天然水的缓冲能力课件培训讲学.ppt

（3 3）天然水的缓冲能力）天然水的缓冲能力缓缓冲冲溶溶液液能能够够抵抵御御外外界界的的影影响响，使使其其组组分分保保持持一一定定的的稳稳定定性性，pHpH缓缓冲冲溶溶液液能能够够在一定程度上保持在一定程度上保持pHpH不变化。不变化。天天然然水水体体的的pHpH值值一一般般在在6-96-9之之间间，而而且且对对于于某某一一水水体体，其其pHpH几几乎乎保保持持不不变变，这这表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。一一般般认认为为各各种种碳碳酸酸盐盐化化合合物物是是控控制制水水体体pHpH值值的的主主要要(zhyo)(zhyo)因因素素，并并使使水水体体具具有有缓缓冲冲作作用用。但但最最近近研研究究表表明明，水水体体与与周周围围环环境境之之间间发发生生的的多多种种物物理理、化化学学和和生物化学反应，对水体的生物化学反应，对水体的pHpH值也有着重要作用。值也有着重要作用。但但无无论论如如何何，碳碳酸酸化化合合物物仍仍是是水水体体缓缓冲冲作作用用的的重重要要因因素素。因因而而，人人们们时时常常根根据据它的存在情况来估算水体的缓冲能力。它的存在情况来估算水体的缓冲能力。对对于于碳碳酸酸水水体体系系，当当pH8.3pH8.3时时，可可以以只只考考虑虑一一级级碳碳酸酸平平衡衡，故故其其pHpH值值可可由由下下式式确定：确定：第一页，共23页。如果向水体投入(tur)B量的碱性废水时，相应由B量H2CO3*转化为HCO3-，水体pH升高为pH,则：水体中pH变化为pH=pH-pH，即：由于通常情况下，在天然水体中，pH=7左右，对碱度贡献的主要物质(wzh)就是HCO3-，因此经常情况下，可以把HCO3-作为碱度。若把HCO3-作为水的碱度，H2CO3*作为水中游离碳酸CO2，就可推出：B=碱度10pH-1/(1+K110pH+pH)pH即为相应改变的pH值。第二页，共23页。在投入酸量A时，只要把pH作为负值，A=-B,也可以进行类似计算。举例：在一个pH为6.5、碱度为1.6mmol/L的水体中，用NaOH进行碱化，需多少(dusho)碱能使pH上升至8.0?解：pH=8-6.5=1.5,pH=6.5,碱度=1.6mmol/L所以B=碱度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第三页，共23页。许多化学和生物反应都属于酸碱化学的范畴，以化学、生物化学等学科为基础的环境化学也自然要经常需要应用酸碱化学的理论。酸碱无时无刻都存在于我们的身边，食醋、苏打以及小苏打等都是生活中最常见的酸和碱，一些学者认为弱碱性的水更有利于人类的健康。酸碱反应一般能在瞬间完成，pH值是体系中最为重要的参数，决定着体系内各组分的相对浓度。在与沉积物的生成、转化及溶解(rngji)等过程有关的化学反应中，pH值往往能决定转化过程的方向。天然水体pH值一般在69的范围内，所以在水和废水处理过程中，水体酸碱度的观测是一个首先必须考虑的指标之一。在天然水环境中重要的一元酸碱体系有HCN-CN、NH4+NH3等，二元酸碱体系有H2S-HSS2、H2SO3HSO3SO32、H2CO3HCO3CO32等，三元酸碱体系有：H3PO4H2PO4HPO42PO43等。第四页，共23页。酸碱质子理论酸碱质子理论 事事物物都都有有其其认认识识和和发发展展的的过过程程，酸酸碱碱化化学学基基础础理理论论亦亦如如此此。在在酸酸碱碱化化学学理理论发展过程中存在着如下的几种理论：酸碱电离理论、质子理论。