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）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沉淀反应。酸碱反应酸碱反应：HCl+NaOHNaCl+H2O络合反应络合反应：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：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.