HAc AcOH Ka HAc Ac 3 4 NH OHNH Kb 精品課件8 需要說明的是，準確的酸堿平衡常數(shù)要靠活度計算，但是在一般的 稀溶液中，基本上可以用濃度來代替。 堿的強弱分別采用酸電離常數(shù)Ka和堿電離常數(shù)Kb來表達。用通 式表示為： HA+H2OH3O+A A+ H2OHA+OH A OHHA K b 3 HA AOH Ka 為應(yīng)用方便，一般采用pKa，pKb來表示酸堿電離常數(shù)：pKa=lgKa，pKb=lgKb Ka數(shù)值越大或pKa數(shù)值越小，表明HA的酸性越強。Kb數(shù)值越大或pKb數(shù)值越 小表明A的堿性越強。一般規(guī)定pKa0.8者為強酸，pKbK2，HS電離程度

9、要比H2S小的多，水的電離也很小，所以可以近 似得出： xy，x-yx,xz,x+y+zx,所以由（1）可以得到 x2/(0.2-x)= 1.32 1.321010-7 -7,所以x= H3O+= 1.6 1.61010-4 -4mol/L,pH=3.8 mol/L,pH=3.8 由（2）可以得到xy/x=7.17.11010-15 -15所以y= S2-=7.1 7.11010-15 -15mol/L mol/L 由（3）可以得到xz=1.01.01010-14 -14所以z=OH-=6.3 6.31010-11 -11mol/L mol/L 精品課件12 （5 5）酸堿化學(xué)理論在水處理中的

10、應(yīng)用）酸堿化學(xué)理論在水處理中的應(yīng)用 工業(yè)廢水帶有很多酸堿性物質(zhì)，這些廢水如果直接排放，就會腐蝕 管道，損害農(nóng)作物、魚類等水生生物、危害人體健康，因此處理至 符合排放標準后才能排放。酸性廢水主要來自鋼鐵廠、電鍍廠、化 工廠和礦山等，堿性廢水主要來自造紙廠、印染廠和化工廠等，在 處理過程中除了將廢水中和至中性pH值外，還同時考慮回收利用或 將水中重金屬形成氫氧化物沉淀除去除。 對于酸性廢水，中和的藥劑有石灰、苛性鈉、碳酸鈉、石灰石、電 石渣、鍋爐灰和水軟化站廢渣等。例如，德國對含有1硫酸和1- 2硫酸亞鐵的鋼鐵酸洗廢液，先經(jīng)石灰漿處理到pH=9-10，然后進 行曝氣以幫助氫氧化亞鐵氧化成氫氧化鐵沉

11、淀，經(jīng)過沉降，上層清 液再加酸調(diào)pH值至7-8，使水可以重復(fù)使用。 對于堿性廢水，可采用酸堿廢水相互中和、加酸中和或煙道氣中和 的方法處理，因為煙道氣中含有CO2，SO2，H2S等酸性氣體，故利用 煙道氣中和堿性廢水是一種經(jīng)濟有效的方法。例如，印染 精品課件13 廢水(一般堿性)常采用加酸的方法處理。常用的酸有硫酸和鹽酸，其 中工業(yè)硫酸價格較低，應(yīng)用較多。 在用強酸中和堿性廢水時，當水的緩沖強度較小時，pH難于控制，英 國采用CO2取代工業(yè)硫酸，取得很好的效果。在造紙、化工、紡織和食品 行業(yè)等許多工藝過程中，會產(chǎn)生堿性的廢液。英國傳統(tǒng)上用無機酸(如 硫酸和鹽酸)中和，符合排入河流及下水道的要求

12、(pH值的允放范圍為5- 9)，然而，這類無機酸的酸性強，難以進行嚴密的工藝管理。不能保證 有效穩(wěn)定運行。使用二氧化碳調(diào)節(jié)廢水的pH值，目前尚未被人們廣泛認 識，但將會逐漸普及。二氧化碳的費用較無機酸更為低廉，還有許多優(yōu) 點：安全、靈活、可靠、易操作和便于工藝管理。主要包括以下幾方面。 安全安全 CO2與無機酸相比危險性低，腐蝕性小。不需設(shè)置隔離墻、眼睛 沖洗及其他安全沖洗站，而且液態(tài)CO2不易泄漏。CO2的另一個優(yōu)點是大 量超劑量不會造成災(zāi)害。但需有良好的通風(fēng)條件。 精品課件14 操作簡便操作簡便 CO2能自動地從儲藏容器中分布到各注入點。它不同 于無機酸，在使用前不需稀釋。 改善工藝流程改

