水化學(xué)與水處理技術(shù)

0緒論

一、水資源

水是一種寶貴的自然資源；水是人類和一切生物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)；

水是可以更新的自然資源，能通過自身的循環(huán)過程不斷地復(fù)原。

全球總貯水量估計為13.9億立方千米，其中海洋就占97.2%,而淡水總量僅為

0.36億立方千米，除冰川和冰帽之外，可利用的淡水總量不足世界總貯水量的1%。這部

分淡水與人類的關(guān)系最密切，并且具有經(jīng)濟利用價值，雖然在較長時間內(nèi)可以保持平衡，

但在一定時間、空間范圍內(nèi)，其數(shù)量卻是有限的，并非取之不盡，用之不竭的。

二、水危機

1.水的危機

水是生命的源泉，是社會經(jīng)濟發(fā)展的命脈。在3月18日，聯(lián)合國發(fā)出警告，除非各國政

府采取有力措施，否則到2025年，世界上就將有近1/3的人口(23億人)無法獲得安全的飲用

水，其主要原因是這些地區(qū)的水資源短缺。

目前，隨著人類生產(chǎn)的發(fā)展和生活水平的提高，用水量以每年接近5%的速度遞增，照此

下去，每15年用水總量就翻一番，在2030年以前，地球上將有1/3以上的人面臨淡水資源危

機。

2.水危機產(chǎn)生的原因

(1)自然條件的影響

淡水在地球上的分布極不均勻，而且受氣候變化的影響，所以許多國家和地區(qū)用水甚

缺。例如我國華北和西北處于干旱或半干旱氣候區(qū)，季節(jié)性缺水很嚴(yán)重；

北非和南撒哈拉地區(qū)、阿拉伯半島、伊朗南部、巴基斯坦和西印度是年降雨長期平均變

化最大的區(qū)域，其變化的幅度超過40%,美國西南部、墨西哥西北部、非洲西南部、巴西最

東端以及智利部分地區(qū)也是如此。

(2)城市與工業(yè)區(qū)集中發(fā)展

200多年來，世界人口趨向于集中在占地球較小部分的城鎮(zhèn)和城市中，在20世紀(jì)中期

以來，這種城市化進程已明顯加快，；

目前世界上城市居民約占世界人口的41.6%,而城市占地面積只占地球上土地總面積

的0.3%,在城市和城市周圍又大量建設(shè)了工業(yè)區(qū)，因此集中用水量很大，超過當(dāng)?shù)厮Y源

的供水能力。

用水量的增加表現(xiàn)在三個方面：公共用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水。公共用水僅占很小比

例（全球5?6%）;據(jù)不完全統(tǒng)計，近40年來，全世界工業(yè)用水增加近7倍，農(nóng)業(yè)用水僅增加

2倍，在發(fā)達國家工業(yè)用水占40%以匕而在發(fā)展中國家工業(yè)用水則不到10%。在工'也用水

中，主要是能源部門、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等部門的冷卻用水量大，如在熱電廠，每生產(chǎn)

1000千瓦時電，需用水200?500立方米；農(nóng)業(yè)用水的消耗主要是灌溉用水。

（3）水體污染破壞了有限的水資源

這是造成水危機的重要原因之一。

（4）用水浪費

城市生活用水浪費最大的是管網(wǎng)和衛(wèi)生設(shè)備的漏水。據(jù)估計北京市漏水量占總用水量的

10-40%,最嚴(yán)重住宅區(qū)可達70%。占工業(yè)用水的70%的工業(yè)冷卻水必須采用循環(huán)冷卻水處

理技術(shù)。

3.我國水資源的危機

中國水資源總量為2.8萬億立方米，居世界第4位，次于加拿大、巴西和俄羅斯，略多

于美國和印尼，占世界水資源總量的7玳

但中國人均水資源量為2304立方米每人，處于缺水上下限（3000?1000立方米每人）的中

值，在世界銀行近年做連續(xù)資源統(tǒng)計的132個國家中居第82位，只有世界平均水平的31%,屬

于水資源緊缺的國家（以上均按1998/99世界銀行年度報告最新統(tǒng)計）。

中國的水資源分布同樣很不均勻。中國北方人均水資源僅為995.4立方米每人，屬于嚴(yán)

