南京工業(yè)大學(xué)水質(zhì)科學(xué)概論課件2-第二章 水的特點(diǎn)

1、水質(zhì)科學(xué)概論水是人類社會(huì)生存和發(fā)展的重要資源，由于自然原因、人類不合理的開發(fā)活動(dòng)以及人類科技發(fā)展水平的制約，水質(zhì)惡化正威脅著人類的生存和社會(huì)進(jìn)步。本課程將在講解水質(zhì)科學(xué)的一些基本概念的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹工業(yè)用水處理、飲用水處理、污水處理、中水處理、地下水處理及其他非傳統(tǒng)水資源的利用技術(shù)，使學(xué)生能夠熟悉水質(zhì)科學(xué)專業(yè)所涉及的研究內(nèi)容，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下初步基礎(chǔ)。 南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程系劉志英qq:23656070第二章 水的特點(diǎn)1、水的物理化學(xué)性質(zhì)1.1 水的成分、特性1.2 水化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)2、天然水源的水質(zhì)概況2.1 天然水的成分2.2 天然水的化學(xué)特征2.

2、3 天然水源的水質(zhì)3、廢水的特點(diǎn)水分子模型圖水分子的電子云圖1.1 水的成分、特性1、水的物理、化學(xué)性質(zhì)如果按體積比，是含有兩份氫和一份氧；如果按其重量比，則含有11.11%的氫和88.89%的氧。水的氣態(tài)所具有的最簡單的化學(xué)式為H2O，在液態(tài)和固態(tài)狀態(tài)，則有單分子水H2O、雙分子（H2O）2與多分子水（H2O）n集聚在一起形成分子締合。在天然情況下，實(shí)際上是不存在絕對(duì)純凈的水。水的化學(xué)成分 溫度-體積效應(yīng)：在04 范圍內(nèi)不是熱脹冷縮，而是溫度升高，體積縮小，密度增大。在4（3.98）時(shí)，相對(duì)密度最大，為1.0；壓強(qiáng)對(duì)熔點(diǎn)的影響：冰融化時(shí)體積縮小，壓強(qiáng)增加時(shí)熔點(diǎn)就要降低。因?yàn)閴簭?qiáng)的增加會(huì)促使物

3、質(zhì)體積的縮小，這樣，有利于固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵虼藴囟炔槐厣叩皆瓉淼娜埸c(diǎn)冰就能融化。熱容量大：所有的液體和固體中，水的比熱容最大。因此，水可作為熱交換介質(zhì)，使用于冷卻、貯熱、輸熱等方面，天然水體可調(diào)節(jié)氣溫。水的特性 常溫附近可有三相變化，在0100內(nèi)可出現(xiàn)固、液、氣三相變化表面張力大：液體中除汞外，水的表面張力最大，由此產(chǎn)生毛細(xì)、潤濕、吸附等一系列界面物理 化學(xué)現(xiàn)象。溶解及反應(yīng)能力極強(qiáng)：水是重要的溶劑，許多溶質(zhì)不但在水中有很大的溶解度，而且有最大的電離度。在水溶液中可以進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)，水本身也參與多種反應(yīng)，并可起催化作用。純水導(dǎo)電性差水的特性 如鹽類的水解、以及多種氧化物與水反應(yīng)如鹽類的水解、

4、以及多種氧化物與水反應(yīng)生成酸和堿，水化物廣泛存在于晶體及溶生成酸和堿，水化物廣泛存在于晶體及溶液中。液中。由于水分子的極性強(qiáng)，容易同其他物質(zhì)生由于水分子的極性強(qiáng)，容易同其他物質(zhì)生成氫鍵，產(chǎn)生水合作用的緣故，所以水是成氫鍵，產(chǎn)生水合作用的緣故，所以水是優(yōu)良的溶解劑優(yōu)良的溶解劑 水的導(dǎo)電作用 水是一種弱電解質(zhì)，當(dāng)水中沒有任何雜質(zhì)時(shí)，水體中只有水分子H2O及電離出來極少量的H+和OH-，因此純水也具有導(dǎo)電能力。隨著水中各種離子的增多，水的導(dǎo)電能力也增大，下表為在20時(shí)不同水質(zhì)的電導(dǎo)率。 不同水質(zhì)的電導(dǎo)率不同水質(zhì)的電導(dǎo)率(20)(20) 由上表可知，衡量水的凈化程度，通常都采用電導(dǎo)率來表示，因?yàn)樗菧y(cè)

