南京工业大学水质科学概论课件2-第二章 水的特点

水质科学概论,水是人类社会生存和发展的重要资源，由于自然原因、人类不合理的开发活动以及人类科技发展水平的制约，水质恶化正威胁着人类的生存和社会进步。本课程将在讲解水质科学的一些基本概念的基础上，系统介绍工业用水处理、饮用水处理、污水处理、中水处理、地下水处理及其他非传统水资源的利用技术，使学生能够熟悉水质科学专业所涉及的研究内容，为后续专业课程的学习打下初步基础。,南京工业大学环境学院环境工程系刘志英13913951547 qq:23656070,第二章 水的特点,1、水的物理化学性质,1.1 水的成分、特性1.2 水化学反应基础,2、天然水源的水质概况,2.1 天然水的成分2.2 天然水的化学特征2.3 天然水源的水质,3、废水的特点,水分子模型图,水分子的电子云图,1.1 水的成分、特性,1、水的物理、化学性质,如果按体积比，是含有两份氢和一份氧；如果按其重量比，则含有11.11%的氢和88.89%的氧。水的气态所具有的最简单的化学式为H2O，在液态和固态状态，则有单分子水H2O、双分子（H2O）2与多分子水（H2O）n集聚在一起形成分子缔合。在天然情况下，实际上是不存在绝对纯净的水。,水的化学成分,温度-体积效应：在04 范围内不是热胀冷缩，而是温度升高，体积缩小，密度增大。在4（3.98）时，相对密度最大，为1.0；压强对熔点的影响：冰融化时体积缩小，压强增加时熔点就要降低。因为压强的增加会促使物质体积的缩小，这样，有利于固相转变为液相，因此温度不必升高到原来的熔点冰就能融化。热容量大：所有的液体和固体中，水的比热容最大。因此，水可作为热交换介质，使用于冷却、贮热、输热等方面，天然水体可调节气温。,水的特性,常温附近可有三相变化，在0100内可出现固、液、气三相变化表面张力大：液体中除汞外，水的表面张力最大，由此产生毛细、润湿、吸附等一系列界面物理 化学现象。溶解及反应能力极强：水是重要的溶剂，许多溶质不但在水中有很大的溶解度，而且有最大的电离度。在水溶液中可以进行多种化学反应，水本身也参与多种反应，并可起催化作用。纯水导电性差,水的特性,如盐类的水解、以及多种氧化物与水反应生成酸和碱，水化物广泛存在于晶体及溶液中。,由于水分子的极性强，容易同其他物质生成氢键，产生水合作用的缘故，所以水是优良的溶解剂,水的导电作用 水是一种弱电解质，当水中没有任何杂质时，水体中只有水分子H2O及电离出来极少量的H+和OH-，因此纯水也具有导电能力。随着水中各种离子的增多，水的导电能力也增大，下表为在20时不同水质的电导率。,不同水质的电导率(20),由上表可知，衡量水的净化程度，通常都采用电导率来表示，因为它是测量方便、实用性强的指标。纯净水的电导率不仅受含盐量影响，而且受水的温度及水在大气中放置时间长短的影响，如下表所示。,水温与水的电导率的关系,水和大气接触时间与电导率的关系 (因空气中CO2等气体的溶入),1.2 水化学反应基础,水的离子积与pH值 水的离子积：Kw=H+OH-=1.0010-14水中很多的化学反应受值影响，值是由水中酸和碱的相互作用决定的。中和处理应用：一些工业废水中含有较强的酸或碱，如金属酸洗、电镀、制酸化工等废水值常在左右，造纸、皮革、制碱等废水有较高值，在排放前往往需要加以中和处理。,物质的溶解与沉淀 物质在水中的溶解受温度、压力及物质的极性等因素的影响溶度积（K）是反映难溶解性化合物的溶解与沉淀平衡关系的重要指标；许多金属的氧化物或氢氧化物是以固体状态存在的，在水中部分金属离子溶解，其反应与值有很大关系；化学沉淀处理法应用：水质处理中用化学沉淀法去除杂质有很多方面的应用，如除重金属离子、水的软化等,氧化还原反应 水处理中常用的氧化剂有纯氧、臭氧、氯、次氯酸盐、二氧化氯等，常用的还原剂有硫酸亚铁、铁、二氧化硫、亚硫酸盐等；氧化还原法的应用：曝气法（利用空气中的氧进行氧化反应，去除天然地下水中的二价铁，去除石油炼厂的含硫废水等）、药剂法、过滤法（把颗粒状氧化剂或还原剂填充成层，形成滤池进行氧化还原反应）、电化学法（利用电解槽的阴阳两极）、臭氧氧化法、光氧化法等,2、天然水源的水质概况,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径流汇集后形成的水体，包括江河水、湖泊水、水库水等。 （3）地下水：地下水是由于降水和地表水经土壤地层渗透到地面以下而形成的。,天然水体是在一定的自然条件下形成的，是含有许多溶解性的和非溶解性的物质、组成成分又非常复杂的一种综合体。,天然水体中物质的组成与水体所处的环境有关，与和水相接触的物质组成及物理化学作用所进行的条件有关。例如：流经石灰岩地区的天然水中富含Ca2+和HCO3-；当水透过土壤时溶解氧的含量减少，而CO2的含量增多；生物排泄物和残体增加了水中的某些组分含量，生物呼吸作用影响着水中气体的含量。又例如：河水流速快，与河床接触时间短，河水中离子含量一般较低；地下水流速缓慢，与周围岩石接触时间长，水中溶解物的含量比地表水高，但气体组成相对减少。天然水体的水质就是由所含物质的数量和组成所决定的，也称这些物质为杂质。,水中杂质的尺寸与外观,尺寸较大，易于在水中下沉或者上浮。易于下沉的一般是大颗粒泥沙及矿物质废渣等；能够上浮的一般是体积较大而密度小的某些有机物，属于一种比较容易除去的物质。,悬浮物,胶体物质,天然水中存在的胶体通常有粘土，某些细菌和病毒，腐殖质及蛋白质等。其中的有机物如腐殖质和藻类会造成水的色和嗅味。工业废水排入水体，会引入各种各样的胶质或者有机高分子物质。 胶体颗粒尺寸很小，在水中具有稳定性，长期静置也难下沉。天然水体中的粘土颗粒，一般都带负电荷，一些金属离子的氢氧化物则带正电荷。因带相同电荷的胶体颗粒互相排斥，不能聚集，所以胶体颗粒在水中是比较稳定的，分布也比较均匀，难以用自然沉降的方法除去。,天然水体中的悬浮物和胶体颗粒，由于对光线有散射效应，是造成水体浑浊的主要原因，所以它们是各种用水处理首先清除的对象。,溶解物质,1）溶解于水的盐 水中的主要阳离子有Ca2,Mg2和Na;主要阴离子有HCO3，SO42和Cl。同时还含有少量的K+，Fe2+，Mn2+和Cu2+等阳离子，以及少量HSiO3-,CO32-,NO3-等阴离子 。 2）溶解气体 天然水体中的溶解气体主要是氧、氮和二氧化碳，同时也含有少量硫化氢。未被污染过的天然水体，溶解氧含量一般为510mg/L，最高不超过14mg/L 。氧和二氧化碳的存在是使金属发生腐蚀的主要原因。,天然水中普遍存在着各种形态和价态的碳酸化合物，他们是决定pH值的重要因素，并且对外加酸、碱有一定的缓冲能力，同时对水质和水处理有重要的影响。 水中碳酸化合物通常以下列几种不同形态存在：溶于水中的游离形态，碳酸氢盐形态，碳酸盐形态。,2.2 天然水的化学特征,碳酸平衡,水中的碳酸平衡同pH值是密切相关的,碳酸平衡,水的酸度是指在水中能与强碱发生中和作用的物质总量；水的碱度是指水中能与强酸发生中和作用的物质总量，包括强碱、弱碱、强碱弱酸盐等。 大多数天然水中，碱度由氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐组成，通常称之为总碱度 M=OH-+HCO3-+2CO32- 水的碱度常影响到水质特性，因此水的总碱度是最常用的一个水质指标。,天然水的酸度与碱度,通常以钙离子和镁离子的含量来计算水的硬度，并作为水质的一个指标。天然水都含有一定的硬度，地下水、咸水和海水的硬度较大。钙硬度和镁硬度碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度暂时硬度和永久硬度,天然水的硬度,取自任何水源的水中，都不同程度地含有各种各样的杂质。不同的水源，水中杂质的种类和数量各不相同，即使是同一水源，其杂质成分与含量也随着地点、时间、地质、气象条件的不同而有所变化。,2.3 天然水源的水质,江河水： 受自然条件影响很大，水中悬浮物、胶体态杂质含量较多。