重缺水，并由于水污染和水土流失使情況更為惡化；中國的南方人均水資源量雖然超過人均

3000立方米每人的缺水上限，但由于分布不均（如上海僅為185立方米每人）和污染嚴(yán)重，使

得工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人民生活將得不到按現(xiàn)模式發(fā)展的足夠水資源供應(yīng)。

三、節(jié)水

水資源短缺對于中國大部分地區(qū)都是最根本的問題。水資源供需矛盾解決的根本辦法也

正是節(jié)水。這里說的節(jié)水是廣義的節(jié)水，有三方面的含義。

1.節(jié)約用水

節(jié)約用水指降低每公斤糧食的耗水量、萬元工業(yè)產(chǎn)值的耗水量和每人的生活用水量。

目前農(nóng)業(yè)用水占工農(nóng)業(yè)和生活用水的75%左右，節(jié)水工作應(yīng)以農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉為重點。

目前我國的萬元工'也產(chǎn)值耗水量一般是發(fā)達國家的10?20倍，個別行業(yè)達45倍；我國每

公斤糧食的耗水量是發(fā)達國家的2?3倍；我國城市人均耗水量已接近發(fā)達國家的中等水平。

必須把節(jié)約用水作為一項長期措施，落實到每個企業(yè)、每個村落和千家萬戶。

2.提高水的重復(fù)利用率

提高水的重復(fù)利用率指工業(yè)生產(chǎn)的循環(huán)用水。目前我國工業(yè)生產(chǎn)用水的重復(fù)利用率約為

40%,遠低于發(fā)達國家75%?85%的水平。

3.污水資源化

污水資源化指通過污水處理提高水的類別，從而使該排放掉的污水分別達到生態(tài)、農(nóng)業(yè)、

工業(yè)或生活用水的標(biāo)準(zhǔn)，使其資源化，是跨類別的廣義重復(fù)利用。

四、水工業(yè)

如果把20世紀(jì)稱作石油世紀(jì)的話，那么21世紀(jì)很可能就是水世紀(jì)。

與變幻莫測的通訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)相比，水工業(yè)廣闊的市場、巨額的產(chǎn)值和穩(wěn)定的收益無疑更

具吸引力。難怪紐約一家投資公司的首席專家伊麗莎白把水工業(yè)稱之為“下一世紀(jì)最好的投

資領(lǐng)域”。

水處理工業(yè)由水工業(yè)企業(yè)、水工業(yè)制造業(yè)、水工業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)三部分組成。

1.水工業(yè)企業(yè)

水工業(yè)企業(yè)將給水排水有機地統(tǒng)一起來。水是一種可再生資源：取水是對自然資源水的

加工活動；排水是對廢水進行處理的工業(yè)活動。不可偏廢任何一方。

2.水工業(yè)制造業(yè)

水工業(yè)制造業(yè)是由生產(chǎn)給水排水行業(yè)所需的機電、化工、生物、冶金、材料以及電子等

技術(shù)裝備產(chǎn)品的工業(yè)部門無形中組成的工業(yè)系統(tǒng)，

它是給排水事業(yè)的支柱工業(yè)，必須與給排水事業(yè)同步發(fā)展；

3.水工業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)

水工業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)是指在給排水行業(yè)中運用高新技術(shù)開發(fā)出來的產(chǎn)業(yè)。

科技進步可以有效地為水工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供可靠的依據(jù)和手段,促進水工業(yè)管理水平

的提高，并提高水資源綜合利用效率和經(jīng)濟效益，提供保護水資源和生態(tài)環(huán)境的有效手段。

五、國外水處理技術(shù)發(fā)展的特點

1.政府與民營機構(gòu)聯(lián)手

目前在美國、南美洲一些國家和亞洲的印尼等國的許多城市都開始和民營水務(wù)公司展開

合作。僅供水一項，水工業(yè)全球的年產(chǎn)值就可以達到4000億美元，這相當(dāng)于全球石油工業(yè)的

40%。

越來越多的城市開始選擇民營供水公司，這些水務(wù)公司能夠以極低的費用來推動整個水

系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，而政府則把節(jié)余的資金用來更新水廠的設(shè)備。