5、量方便、實(shí)用性強(qiáng)的指標(biāo)。 純凈水的電導(dǎo)率不僅受含鹽量影響，而且受水的溫度及水在大氣中放置時(shí)間長短的影響，如下表所示。 水溫與水的電導(dǎo)率的關(guān)系水溫與水的電導(dǎo)率的關(guān)系 水和大氣接觸時(shí)間與電導(dǎo)率的關(guān)系水和大氣接觸時(shí)間與電導(dǎo)率的關(guān)系 (因空氣中CO2等氣體的溶入)1.2 水化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ) 水的離子積與pH值 水的離子積：Kw=H+OH-=1.0010-14 水中很多的化學(xué)反應(yīng)受值影響，值是由水中酸和堿的相互作用決定的。 中和處理應(yīng)用：一些工業(yè)廢水中含有較強(qiáng)的酸或堿，如金屬酸洗、電鍍、制酸化工等廢水值常在左右，造紙、皮革、制堿等廢水有較高值，在排放前往往需要加以中和處理。 物質(zhì)的溶解與沉淀 物質(zhì)在水中的溶

6、解受溫度、壓力及物質(zhì)的極性等因素的影響 溶度積（K）是反映難溶解性化合物的溶解與沉淀平衡關(guān)系的重要指標(biāo)； 許多金屬的氧化物或氫氧化物是以固體狀態(tài)存在的，在水中部分金屬離子溶解，其反應(yīng)與值有很大關(guān)系； 化學(xué)沉淀處理法應(yīng)用：水質(zhì)處理中用化學(xué)沉淀法去除雜質(zhì)有很多方面的應(yīng)用，如除重金屬離子、水的軟化等 氧化還原反應(yīng) 水處理中常用的氧化劑有純氧、臭氧、氯、次氯酸鹽、二氧化氯等，常用的還原劑有硫酸亞鐵、鐵、二氧化硫、亞硫酸鹽等； 氧化還原法的應(yīng)用：曝氣法（利用空氣中的氧進(jìn)行氧化反應(yīng)，去除天然地下水中的二價(jià)鐵，去除石油煉廠的含硫廢水等）、藥劑法、過濾法（把顆粒狀氧化劑或還原劑填充成層，形成濾池進(jìn)行氧化還原反

7、應(yīng)）、電化學(xué)法（利用電解槽的陰陽兩極）、臭氧氧化法、光氧化法等2、天然水源的水質(zhì)概況2.1 天然水的成分（1）降水：降水是指雨、雪、雹水 （2）地面水：地面水是降水在地表徑流匯集后形成的水體，包括江河水、湖泊水、水庫水等。 （3）地下水：地下水是由于降水和地表水經(jīng)土壤地層滲透到地面以下而形成的。 天然水體是在一定的自然條件下形成的，是含有許多溶解性的和非溶解性的物質(zhì)、組成成分又非常復(fù)雜的一種綜合體。 天然水體中物質(zhì)的組成與水體所處的環(huán)境有關(guān)，與和水相接觸的物質(zhì)組成及物理化學(xué)作用所進(jìn)行的條件有關(guān)。 例如：流經(jīng)石灰?guī)r地區(qū)的天然水中富含Ca2+和HCO3-；當(dāng)水透過土壤時(shí)溶解氧的含量減少，而CO2的

8、含量增多； 生物排泄物和殘?bào)w增加了水中的某些組分含量，生物呼吸作用影響著水中氣體的含量。 又例如：河水流速快，與河床接觸時(shí)間短，河水中離子含量一般較低；地下水流速緩慢，與周圍巖石接觸時(shí)間長，水中溶解物的含量比地表水高，但氣體組成相對(duì)減少。 天然水體的水質(zhì)水質(zhì)就是由所含物質(zhì)的數(shù)量和組成所決定的，也稱這些物質(zhì)為雜質(zhì)雜質(zhì)。 水中雜質(zhì)的尺寸與外觀溶解物膠體顆粒懸浮物顆粒大小0.1nm1nm1.0nm100nm100nm1mm外觀特征透明光下混濁混濁可見 尺寸較大，易于在水中下沉或者上浮。易于下沉的一般是大顆粒泥沙及礦物質(zhì)廢渣等；能夠上浮的一般是體積較大而密度小的某些有機(jī)物，屬于一種比較容易除去的物質(zhì)。