江河水的最大缺点就是易污染、水温不稳定。湖泊及水库水：流动性小，浊度低、藻类多、含盐量高，易发生富营养化。地下水： 经地层渗滤，水质清澈，水质水温较稳定，宜作饮用水和工业冷却水水源。海水：含盐量高，各种成分的比例基本一定，氯化物占89%左右，淡化后方可饮用。受到微污染的水源：水源污染是普遍问题，特别水有机物的污染尤为严重及危险。解决办法：保护水源，控制污染源；强化处理工艺。,各种天然水的水质特点,我国天然水水质(mg/L),地面水地面水是指流动或静止在陆地表面的水，它包括的范围很广，诸如江河、湖泊、水库等（这里不包括海水）。江河水发源于高山冰川或地下泉水，与降水汇集而成。由于流域面积十分广阔，又是敞开流动的水体，所以水质易受自然条件影响。例如：水温随季节变化幅度大；悬浮物和胶体杂质含量，随地区和季节的不同差异很大。如我国东北、华东和中南地区的大部分河流，浑浊度均较低，一年大部分时间内河水较清，只是雨季时河水较浑浊，每年平均浑浊度约在50400mg/L之间。而西北和华北地区的黄河水系及海河水系，悬浮物、含砂量大，浊度变化幅度也很大，冬天枯水季节，浊度有时仅几十至几百毫克升，夏秋多雨季节可能骤增到几克至数百克升。,我国南方及东北地区，其地面水的含盐量、硬度及CO2含量普遍较低，其水源是由含杂质很少的降水汇聚形成的，水体在流动过程中，进行自然曝气作用，二氧化碳不断地从水中逸出。在枯水季节，地表水的蒸发量大于降水的补给量，所以地面水的含盐量及硬度稍高。在多雨季节，由于降水的稀释作用，含盐量及硬度较低。,天然江、河水中的溶解氧一般是饱和的，耗氧量和生化需氧量均较低。若水中受到有机物污染时就会出现缺氧状态，待有机物被氧化后又有可能恢复正常，这就是江、河水的自净作用。如果污水排放量和排放浓度超过江、河水体自净作用的允许量时，水体即受到污染。湖泊或水库水中水的流动性小，停留时间长，相当于大的沉淀地，因此水中悬浮物含量较低，水质清澈透明。但水中浮游生物、细菌、藻类等生长繁殖较好，易产生色、臭、味，水质易恶化，一旦有污水流入，易造成水中溶解于迅速减少，导致水体富营养化，加速水质恶化。,地下水地下水是存在地下水层的水，是由雨水和地表水经过地层的渗流而形成的。水在地层渗流过程中，通过土壤和砂砾的过滤作用，去除了大部分悬浮物和菌类，所以地下水的浑浊度普遍较低。地层中的水体不直接接触大气，在深度超过10m时就不再受气温影响而保持稳定。溶解氧在地层中消耗后得不到补充，所以溶解氧量很少，如果有机物在土壤中含量较多，氧气消耗于生物氧化，有机物发生厌氧分解，产生CO2、H2S等气体进入水中，使水具有酸性（pH值低）和还原性。酸性水会使一些难溶盐类溶解。还原性水与高价铁锰矿石反应，使它们以低价离子形态进人到水中，因此地下水游离二氧化碳量、含盐量高并普遍含有Fe2+和Mn2+。,地下水按其深度可分为表层水、层间水和深层水。水层愈深，地下水的特点就愈明显。通常做水源的地下水均属于层间水，即中层地下水。地下水在地层渗流过程中，溶解了很多盐类，比江、河水的含盐量要高。地下水的含盐量随深度而增大，它的离子组成也是从低含盐量的淡水型(即Ca2+Na+，HCO3-SO42-Cl-)，转化为高含盐量的苦咸水型(即Na+Ca2+，Cl-HCO3-)。,海水各地海洋水质基本上是相似和稳定的，其显著特点是含盐量较高，约35g/L左右。各主要离子之间的比例关系基本上是一定的。它们含量的固定次序是：Na+K+ Mg2+Ca2+，Cl- SO42-HCO3-+CO32-。在海水中，氯化物含量约占89%。虽然海水不宜直接作为工业和生活水源，但由于淡水资源日益短缺和科学技术水平迅速发展，海水（苦咸水）淡化等技术日臻完善，已形成经济上可接受、技术上成熟的工业化技术。海水经淡化后可供锅炉用水和生活饮用。,原料、污染源、工艺过程和环境条件的不同决定了废水中所含物质的不同，从而使废水的水质千差万别。,3、废水的特点,生活污水 工业废水1)主要含无机物的：如冶金、建筑材料等工业所排出的废水。2)主要含有机物的：如食品