目前，全球最大的四家水務(wù)公司分別是法國的蘇伊士、威望迪(vivendi)、英國的泰

唔士河和美國的阿祖里克斯(Azurix)；蘇伊士公司是最成功的一家。它在6年間從瀕臨破

產(chǎn)發(fā)展成市值350億美元的跨國水務(wù)公司，足以證明水工業(yè)的吸引力。蘇伊士公司1999年利

潤為15億美元，已和馬尼拉、卡薩布蘭卡、圣地亞哥和亞特蘭大等20多個大城市展開合作。

目前已在我國蘇州等地建立水處理廠。

2.戰(zhàn)略兼并聯(lián)合

隨著市場競爭的加劇，工業(yè)企業(yè)間的兼并與聯(lián)合戰(zhàn)略增多，能對用戶提供全方位服務(wù)的

大水處理公司將在市場中起主導(dǎo)作用。

水處理公司間的兼并與收購具有積極的戰(zhàn)略意圖，因為收購已滲透或占領(lǐng)某一水處理領(lǐng)

域及市場的公司比重新開拓市場容易：

如Betz公司收購Dearborn公司成立BetzDearborn公司之后，在中間市場的銷售額由

15%增加到28%,成為在80多個國家擁有用戶、總資產(chǎn)達12億美元的跨國公司：01年被GE公司

收購，在上海張江建立研發(fā)中心，在無錫建立生產(chǎn)基地。

Nalco公司在1999年也被法國蘇伊士公司收購。03年又被某投資公司收購。

3.公司集約化

用戶越來越偏愛能提供全方位服務(wù)的大公司。水處理公司與工程公司實現(xiàn)聯(lián)合戰(zhàn)略后，

就具備了對重工業(yè)用戶提供全套服務(wù)、總承包的能力：

例如1996年6月Nalco公司和Filter公司實施戰(zhàn)略聯(lián)合，各控股50%,成立了Treated

WaterOutsouring(TWO)公司，它能在用戶現(xiàn)場興建、管理和運行水處理系統(tǒng)。

目前的一種趨勢是工業(yè)企'也選擇一家能滿足其全部或大部分需求的水處理公司，并與之

合營，從而使用戶與水處理公司間的聯(lián)合日益緊密。

4.開拓國外市場

拉丁美洲水處理化學(xué)品市場年增長速度高于12%,一些亞太國家的年增長速度則高達

30%?遠超過美國3-5樂歐洲5-7%的增長率。中國、馬來西亞、新加坡、韓國、泰國、巴西、

墨西哥、智利、阿根廷等國家都是很有希望的市場。

美國、日本和西歐等發(fā)達國家的國內(nèi)市場趨于飽和，為尋求發(fā)展，各大水處理公司正將

目光轉(zhuǎn)向拉丁美洲、亞洲和非洲等國外市場，在國外設(shè)有分支機構(gòu)或代表處，通過合資或獨

資建廠，搶占國外市場，積極擴大市場占有率，使市場競爭十分激烈。

Nalco公司在拉丁美洲的市場銷售額約為6000-7000萬美元，占整個拉丁美洲水處理市場

的2/3,1996年上半年，Nalco公司在該地區(qū)的市場銷售額增長了17%。

Betz收購了Dearborn之后，國外市場占有率已由28%增至44%。

5.技術(shù)、產(chǎn)品專業(yè)化

目前許多公司均以水處理藥劑方面的單項專利技術(shù)見長，如：

Naled公司在現(xiàn)場服務(wù)管理，尤以示蹤在線監(jiān)測方面；

GreatLakesChemical公司在含澳殺菌劑方面；

Rohm&Hass公司在專用殺菌劑、聚合物和離子交換樹脂方面；

。小c公司在水溶性聚合物方面；

Buckman在殺菌劑方面等具有優(yōu)勢。

UnionCarbide公司的戊二酸；

Bayer公司的陽歿!（2-瞬酸基丁烷T,2,4-三陵酸）；

內(nèi)管公司的。00（瞬酰基竣酸）；

DoHar公司的聚天冬氨酸；

Drew的鍋爐除氧劑材/加火r；

Betzdearbon公司的HTP-2、必必睇I聚環(huán)氧琥珀酸等；

日本三菱和法國ST。//時＞正等公司的絮凝劑，都具有領(lǐng)先的優(yōu)勢。

6.產(chǎn)品環(huán)?；?/p>

研究低毒和無毒的產(chǎn)品，開發(fā)低磷藥劑（如PAPEMP、PBTCA、HPA、POCA等）和可生物降