论发展过程中存在着如下的几种理论：酸碱电离理论、质子理论。电电离离理理论论至至今今仍仍普普遍遍应应用用(yngyng)(yngyng)于于水水环环境境化化学学的的领领域域中中，但但由由于于电电离离理理论论把把酸酸和和碱碱只只限限于于水水溶溶液液，又又把把碱碱限限制制为为氢氢氧氧化化物物等等，使使得得该该理理论论对对于于一一些些现现象象不能够很好的解释。不能够很好的解释。由由BrostedBrosted和和LowryLowry于于19231923年年提提出出的的酸酸碱碱质质子子论论是是各各种种酸酸碱碱理理论论中中较较适适于于水水化化学学的的一一种种理理论论。根根据据质质子子酸酸和和质质子子碱碱的的定定义义：凡凡是是能能释释放放出出质质子子的的任任何何含含氢氢原原子子的物质都是酸，而任何能与质子结合的物质都是碱。例如，在下列反应中的物质都是酸，而任何能与质子结合的物质都是碱。例如，在下列反应中 HF+H2OH3O+F HF+H2OH3O+F 当当反反应应自自左左向向右右进进行行时时，HFHF起起酸酸的的作作用用(是是质质子子的的给给予予体体)，H2OH2O起起碱碱的的作用作用(质子的受体质子的受体)。如果上述反应逆向进行，则应将。如果上述反应逆向进行，则应将H3O+H3O+视为视为第五页，共23页。酸，F则为碱。HF-F和H2OH3O+实质上是两对共轭酸碱体。而在下列(xili)酸碱反应中 H2O+NH3OH+NH4+当反应自左向右进行时，H2O起了酸的作用(是质子的给予体)，NH3起碱的作用(是质子的受体)。如果上述反应逆向进行，则应将NH4+视为酸，OH则为碱。NH3NH4+实质上是一对共轭酸碱体。上面两反应写成一般形式，可以表达为 酸1+碱2碱1+酸2 从酸碱质子理论看来，任何酸碱反应，如中和、电离、水解等都是两个共轭酸碱对之间的质子传递反应。第六页，共23页。酸和碱的强度酸和碱的强度醋醋酸酸CH3COOH(CH3COOH(简简称称(jinchng)HAc)(jinchng)HAc)是是典典型型的的一一元元酸酸，HAcHAc水水溶溶液液体体系系中中存存在在着着如如下下的的离解离解反应平衡，其电离平衡反应为：反应平衡，其电离平衡反应为：HAc+H2OH3O+Ac HAc+H2OH3O+Ac，KaKa称为酸平衡常数。称为酸平衡常数。已经离解的已经离解的HAcHAc的百分数，称为弱酸的电离度，常以的百分数，称为弱酸的电离度，常以表示。如果以表示。如果以HAcHAc表示表示HAcHAc的原始浓度，以的原始浓度，以AcAc表示已离解表示已离解HAcHAc的浓度，则的浓度，则定义为：定义为：=100%100%。以氨的水溶液作为一元弱碱的例子进行简要介绍，氨的水溶液中存在着如下的以氨的水溶液作为一元弱碱的例子进行简要介绍，氨的水溶液中存在着如下的电离平衡反应，其电离平衡反应为：电离平衡反应，其电离平衡反应为：NH3+H2ONH4+OHNH3+H2ONH4+OH，KbKb称为碱平衡常数。称为碱平衡常数。第七页，共23页。需要说明的是，准确的酸碱平衡常数要靠活度计算，但是(dnsh)在一般的稀溶液中，基本上可以用浓度来代替。碱的强弱分别采用酸电离常数Ka和碱电离常数Kb来表达。用通式表示为：HA+H2OH3O+A A+H2OHA+OH 为应用方便，一般采用pKa，pKb来表示酸碱电离常数：pKa=lgKa，pKb=lgKb Ka数值越大或pKa数值越小，表明HA的酸性(sun xn)越强。Kb数值越大或pKb数值越小表明A的碱性越强。