自来水水处理课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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（mass density）,比重：单位体积的重量（specific weight）。,相对质量密度：S=,/,0,=/,0,式中：,0,代表3.98C时水的密度，即1000kg/m,3,。此时水的比重是9.81KN/m,3,。为了方便计算，一般将相对质量密度假设为1。,第二章 水处理2.1 水化学的基础知识,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（dynamic viscosity）,或绝对粘度（absolute viscosity），,，,单位：Pa,S。,（2）运动粘度（kinematic viscosity）：=/。,单位为m,2,/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。,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,2,至于细菌，则属于尺寸较小的悬浮固体，大小约0.11.0m之间。可被玻璃纤维滤盘（glass fiber filter disc）分离的固体颗粒，称为,悬浮颗粒,，也称为可过滤颗粒（filterable solids）。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。,至于细菌，则属于尺寸较小的悬浮固体，大小约0.11.0m,3,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3.510m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。,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,4,浓度转换：,Example:,1L水中溶解98克H,2,SO,4,，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 10,3,/1=98 10,3,mg/L;,（3）,摩尔浓度=溶质摩尔数/溶液体积=1mol/1L=1 mol/L=1M;,（4）,当量浓度=溶质的当量数/溶液体积；,这里H,2,SO,4,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。,浓度转换：,5,（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+H,2,O,络合反应,：形成中性络合物或离子络合物,Hg,2+,+2Cl,-,HgCl,2,;Al,3+,+OH,-,Al(OH),n,3-n,氧化还原反应,：涉及到价数改变和电子转移。,Fe+2H,+,Fe,2+,+H,2,（4）化学反应,6,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。,A,a,B,b,(s),aA,b+,+bB,a-,；K,s,=A,a,B,b,；表示,摩尔浓度,。,通常将K,s,记为pK,s,；pK,s,=-lg K,s,。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:AlPO,4,沉淀平衡时，水溶液中PO,4,3-,的浓度是多少？,AlPO,4,Al,3+,+PO,4,3-,(pK,s,=22.0),由K,s,的定义得到：K,s,=,Al,3+,PO,4,3-,=10,-22.0,根据的,AlPO,4,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：,Al,3+,=PO,4,3-,=10,-11.0,mol/L,PO,4,3-,的摩尔质量为95g/mol，其质量浓度为：9.510,-7,mg/L。,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,7,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。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（activity coefficient）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Hc+NaAc是典型的缓冲溶液体系。,大气中CO,2,溶于水可按照下式反应：,CO,2,(g),CO,2,solution,+H,2,O H,2,CO,3,2H,+,+CO,3,2-,因此，具有天然的缓冲能力。,CO,2,solution,与大气中的CO,2,(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CO,2,从溶液中释放或者从大气溶解进入溶液。,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,8,CO,2,(g),CO,2,solution,的平衡关系由Henry定律确定：,当总压不高时（不超过5 10,5,Pa），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）。,CO,2,水溶液的Henry系数为：,CO2(g)CO2,solution的平衡关系由He,9,天然水体中碳酸盐缓冲体系与大气中的CO,2,保持平衡。溶液中CO,3,2-,浓度比HCO,3,-,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。,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CO,10,碱度：,当溶液的pH值降低到4.5时，所有可滴定碱（titratable base）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=HCO,3,-,+2CO,3,2-,+OH,-,-H,+,式中对应浓度的单位为mol/L。在大多数天然水体中（pH=68），OH,-,和H,+,均可忽略不计，因此有：碱度=HCO,3,-,+2CO,3,2-,。,碱度：当溶液的pH值降低到4.5时，所有可滴定碱（titra,11,H,2,CO,3,HCO,3,-,+H,+,；pK,a1,=6.35,HCO,3,-,CO,3,2-,+H,+,；pK,a2,=10.33,从pK,a,值可以得到一些有用的关系：,（1）pH 8.3时，大部分碳酸盐以HCO,3,-,形式存在，因此碱度等于HCO,3,-,；,（3）当pH 12.3,时，几乎所有碳酸盐均以CO,3,2-,形式存在，,因此碱度等于,2CO,3,2-,+OH,-,，此时,OH,-,不能忽略。,H2CO3 HCO3-+H+；pKa1=6.,12,根据,碱度=,2CO,3,2-,+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NaH,2,PO4+H,3,PO4构成的缓冲体系，具有如下反应能力：,NaAc+H,+,Na,+,+HAc;HAc+OH,-,Ac,-,+H,2,O,传统上，碱度的单位不用摩尔浓度表示，而是用mg/L CaCO,3,表示。为了将单位转换成 mg/L CaCO,3,，将化合物的质量浓度(mg/L),乘以CaCO,3,与该化合物的当量质量之比：,碱度(mg/L CaCO,3,)=(mg/L)（CaCO,3,与该化合物的当量质量之比）,根据碱度=2CO32-+OH-以及对缓冲溶液,13,Example:,水中含有100.0mg/L的CO,3,2-,，75mg/L的HCO,3,-,，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/L CaCO,3,。各化合物的当量质量分别为：,CO,3,2-,：M=60,n=2,当量质量=60/2=30g/当量,HCO,3,-,：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,-10,mol/L=10,-7,mg/L；,OH,-,=K,w,/H+=10,-14,/10,-10,=10,-4,mol/L=1.7mg/L。,Example:水中含有100.0mg/L的CO32-，7,14,利用转化式以及碳酸钙的当量质量，将单位转换成mg/L CaCO,3,：,CO,3,2-,：100 (50/30)=166.7 mg/L CaCO,3,;,HCO,3,-,：75(50/61)=61.5mg/L CaCO,3,;,H,+,：10,-7,(50/1)=5 10,-6,mg/L CaCO,3,OH,-,：1.7 (50/17)=5.0 mg/L CaCO,3,由此，精确碱度=61.5+166.7+,5 10,-6,+5.0=233.2 mg/L CaCO,3,;,近似碱度=61.5+166.7=228.2 mg/L CaCO,3,。,因此，,近似碱度与精确碱度的误差只有2.2%。,利用转化式以及碳酸钙的当量质量，将单位转换成mg/L CaC,15,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+b