解藥劑（聚天冬氨酸PASP、聚環(huán)氧琥珀酸PECA）；

以低磷、非磷配方代替磷系、格系配方，以全有機配方代替含金屬配方；

以臭氧、過氧化氫、漠化海因等取代Ck、MBT等殺菌劑；

以DEHA、DEAE葡萄糖酸鹽取代鍋爐的鋁酸鹽、腓類等緩蝕劑；

以聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉取代泛用的無機混凝劑。

7.相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展

（1）生產(chǎn)過程的自動化

水處理藥劑生產(chǎn)的自動化，為產(chǎn)品的質(zhì)量提供了良好的保證；

（2）計算機管理

監(jiān)測和分析技術(shù)上的進步，如TRASAR技術(shù)，為水處理的計算機系統(tǒng)管理提供了良好的基

礎(chǔ)，在線監(jiān)測、遠程控制等使水處理服務(wù)工作更加科學(xué)。

(3)水處理工程

性能優(yōu)異的水處理設(shè)備的設(shè)計制造、機泵選型的實用性和先進性、管線運行的合理性

和科學(xué)性、計算機輔助設(shè)計在水系統(tǒng)中的應(yīng)用，使水處理工程產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

8.其它

(1)研究相應(yīng)的配套技術(shù)，如配方篩選的協(xié)同效應(yīng)研究、試驗方法、系統(tǒng)監(jiān)測方法的研究；

(2)基礎(chǔ)理論研究，如不同藥劑的作用機理等。

六、國內(nèi)水處理技術(shù)的困境

1.缺乏具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品

隨著世貿(mào)組織的臨近，知識產(chǎn)權(quán)的保護已提到日程上來。知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新已成為我

們目前的主要任務(wù)，剖析、仿制已不適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。

根據(jù)世界貿(mào)易組織實施的與貿(mào)易有關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)(TRIPs)保護協(xié)議，WTO各成員國應(yīng)擴

大對知識產(chǎn)權(quán)的保護范圍，這要求中國企業(yè)必須通過支付專利許可證費用來合法購買西方發(fā)

達國家的專利。政府也將加大知識產(chǎn)權(quán)保護力度，嚴(yán)懲任何有損國家和企業(yè)名譽的侵權(quán)行為。

因此，未來關(guān)于知識產(chǎn)權(quán)保護的爭端在一定時期內(nèi)將不可避免地呈現(xiàn)上升趨勢。

目前，我國在無機高分子絮凝劑方面已形成了不少專利，具有一定的優(yōu)勢；

在有機高分子絮凝劑、緩蝕阻垢劑、殺菌劑、阻垢分散劑等方面專利產(chǎn)品少，缺乏針對

性強的獨具特色的藥劑，沒有強有力的參與國際競爭的拳頭產(chǎn)品、名牌產(chǎn)品和明星企業(yè)。

只有通過不斷地研制創(chuàng)新，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，才能形成自己的品牌，才有可能具有國際競爭

力。

2.生產(chǎn)規(guī)模小且分散，技術(shù)相對落后，質(zhì)量不穩(wěn)定，缺乏國際競爭力

現(xiàn)有的水處理劑產(chǎn)量盡管已基本滿足國內(nèi)市場的需求，但每個生產(chǎn)廠的規(guī)模小，單劑的

生產(chǎn)最高為2-3噸，難以適應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量的均勻穩(wěn)定、降低生產(chǎn)成本、出口等要求，