一般规定pKa0.8者为强酸，pKbK2，HS电离程度要比H2S小的多，水的电离也很小，所以可以近似(jn s)得出：xy，x-yx,xz,x+y+zx,所以由（1）可以得到x2/(0.2-x)=1.3210-7,所以x=H3O+=1.610-4mol/L,pH=3.8由（2）可以得到xy/x=7.110-15所以y=S2-=7.110-15mol/L由（3）可以得到xz=1.010-14所以z=OH-=6.310-11mol/L第十一页，共23页。（5 5）酸碱化学理论在水处理中的应用）酸碱化学理论在水处理中的应用工工业业废废水水带带有有很很多多酸酸碱碱性性物物质质，这这些些废废水水如如果果直直接接排排放放，就就会会腐腐蚀蚀管管道道，损损害害农农作作物物、鱼鱼类类等等水水生生生生物物、危危害害人人体体健健康康，因因此此处处理理至至符符合合排排放放标标准准(biozhn)(biozhn)后后才才能能排排放放。酸酸性性废废水水主主要要来来自自钢钢铁铁厂厂、电电镀镀厂厂、化化工工厂厂和和矿矿山山等等，碱碱性性废废水水主主要要来来自自造造纸纸厂厂、印印染染厂厂和和化化工工厂厂等等，在在处处理理过过程程中中除除了了将将废废水水中中和和至至中中性性pHpH值值外外，还还同同时时考考虑虑回收利用或将水中重金属形成氢氧化物沉淀除去除。回收利用或将水中重金属形成氢氧化物沉淀除去除。对对于于酸酸性性废废水水，中中和和的的药药剂剂有有石石灰灰、苛苛性性钠钠、碳碳酸酸钠钠、石石灰灰石石、电电石石渣渣、锅锅炉炉灰灰和和水水软软化化站站废废渣渣等等。例例如如，德德国国对对含含有有1 1硫硫酸酸和和1 1-2 2硫硫酸酸亚亚铁铁的的钢钢铁铁酸酸洗洗废废液液，先先经经石石灰灰浆浆处处理理到到pH=9-10pH=9-10，然然后后进进行行曝曝气气以以帮帮助助氢氢氧氧化化亚亚铁铁氧氧化化成成氢氢氧氧化化铁铁沉沉淀淀，经经过过沉沉降降，上上层层清清液再加酸调液再加酸调pHpH值至值至7-87-8，使水可以重复使用。，使水可以重复使用。对对于于碱碱性性废废水水，可可采采用用酸酸碱碱废废水水相相互互中中和和、加加酸酸中中和和或或烟烟道道气气中中和和的的方方法法处处理理，因因为为烟烟道道气气中中含含有有CO2CO2，SO2SO2，H2SH2S等等酸酸性性气气体体，故故利利用用烟道气中和碱性废水是一种经济有效的方法。例如，印染烟道气中和碱性废水是一种经济有效的方法。例如，印染第十二页，共23页。废水(一般碱性)常采用加酸的方法处理。常用的酸有硫酸和盐酸，其中工业硫酸价格较低，应用较多。在用强酸中和碱性废水时，当水的缓冲强度较小时，pH难于控制，英国采用CO2取代工业硫酸，取得很好的效果。在造纸、化工、纺织和食品行业等许多工艺过程中，会产生碱性的废液。英国传统上用无机酸(如硫酸和盐酸)中和，符合排入河流及下水道的要求(pH值的允放范围为5-9)，然而，这类无机酸的酸性强，难以进行严密的工艺管理。不能保证有效稳定(wndng)运行。使用二氧化碳调节废水的pH值，目前尚未被人们广泛认识，但将会逐渐普及。二氧化碳的费用较无机酸更为低廉，还有许多优点：安全、灵活、可靠、易操作和便于工艺管理。主要包括以下几方面。安全 CO2与无机酸相比危险性低，腐蚀性小。不需设置隔离墙、眼睛冲洗及其他安全冲洗站，而且液态CO2不易泄漏。CO2的另一个优点是大量超剂量不会造成灾害。但需有良好的通风条件。第十三页，共23页。操操作作简简便便 CO2CO2能能自自动动地地从从储储藏藏容容器器中中分分布布到到各各注注入入点点。它它不不同同于于无无机机酸酸，在使用前不需稀释。在使用前不需稀释。