13、善工藝流程 使用CO2中和時，pH值曲線變化緩慢，與之相反， 用H2S04中和時曲線在pH=10-7迅速下降(幾乎為垂直)。這是無機酸 的特點，因為它破壞了水的自然緩沖能力?？梢娪脽o機酸準確地控 制pH值通常是困難的，而用CO2可以使pH值下降速率達到較平穩(wěn)的 狀態(tài)。 設(shè)備效率高設(shè)備效率高 因為CO2系統(tǒng)可移動部件少，不用計量泵，維修方 便，可靠性也高。氣態(tài)CO2無腐蝕性，所以該系統(tǒng)可長期穩(wěn)定地運 轉(zhuǎn)。 有利于環(huán)境有利于環(huán)境 在水中，CO2由植物、魚類等呼吸作用產(chǎn)生，僅對 水的酸度產(chǎn)生影響。它不增加對環(huán)境有額外影響的陰子，如SO42-、 Cl-等。 費用低費用低 商品CO2不是制造的，而是從廢

14、氣中獲得的，而是一種 精品課件15 較純的可循環(huán)的產(chǎn)品。而無機酸如商品H2S04按質(zhì)量計有效成分一 般為77-98，HCl為3336。CO2在英國的價格大約與硫酸相 同。由于CO2消耗量低，具有節(jié)約開支的潛力。 4 4、天然水的水質(zhì)、天然水的水質(zhì) 水質(zhì)指標水質(zhì)指標 l水質(zhì)、水量和水能是度量水資源可利用價值的三個重要指標。 對于環(huán)境化學(xué)的研究，水質(zhì)指標是最重要的。水質(zhì)指標水質(zhì)指標指水樣中除水 分子外所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量或濃度。 天然水(也兼及各種用水、廢水)的水質(zhì)指標，可分為物理、化學(xué)、生 物、放射性四大類。 物理指標：水溫，pH值、色度、濁度、懸浮物 化學(xué)指標：硫酸鹽、氯化物、總鐵(TFe)、

15、總砷(TAs)、總鋅(TZn)、 總氮(TN)、總磷（TP）、總鉛（TPb）、總氰化物 精品課件16 （TCN）、溶解氧、電導(dǎo)率、硬度、堿度、CODMn(高錳酸鹽法)、CODcr （重鉻酸鉀法）、BOD5、BOD20、TOD(總需氧量)、TOC。 生物指標：細菌總數(shù)、藻類、總大腸桿菌。 放射性指標：放射性物質(zhì)濃度水平（60Co（鈷）、90Sr（鍶）、106Rn （氡）、137Cs(銫)）?？偡派湫裕˙q/L）、總放射性（Bq/L） 水質(zhì)標準水質(zhì)標準 目前我國有地表水環(huán)境質(zhì)量標準、地下水環(huán)境質(zhì)量標準、 海水環(huán)境質(zhì)量標準、生活飲用水衛(wèi)生標準、景觀娛樂用水水 質(zhì)標準、農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準、漁業(yè)水質(zhì)標準、

16、飲用天然礦 泉水標準、污水綜合排放標準。 需要了解一下地面水環(huán)境質(zhì)量標準中的分類 類：類：適用于源頭水、國家自然保護區(qū)； 精品課件17 類：類：適用于集中式生活飲用水水源地一級保護區(qū)、珍貴魚類保 護區(qū)、魚蝦產(chǎn)卵場； 類：類：適用于集中式生活飲用水水源地二級保護區(qū)、一般魚類保 護區(qū)及游泳區(qū)； 類：類：適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)； 類：類：適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。 精品課件18 三、水體污染和自凈三、水體污染和自凈 1 1、水體污染與自凈、水體污染與自凈 水體污染水體污染 由于人類活動排放的污染物進入河流、湖泊、海洋或地 下水等水體，使水和水體底泥的物理、化學(xué)性質(zhì)