尤其在聚合物的生產(chǎn)上(如分子量的大小、分子量分布等)存在很大的差距。

3.應(yīng)用技術(shù)水平較低

在廢水處理與回用技術(shù)經(jīng)濟水平，總體來說是效率低、成本高。缺乏水資源化處理的高

效、低耗工藝及相應(yīng)的設(shè)備，導(dǎo)致廢水回用率低?，F(xiàn)有的水污染處理設(shè)施的運行率較低，

廢水處理的合格率在55%左右。

4.工程研究設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)的配套方面未完全系統(tǒng)化,缺乏國際競爭的能力

配套設(shè)施的不完善，影響水系統(tǒng)管理的自動化，浪費人力資源，如石化一個水系統(tǒng)，需

16-20人（4班3倒,每班4-5人,加上分析人員）；

而Naic。公司在自動化控制和管理、實現(xiàn)遠程監(jiān)測控制方面，Merck公司在水質(zhì)分析儀

器方面，均具有明顯的優(yōu)勢，從而為水處理的管理和正常運行提供了保證。

5.缺乏大量的科研和軟件開發(fā)的投入

沒有投入，就沒有產(chǎn)出，沒有科技投入，就沒有生命力。

目前的資金投入僅限于工業(yè)化的生產(chǎn)，而對基礎(chǔ)研究的投入很少，從而使得水處理技術(shù)

方面處于無縱深、無層次、技術(shù)儲備少的狀況，無法步入自我積累、自我發(fā)展的良性循環(huán)的

運行狀態(tài)。

6.其它

另外，由于中國大幅度降低關(guān)稅和削減非關(guān)稅壁壘，進入我國市場的交易成本將大大降

低，外國投資者不再需要繞過高關(guān)稅壁壘，有可能減少對華直接投資。即使來華投資，他們

不再需要將技術(shù)轉(zhuǎn)讓作為前提條件。尤其是美國等一些西方國家，其一貫實行的對我國的高

技術(shù)出口限制政策可能在一定時期或一定程度上有所加強。這些都不利于我國引進國外的先

進技術(shù)。

第一篇水化學(xué)

第一章水的結(jié)構(gòu)及其模型

第一節(jié)水的結(jié)構(gòu)

一、水分子結(jié)構(gòu)

1120分子結(jié)構(gòu)中，是以0核為頂?shù)牡妊切?。在水蒸氣分子中測定：OTI距離為0.9568

埃,H-H距離為1.54埃，H-O-H的鍵角為105°3'(or104.5°)

氫原子的電子構(gòu)型為1S1,氧原子的電子構(gòu)型為IS22s22P4。氧的2s22P4等6個電子

以不等性Sb雜化規(guī)道與兩個氫原子的1S1電子結(jié)合為4對，構(gòu)成O-H共價鍵及兩對孤對

電子。

H-O-H所在平面與孤對電子所在平面是相互垂直的。

氫原子的S電子云與氧原子的P電子云相重疊，形成整個水分子的統(tǒng)一電子云，其電

子云密度主要集中在氧核附近。從而構(gòu)成氧端帶負(fù)電、氫端帶正電的典型極性分子。

水分子的偶極距很大，u=1.84德拜-極性甚強。

圖1-1水的分子結(jié)構(gòu)

二、液態(tài)水的結(jié)構(gòu)

水在液態(tài)下不是以單個水分子的形式存在，而是通過氫鍵產(chǎn)生締合分子。

XHQ翟M(H：O)X+Q

-離解

水的締合是放熱過程，所以溫度升高，水的締合程度下降，即（H2）,的x值減小。在

高溫時，水主要以單分子狀態(tài)存在。溫度降低時水的締合度增大，即（IM））,的x值增大。

273.16K時水結(jié)成冰，全部水分子締合成一個巨大締合分子。

每個水分子可以同相接近的另外四個水分子生成四個氫鍵。五個水分子之間就形成了四

個氫鍵。

氫鍵能并不是最高，但它的數(shù)目多，切可在三維方向延伸展開，若全部飽和，總的氫鍵

結(jié)合能可達10.2kcal/mol,對分子間作用來說已相當(dāng)大。

氣態(tài)的水分子大多是單個分子，間或有二聚體，很少三聚體。

三、冰的結(jié)構(gòu)