改改善善工工艺艺流流程程 使使用用CO2CO2中中和和时时，pHpH值值曲曲线线变变化化缓缓慢慢，与与之之相相反反，用用H2S04H2S04中中和和时时曲曲线线在在pH=10-7pH=10-7迅迅速速下下降降(几几乎乎为为垂垂直直)。这这是是无无机机酸酸的的特特点点，因因为为(yn(yn wi)wi)它它破破坏坏了了水水的的自自然然缓缓冲冲能能力力。可可见见用用无无机机酸酸准准确确地地控控制制pHpH值值通通常常是是困困难难的，而用的，而用CO2CO2可以使可以使pHpH值下降速率达到较平稳的状态。值下降速率达到较平稳的状态。设设备备效效率率高高 因因为为(yn(yn wi)CO2wi)CO2系系统统可可移移动动部部件件少少，不不用用计计量量泵泵，维维修修方方便，可靠性也高。气态便，可靠性也高。气态CO2CO2无腐蚀性，所以该系统可长期稳定地运转。无腐蚀性，所以该系统可长期稳定地运转。有有利利于于环环境境 在在水水中中，CO2CO2由由植植物物、鱼鱼类类等等呼呼吸吸作作用用产产生生，仅仅对对水水的的酸酸度度产产生影响。它不增加对环境有额外影响的阴子，如生影响。它不增加对环境有额外影响的阴子，如SO42-SO42-、Cl-Cl-等。等。费用低费用低 商品商品CO2CO2不是制造的，而是从废气中获得的，而是一种不是制造的，而是从废气中获得的，而是一种第十四页，共23页。较纯的可循环的产品。而无机酸如商品H2S04按质量计有效成分一般为77-98，HCl为3336。CO2在英国的价格大约(dyu)与硫酸相同。由于CO2消耗量低，具有节约开支的潜力。4、天然水的水质水质指标l水质、水量和水能是度量水资源可利用价值的三个重要指标。对于环境化学的研究，水质指标是最重要的。水质指标指水样中除水分子外所含杂质的种类和数量或浓度。天然水(也兼及各种用水、废水)的水质指标，可分为物理、化学、生物、放射性四大类。物理指标：水温，pH值、色度、浊度、悬浮物化学指标：硫酸盐、氯化物、总铁(TFe)、总砷(TAs)、总锌(TZn)、总氮(TN)、总磷（TP）、总铅（TPb）、总氰化物第十五页，共23页。（TCN）、溶解氧、电导率、硬度、碱度、CODMn(高锰酸盐法)、CODcr（重铬酸钾法）、BOD5、BOD20、TOD(总需氧量)、TOC。生物指标：细菌总数、藻类、总大肠杆菌。放射性指标：放射性物质浓度水平（60Co（钴）、90Sr（锶）、106Rn（氡）、137Cs(铯)）。总放射性（Bq/L）、总放射性（Bq/L）水质标准 目 前 我 国 有 地 表 水 环 境(hunjng)质 量 标 准 、地 下 水 环 境(hunjng)质量标准、海水环境(hunjng)质量标准、生活饮用水卫生标准、景观娱乐用水水质标准、农田灌溉水质标准、渔业水质标准、饮用天然矿泉水标准、污水综合排放标准。需要了解一下地面水环境(hunjng)质量标准中的分类类：适用于源头水、国家自然保护区；第十六页，共23页。类：适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保类：适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场；护区、鱼虾产卵场；类类：适适用用于于集集中中式式生生活活饮饮用用水水水水源源地地二二级级保保护护区区、一一般般鱼鱼类类保保护护区区及及游游泳区；泳区；类：适用于一般工业用水区及人体类：适用于一般工业用水区及人体(rnt)(rnt)非直接接触的娱乐用水区；非直接接触的娱乐用水区；类：适用于农业用水区及一般景观要求水域。