17、或生物群落組成發(fā)生 變化，從而降低了水體的使用價值，這種現(xiàn)象稱為水體污染。 水體自凈水體自凈 指受污染的水體由于物理、化學(xué)、生物等方面的作用， 使污染物濃度逐漸降低，經(jīng)一段時間后恢復(fù)到受污染前狀態(tài)的過程。 自凈作用自凈作用： 物理自凈物理自凈 污染物進入水體后，可沉性固體逐漸沉至水底形成污泥， 懸浮物、膠體和性污染物則因混合稀釋而逐漸降低濃度。 精品課件19 化學(xué)自凈化學(xué)自凈 污染物進入水體后經(jīng)絡(luò)合、氧化還原、沉淀反應(yīng) 等而得到凈化。 生物自凈生物自凈 在生物的作用下，污染物的數(shù)量減少，濃度下降， 毒性減輕或消失. 水體中的污染物水體中的污染物 水體污染包括無機和有機有毒物質(zhì)、耗氧有 機物、石

18、油類、放射性物質(zhì)、熱污染以及病原微生物等。 病原體污染物病原體污染物 生活污水、畜禽飼養(yǎng)場污水以及制革、洗毛、 屠宰業(yè)和醫(yī)院等排出的廢水，常含有各種病原體，如病毒、病 菌、寄生蟲。病原體污染的特點病原體污染的特點 （1）數(shù)量大，（2）分布廣， （3）存活時間較長，（4）繁殖速度快，（5）易產(chǎn)生抗藥性， 很難絕滅，（6）傳統(tǒng)的二級生化污水處理及加氯消毒后，某些 病原微生物、病毒仍能大量存活。 耗氧污染物耗氧污染物 耗氧有機物濃度常用單位體積水中耗氧物質(zhì)生 化分解過程所消耗的氧量表示，即以生化需氧量(BOD5)表示。 精品課件20 植物營養(yǎng)物植物營養(yǎng)物 植物營養(yǎng)物主要指氮、磷等能刺激藻類及水草生

19、長、干擾水質(zhì)凈化，使BOD5升高的物質(zhì)。富營養(yǎng)化富營養(yǎng)化 是指在人類 活動的影響下，生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入湖泊、河 口、海灣等緩流水體，引起藻類及其它浮游生物迅速繁殖，水體 溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，魚類及其它生物大量死亡的現(xiàn)象。 有毒污染物質(zhì)有毒污染物質(zhì) 是是指進入生物體后累積到一定數(shù)量能使體液和 組織發(fā)生生化和生理功能的變化，引起暫時或特久的病理狀態(tài)， 甚至危及生命的物質(zhì)。有毒污染物類型：有毒污染物類型：（1）重金屬（2）無機 陰離子 （3）致癌有機物質(zhì)（4）一般有機物質(zhì) 石油污染石油污染 石油是烷烴、烯烴和芳香烴混合物。石油污染物主 要來自工業(yè)排放，清洗石油運輸船只的船艙、機件

20、及發(fā)生意外事 故，海上采油等均可造成石油污染。 精品課件21 放射性污染物放射性污染物 放射性污染是由放射性物質(zhì)進入水體造成。 放射性污染物主要來源于核動力工廠排出的冷卻水，向海洋 投棄的放射性廢物，核爆炸降落到水體的散落物，核動力船 舶事故泄漏的核燃料；開采、提煉和使用放射性物質(zhì)時，如 果處理不當，也會造成放射性污染。 酸、堿、鹽無機物污染：熱污染酸、堿、鹽無機物污染：熱污染 熱污染是一種能量污 染，是由工礦企業(yè)向水體排放高溫廢水造成。水環(huán)境中污染 物，總體上可劃分為金屬污染物和有機污染物兩大類。 精品課件22 思考題思考題 1、從一家石灰窯廠排放的廢水中含有氫氧化鈣，pH=11.0，現(xiàn)在通入 酸性的二氧化碳煙道氣進行處理，使其中的Ca(O