冰中的每一個水分子都被相鄰的四個水分子包圍，每個水分子位于變形四面體的頂點，

冰是由無數(shù)個這樣的四面體通過氫鍵互相連結(jié)成一個龐大的晶體。

在冰中，O-H距離為0.99埃，H-O-H的鍵角為109°30'。

由于氫鍵的方向性要求，水分子不能做到緊密堆積，整個冰的結(jié)構(gòu)是六方晶系晶格，因

此，冰的晶體具有較大的空隙，即水結(jié)成冰后，體積增大，密度減小。

晶格排列最整齊的是普通的冰，稱為I或Ih型，其密度只有0.92g/cm3。水分子的中

心距離由2.67埃到3.47埃。

在不同的低溫和高壓下，冰的形態(tài)結(jié)構(gòu)有13種相變，其密度從0.92到1.63g/cm3不等。

第二節(jié)液態(tài)水的結(jié)構(gòu)模型

連續(xù)模型，或均相模型：在冰溶解為水時，并未使氫鍵斷裂，只是發(fā)生氫鍵的彎曲或扭

轉(zhuǎn)，氫鍵的能量隨H-O-H鍵角而變化。

混合模型：在冰溶解時有一部分氫鍵解體，液態(tài)水中存在一部分單個的自由水分子，而

有相當(dāng)部分仍以微小冰晶粒子狀態(tài)存在（其中包含有數(shù)十個水分子而成為水的締合體）。--

一般水中是由自由水分子與微細晶體碎屑共存。

閃動模型：水分子之間的締合不是固定的，而是在每一瞬間不斷地交換對象，形成水分

子的自擴散。

第二章水的特性

第一節(jié)水的物理特性

一、比熱

在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變的情況下，一定質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高一度所吸收的熱量稱為該

物質(zhì)的熱容量或熱容。單位物質(zhì)的熱容稱為比熱。

因此，不同的物質(zhì)增加相同的溫度，比熱越大的物質(zhì)吸收的熱量越多。

水的比熱在所有液體和固體物質(zhì)中是最大的，同時具有很大的蒸發(fā)熱和溶解熱，所以使

得天然水體可以調(diào)節(jié)氣候溫度，冷卻、儲存及傳熱的優(yōu)良載體介質(zhì)。被大量地用作工業(yè)冷卻

介質(zhì)或加熱介質(zhì)。

水的高比熱是由于水能形成分子間氫鍵所引起的。因為溫度的升高是由于分子運動加劇

的結(jié)果，而若要使水分子運動加劇，不但要提供能量去克服分子問范德華力的束縛，還要提

供額外的能力去克服分子間氫鍵的束縛。

二、水是一種強極性分子

分子中氧的電負(fù)性比氫大得多，分子中共用電子對強烈地偏向氧原子一邊，使氫原子變

為幾乎“裸露”的氫核，而氧原子不但強烈地吸引成犍電子對，而且還有孤電子對，負(fù)電荷

很集中。因此水的極性很大。

對于極性分子，其本身具有的偶極稱為固有偶極，在沒有外電場作用時，極性分子的固

有偶極由于分子運動而雜亂無章地排列。但在外電場作用下雜亂無章的極性分子可按電場方

向定向排列起來，同時由于電場的作用而使偶極加大（固有偶極加誘導(dǎo)偶極）。在水處理中

磁處理就是按這一原理而設(shè)計的。

三、水與它的同族氫化物比較，熔點、沸點、熔化焙、蒸發(fā)始都異常高。

四、水密度反常

在接近水的沸點時，水主要以簡單分子存在。

冷卻時，分子的熱運動減緩，分子間距離減小。因而水的締合度增大，分子間排列緊密,

這個因素使水的密度增大。當(dāng)溫度降到277.13k（3.98℃）時，水的密度達到最大，定為

1.000g/cm',

當(dāng)溫度繼續(xù)降低，出現(xiàn)較多的（H2）,以及具有類似冰結(jié)構(gòu)的大締合分子。由于氫鍵

的方向性，使水分子不能緊密堆積，出現(xiàn)類似冰的松弛的結(jié)構(gòu)，水的密度反而下降。到

273.16K（0℃）時，全部水分子締合成一個大的締合分子，結(jié)構(gòu)十分疏松，而密度突然大幅

度下降，從而使等量的水體積增大。因此水在結(jié)冰時體積膨脹。

第二節(jié)水的化學(xué)性質(zhì)