类：适用于农业用水区及一般景观要求水域。第十七页，共23页。三、水体三、水体(shu t)(shu t)污染和自净污染和自净1 1、水体污染与自净、水体污染与自净水水体体污污染染 由由于于人人类类活活动动排排放放的的污污染染物物进进入入河河流流、湖湖泊泊、海海洋洋或或地地下下水水等等水水体体，使使水水和和水水体体底底泥泥的的物物理理、化化学学性性质质或或生生物物群群落落组组成成发发生生变变化化，从从而而降降低低了了水水体体的的使使用用价价值值，这这种种现现象称为水体污染。象称为水体污染。水水体体自自净净 指指受受污污染染的的水水体体由由于于物物理理、化化学学、生生物物等等方方面面的的作用，作用，使使污污染染物物浓浓度度逐逐渐渐(zhjin)(zhjin)降降低低，经经一一段段时时间间后后恢恢复复到到受受污染前状态的过程。污染前状态的过程。自净作用：自净作用：物物理理自自净净 污污染染物物进进入入水水体体后后，可可沉沉性性固固体体逐逐渐渐(zhjin)(zhjin)沉沉至至水水底底形形成成污污泥泥，悬悬浮浮物物、胶胶体体和和性性污污染染物物则则因因混混合合稀稀释释而逐渐而逐渐(zhjin)(zhjin)降低浓度。降低浓度。第十八页，共23页。化化学学自自净净 污污染染物物进进入入水水体体后后经经络络合合、氧氧化化还还原原、沉沉淀淀反反应应等而得到等而得到(d do)(d do)净化。净化。生生物物自自净净 在在生生物物的的作作用用下下，污污染染物物的的数数量量减减少少，浓浓度度下下降降，毒性减轻或消失毒性减轻或消失.水水体体中中的的污污染染物物 水水体体污污染染包包括括无无机机和和有有机机有有毒毒物物质质、耗耗氧氧有机物、石油类、放射性物质、热污染以及病原微生物等。有机物、石油类、放射性物质、热污染以及病原微生物等。病病原原体体污污染染物物 生生活活污污水水、畜畜禽禽饲饲养养场场污污水水以以及及制制革革、洗洗毛毛、屠屠宰宰业业和和医医院院等等排排出出的的废废水水，常常含含有有各各种种病病原原体体，如如病病毒毒、病病菌菌、寄寄生生虫虫。病病原原体体污污染染的的特特点点 （1 1）数数量量大大，（2 2）分分布布广广，（3 3）存存活活时时间间较较长长，（4 4）繁繁殖殖速速度度快快，（5 5）易易产产生生抗抗药药性性，很很难难绝绝灭灭，（6 6）传传统统的的二二级级生生化化污污水水处处理理及及加加氯氯消消毒毒后后，某某些些病原微生物、病毒仍能大量存活。病原微生物、病毒仍能大量存活。耗耗氧氧污污染染物物 耗耗氧氧有有机机物物浓浓度度常常用用单单位位体体积积水水中中耗耗氧氧物物质质生生化分解过程所消耗的氧量表示，即以生化需氧量化分解过程所消耗的氧量表示，即以生化需氧量(BOD5)(BOD5)表示。表示。第十九页，共23页。植植物物营营养养物物 植植物物营营养养物物主主要要(zhyo)(zhyo)指指氮氮、磷磷等等能能刺刺激激藻藻类类及及水水草草生生长长、干干扰扰水水质质净净化化，使使BOD5BOD5升升高高的的物物质质。富富营营养养化化 是是指指在在人人类类活活动动的的影影响响下下，生生物物所所需需的的氮氮、磷磷等等营营养养物物质质大大量量进进入入湖湖泊泊、河河口口、海海湾湾等等缓缓流流水水体体，引引起起藻藻类类及及其其它它浮浮游游生生物物迅迅速速繁繁殖殖，水水体体溶溶解解氧氧量量下下降降，水水质质恶恶化化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。鱼类及其它生物大量死亡的现象。