9、懸浮物膠體物質(zhì) 天然水中存在的膠體通常有粘土，某些細(xì)菌和病毒，腐殖質(zhì)及蛋白質(zhì)等。其中的有機(jī)物如腐殖質(zhì)和藻類會(huì)造成水的色和嗅味。工業(yè)廢水排入水體，會(huì)引入各種各樣的膠質(zhì)或者有機(jī)高分子物質(zhì)。 膠體顆粒尺寸很小，在水中具有穩(wěn)定性，長期靜置也難下沉。天然水體中的粘土顆粒，一般都帶負(fù)電荷，一些金屬離子的氫氧化物則帶正電荷。因帶相同電荷的膠體顆?；ハ嗯懦猓荒芫奂?，所以膠體顆粒在水中是比較穩(wěn)定的，分布也比較均勻，難以用自然沉降的方法除去。 天然水體中的懸浮物和膠體顆粒，由于對(duì)光線有散射效應(yīng)，是造成水體渾濁的主要原因，所以它們是各種用水處理首先清除的對(duì)象。溶解物質(zhì) 1）溶解于水的鹽 水中的主要陽離子有Ca2,

10、Mg2和Na;主要陰離子有HCO3，SO42和Cl。同時(shí)還含有少量的K+，F(xiàn)e2+，Mn2+和Cu2+等陽離子，以及少量HSiO3-,CO32-,NO3-等陰離子 。 2）溶解氣體 天然水體中的溶解氣體主要是氧、氮和二氧化碳，同時(shí)也含有少量硫化氫。未被污染過的天然水體，溶解氧含量一般為510mg/L，最高不超過14mg/L 。氧和二氧化碳的存在是使金屬發(fā)生腐蝕的主要原因。 天然水中普遍存在著各種形態(tài)和價(jià)態(tài)的碳酸化合物，他們是決定pH值的重要因素，并且對(duì)外加酸、堿有一定的緩沖能力，同時(shí)對(duì)水質(zhì)和水處理有重要的影響。 水中碳酸化合物通常以下列幾種不同形態(tài)存在：溶于水中的游離形態(tài)，碳酸氫鹽形態(tài)，碳酸鹽

11、形態(tài)。2.2 天然水的化學(xué)特征碳酸平衡 水中的碳酸平衡同pH值是密切相關(guān)的 碳酸平衡 水的酸度是指在水中能與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的物質(zhì)總量；水的堿度是指水中能與強(qiáng)酸發(fā)生中和作用的物質(zhì)總量，包括強(qiáng)堿、弱堿、強(qiáng)堿弱酸鹽等。 大多數(shù)天然水中，堿度由氫氧化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽組成，通常稱之為總堿度 M=OH-+HCO3-+2CO32- 水的堿度常影響到水質(zhì)特性，因此水的總堿度是最常用的一個(gè)水質(zhì)指標(biāo)。天然水的酸度與堿度 通常以鈣離子和鎂離子的含量來計(jì)算水的硬度，并作為水質(zhì)的一個(gè)指標(biāo)。天然水都含有一定的硬度，地下水、咸水和海水的硬度較大。鈣硬度和鎂硬度碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度暫時(shí)硬度和永久硬度天然水的硬度 取

12、自任何水源的水中，都不同程度地含有各種各樣的雜質(zhì)。不同的水源，水中雜質(zhì)的種類和數(shù)量各不相同，即使是同一水源，其雜質(zhì)成分與含量也隨著地點(diǎn)、時(shí)間、地質(zhì)、氣象條件的不同而有所變化。2.3 天然水源的水質(zhì)江河水： 受自然條件影響很大，水中懸浮物、膠體態(tài)雜質(zhì)含量較多。江河水的最大缺點(diǎn)就是易污染、水溫不穩(wěn)定。湖泊及水庫水：流動(dòng)性小，濁度低、藻類多、含鹽量高，易發(fā)生富營養(yǎng)化。地下水： 經(jīng)地層滲濾，水質(zhì)清澈，水質(zhì)水溫較穩(wěn)定，宜作飲用水和工業(yè)冷卻水水源。海水：含鹽量高，各種成分的比例基本一定，氯化物占89%左右，淡化后方可飲用。受到微污染的水源：水源污染是普遍問題，特別水有機(jī)物的污染尤為嚴(yán)重及危險(xiǎn)。解決辦法：保

13、護(hù)水源，控制污染源；強(qiáng)化處理工藝。各種天然水的水質(zhì)特點(diǎn)我國天然水水質(zhì)我國天然水水質(zhì)(mg/L)(mg/L) 地面水 地面水是指流動(dòng)或靜止在陸地表面的水，它包括的范圍很廣，諸如江河、湖泊、水庫等（這里不包括海水）。 江河水發(fā)源于高山冰川或地下泉水，與降水匯集而成。由于流域面積十分廣闊，又是敞開流動(dòng)的水體，所以水質(zhì)易受自然條件影響。 例如：水溫隨季節(jié)變化幅度大；懸浮物和膠體雜質(zhì)含量，隨地區(qū)和季節(jié)的不同差異很大。如我國東北、華東和中南地區(qū)的大部分河流，渾濁度均較低，一年大部分時(shí)間內(nèi)河水較清，只是雨季時(shí)河水較渾濁，每年平均渾濁度約在50400mg/L之間。而西北和華北地區(qū)的黃河水系及海河水系，懸浮物、