一、水的熱穩(wěn)定性

水的離解度（即對反應(yīng)2HzOf2Hzf+0?t而言）可以作為水的熱穩(wěn)定性的反應(yīng)。

隨著溫度的升高，水的離解度增大，1000K時，水的離解度僅有3義10$%,即使達到

2400K,離解度也僅有2.94%,只占水的很小一部分。所以說水具有很高的熱穩(wěn)定性。

二、水合作用

水分子是個極性分子，介電常數(shù)很大，當(dāng)水分子遇到極性化合物或離子化合物的正負(fù)離

子時，水的偶極子將和這些化合物的正負(fù)端或離子間產(chǎn)生相互吸引，于是發(fā)生水合作用，增

強溶質(zhì)的離解能力，形成具有?定數(shù)目的配位水分子的水合離子，如出0'、[Fe(IW)6「、

[Zn(H20)1]\[CU(H20)I]\

因此，水作為一種溶劑，是任何其它物質(zhì)都不能與之相比的。

三、水解作用

從廣義上說水解是指水被分解的反應(yīng)及氧化物與水的反應(yīng)，這些反應(yīng)有的為氧化還原反

應(yīng)，有的為非氧化還原反應(yīng)，例如下列反應(yīng)：

CaO+H2O=Ca(OH)2

2Na+2H2O=2NaOH+Ikt

CL+HQ=HC1+HC10

狹義水解反應(yīng)指的是一些鹽類或二元化合物的非氧化-還原的分解水的反應(yīng)，如：

PC15+H20==H3P0(

Na2cO3+HzO===NaIIC03+NaOH

PBC1：＜H2O===PbOClI+2HC1

水在很多方面還是一種催化劑。極微量的水有時會對反應(yīng)的進行起重大作用。

四、水分子間的質(zhì)子傳遞反應(yīng)

水是一個弱電解質(zhì)，它可以產(chǎn)生微弱的電離，電離反應(yīng)式可表示為：

H20+H，0===HQ*+OH

295K時水解離的氫離子濃度與氫氧離子濃度的乘積為1X10",此值稱為水在295K時

的離子積，離子積隨溫度的變化明顯。

第三節(jié)水的異常特性與結(jié)構(gòu)

分子結(jié)構(gòu)的特點是具有很大極性和生成氫鍵的很強能力。

水分子之間很強的相互作用，內(nèi)聚力很大，在提高溫度、增強水分子熱運動時需要更多

的熱量和更高的溫度。

在常溫下所有的液體中，除汞以外，水具有最大的表面張力(72.75達因/厘米，20?,

而其他液體大多只在20-50范圍。

一溶點和沸點相對較高，比熱很大，溶解熱和蒸發(fā)熱都有較高數(shù)值，水的表面張力

很強。

一水的各種界面特性，如毛細、潤濕、吸附等均很突出，在各種物理化學(xué)變化中

以及自然界機體生命活動中起著顯著作用。

水的溫度-體積效應(yīng)：冰溶解為水后，溫度升高時有兩種過程影響其體積和密度。一是

正常的熱運動增強，使體積膨脹密度減?。欢菤滏I解體，一部分水分子填充到晶格結(jié)構(gòu)空

隙中，使體積縮小密度增大。4℃以前，后一過程占優(yōu).