有有毒毒污污染染物物质质 是是指指进进入入生生物物体体后后累累积积到到一一定定数数量量能能使使体体液液和和组组织织发发生生生生化化和和生生理理功功能能的的变变化化，引引起起暂暂时时或或特特久久的的病病理理状状态态，甚甚至至危危及及生生命命的的物物质质。有有毒毒污污染染物物类类型型：（1 1）重重金金属属（2 2）无无机机阴阴离离子子 （3 3）致致癌癌有有机机物物质质（4 4）一般有机物质）一般有机物质 石石油油污污染染 石石油油是是烷烷烃烃、烯烯烃烃和和芳芳香香烃烃混混合合物物。石石油油污污染染物物主主要要(zhyo)(zhyo)来来自自工工业业排排放放，清清洗洗石石油油运运输输船船只只的的船船舱舱、机机件件及及发发生生意意外外事事故故，海上采油等均可造成石油污染。海上采油等均可造成石油污染。第二十页，共23页。放放射射性性污污染染物物 放放射射性性污污染染是是由由放放射射性性物物质质进进入入水水体体造造成成。放放射射性性污污染染物物主主要要来来源源于于核核动动力力工工厂厂排排出出的的冷冷却却水水，向向海海洋洋投投弃弃的的放放射射性性废废物物，核核爆爆炸炸降降落落到到水水体体的的散散落落物物，核核动动力力船船舶舶事事故故泄泄漏漏的的核核燃燃料料；开开采采、提提炼炼和和使使用用放放射射性性物物质质时时，如如果处理不当，也会造成放射性污染。果处理不当，也会造成放射性污染。酸酸、碱碱、盐盐无无机机物物污污染染：热热污污染染 热热污污染染是是一一种种能能量量污污染染，是是由由工工矿矿企企业业向向水水体体排排放放高高温温废废水水(fishu)(fishu)造造成成。水水环环境境中中污污染染物物，总总体体上上可可划划分分为为金金属属污污染染物物和和有有机机污污染染物物两两大类。大类。第二十一页，共23页。思考题思考题1、从一家石灰窑厂排放的废水中含有氢氧化钙，pH=11.0，现在通入酸性的二氧化碳烟道气进行处理，使其中的Ca(OH)2全部转化为Ca(HCO3)2,则每吨废水需要多少的二氧化碳？2、为什么天然水具有一定的酸碱缓冲能力？推导天然水（考虑(kol)为 碳 酸 水 体 系，pH8.3）的 缓 冲 能 力 的 计 算 表 达 式：B=碱 度10pH-1/(1+K110pH+pH)。并利用该式计算在一个pH为6.5、碱度为1.6mmol/L的水体中，用NaOH进行碱化，需多少碱能使pH上升至8.0?（K1=10-6.35）3、什么是酸碱质子理论？列举几种天然水环境中常见的一元、二元、三元酸碱体系？以HF和NH3与水的反应为例，说明酸碱质子理论。4、在环境温度为25摄氏度条件下，含氨废水浓度为0.200mg/L，求该废水的OH-浓度、pH值和氨水的电离度。（已知氨在25摄氏度的离解常数是1.810-5）第二十二页，共23页。5、列举二氧化碳在废水处理调节(tioji)pH中的优点？6、水质指标的含义是什么？简述水体的主要四大类指标？我国目前的地表水环境质量标准中的五类水分别表示什么？7、若有水A，pH为7.5，其碱度为6.38mmol/L，水B的pH为9.0，碱度为O.80mmol/L，若以等体积混合，问混合后的pH值是多少?(p195，6)8、溶解1.0010-4mol/L的Fe(N03)3，于1L具有防止发生固体Fe(OH)3沉淀作用所需最小H+浓度的水中，假定溶液中仅形成Fe(OH)2+和Fe(OH)2+而没有形成Fe2(OH)24+。请计算平衡时该溶液中Fe3+、Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、H+和pH。（P195,7）（要求列出计算方程即可）第二十三页，共23页。