14、含砂量大，濁度變化幅度也很大，冬天枯水季節(jié)，濁度有時(shí)僅幾十至幾百毫克升，夏秋多雨季節(jié)可能驟增到幾克至數(shù)百克升。 我國南方及東北地區(qū)，其地面水的含鹽量、硬度及CO2含量普遍較低，其水源是由含雜質(zhì)很少的降水匯聚形成的，水體在流動(dòng)過程中，進(jìn)行自然曝氣作用，二氧化碳不斷地從水中逸出。 在枯水季節(jié)，地表水的蒸發(fā)量大于降水的補(bǔ)給量，所以地面水的含鹽量及硬度稍高。 在多雨季節(jié)，由于降水的稀釋作用，含鹽量及硬度較低。 天然江、河水中的溶解氧一般是飽和的，耗氧量和生化需氧量均較低。若水中受到有機(jī)物污染時(shí)就會(huì)出現(xiàn)缺氧狀態(tài)，待有機(jī)物被氧化后又有可能恢復(fù)正常，這就是江、河水的自凈作用。如果污水排放量和排放濃度超過江、

15、河水體自凈作用的允許量時(shí)，水體即受到污染。 湖泊或水庫水中水的流動(dòng)性小，停留時(shí)間長，相當(dāng)于大的沉淀地，因此水中懸浮物含量較低，水質(zhì)清澈透明。但水中浮游生物、細(xì)菌、藻類等生長繁殖較好，易產(chǎn)生色、臭、味，水質(zhì)易惡化，一旦有污水流入，易造成水中溶解于迅速減少，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，加速水質(zhì)惡化。 地下水 地下水是存在地下水層的水，是由雨水和地表水經(jīng)過地層的滲流而形成的。水在地層滲流過程中，通過土壤和砂礫的過濾作用，去除了大部分懸浮物和菌類，所以地下水的渾濁度普遍較低。 地層中的水體不直接接觸大氣，在深度超過10m時(shí)就不再受氣溫影響而保持穩(wěn)定。溶解氧在地層中消耗后得不到補(bǔ)充，所以溶解氧量很少，如果有機(jī)物在

16、土壤中含量較多，氧氣消耗于生物氧化，有機(jī)物發(fā)生厭氧分解，產(chǎn)生CO2、H2S等氣體進(jìn)入水中，使水具有酸性（pH值低）和還原性。酸性水會(huì)使一些難溶鹽類溶解。 還原性水與高價(jià)鐵錳礦石反應(yīng)，使它們以低價(jià)離子形態(tài)進(jìn)人到水中，因此地下水游離二氧化碳量、含鹽量高并普遍含有Fe2+和Mn2+。 地下水按其深度可分為表層水、層間水和深層水。水層愈深，地下水的特點(diǎn)就愈明顯。通常做水源的地下水均屬于層間水，即中層地下水。 地下水在地層滲流過程中，溶解了很多鹽類，比江、河水的含鹽量要高。地下水的含鹽量隨深度而增大，它的離子組成也是從低含鹽量的淡水型(即Ca2+Na+，HCO3-SO42-Cl-)，轉(zhuǎn)化為高含鹽量的苦咸

17、水型(即Na+Ca2+，Cl-HCO3-)。 海水 各地海洋水質(zhì)基本上是相似和穩(wěn)定的，其顯著特點(diǎn)是含鹽量較高，約35g/L左右。各主要離子之間的比例關(guān)系基本上是一定的。 它們含量的固定次序是：Na+K+ Mg2+Ca2+，Cl- SO42-HCO3-+CO32-。在海水中，氯化物含量約占89%。 雖然海水不宜直接作為工業(yè)和生活水源，但由于淡水資源日益短缺和科學(xué)技術(shù)水平迅速發(fā)展，海水（苦咸水）淡化等技術(shù)日臻完善，已形成經(jīng)濟(jì)上可接受、技術(shù)上成熟的工業(yè)化技術(shù)。海水經(jīng)淡化后可供鍋爐用水和生活飲用。 原料、污染源、工藝過程和環(huán)境條件的不同決定了廢水中所含物質(zhì)的不同，從而使廢水的水質(zhì)千差萬別。3、廢水的特點(diǎn)生活污水 工業(yè)廢水1)主要含無機(jī)物的：如冶金、建筑材料等工業(yè)所排出的廢水。2)主要含有機(jī)物的：如食品工