介電常數(shù)大，溶解和離解能力強，化學(xué)反應(yīng)活潑，是由于水分子的極性和氫鍵生成能力，

能夠產(chǎn)生強烈水合作用。

第三章水質(zhì)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)

第一節(jié)水質(zhì)指標(biāo)

水質(zhì)是指水和其中所含的雜質(zhì)共同表現(xiàn)出來的物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的綜合特性。水

質(zhì)指標(biāo)是表示水中雜質(zhì)的種類、成分和數(shù)量，是判斷水質(zhì)的具體衡量標(biāo)準(zhǔn)。表3-1是水質(zhì)指

標(biāo)的分類。

表3-1水質(zhì)指標(biāo)的分類及實例

感官物理性狀指標(biāo)溫度、色度、嗅和味、渾濁度、透明度等

物理性水質(zhì)指標(biāo)

其它物理性水質(zhì)指標(biāo)總固體、懸浮固體、溶解固體、可沉固體、電導(dǎo)率等.

pH、堿度、硬度、各種陽離子、陰離子、總含鹽量、一

一般的化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)

般有機物質(zhì)等

化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)有毒的化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)各種重金屬、氟化物、多環(huán)芳?脛、各種農(nóng)藥等

溶解氧DO、化學(xué)需氧量COD、生化需氧量BOD、總需氧

氧平衡指標(biāo)

量TOC等

生物學(xué)水質(zhì)指標(biāo)細菌總數(shù)、總大腸菌數(shù)、各種病原細菌、病毒

卜.面僅介紹國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)中的的幾種主要的水質(zhì)指標(biāo)。

一、物理性水質(zhì)指標(biāo)

1.感官物理性指標(biāo)

(1)溫度

水的許多物理特性、物質(zhì)在水中的溶解度以及水中進行的許多物理化學(xué)過程都和溫度有

關(guān)。地表水的溫度隨季節(jié)、氣候條件而有不同程度的變化，0.『30七。

地下水的溫度比較穩(wěn)定，8-12℃

工業(yè)廢水的溫度與生產(chǎn)過程有關(guān)。

飲用水的溫度在10℃比較適宜。

測定：現(xiàn)場測定，與地點和深度有關(guān)，用0.1℃的汞溫度計。

(2)顏色和色度

純水是無色的。顏色有真色和表色之分。真色是由于水中所含溶解物質(zhì)或膠體物質(zhì)所致,

即除去水中懸浮物質(zhì)后所呈現(xiàn)的顏色。表色包括由溶解物質(zhì)、膠體物質(zhì)和懸浮物質(zhì)共同引起

的顏色。一般只對天然水和用水作真色的測定。

用鋁鉆標(biāo)準(zhǔn)比色法：氯鉗酸鉀KzPtCk和氯化鉆CoCh-6FM配置的混合溶液作為色度的

標(biāo)準(zhǔn)溶液,規(guī)定1升水中含有2.491毫克K2Ptek及2.00毫克CoCL?6IL0時,即Pt的濃度

為1毫克/升時所產(chǎn)生的顏色為1度。

測定水樣時，將水樣顏色與一系列具有不同色度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進行比較或繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線在

儀器上進行測定。

由于氯伯酸鉀太貴，一般用重倍酸鉀和硫酸鉆，稱銘鉆比色法。

對廢水和污水的顏色常用文字描述，如定性的或深淺程度的一般描述。

必要時輔以稀釋倍數(shù)法：在比色管中將水樣用無色清潔水稀釋成不同倍數(shù)，并與液面高

度相同的清潔水作比較，取其剛好看不見顏色時的稀釋倍數(shù)者，即為色度。

(3)渾濁度和透明度

水中由于含有懸浮及膠體狀態(tài)的雜質(zhì)而產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象。水的渾濁程度可以用渾濁度來表

示。水體中懸浮物質(zhì)含量是水質(zhì)的基本指標(biāo)之一，表明的是水體中不溶解的懸浮和漂浮物質(zhì)，

包括無機物和有機物。懸浮物對水質(zhì)的影響在阻塞土壤孔隙，形成河底淤泥，還可阻礙機械

運轉(zhuǎn)。懸浮物能在1至2小時內(nèi)沉淀下來的部分稱之為可沉固體，此部分可粗略地表示水體

中懸浮物之量。生活污水中沉淀下來的物質(zhì)通常稱作污泥；工業(yè)廢水中沉淀的顆粒物則稱作

沉渣。

A.渾濁度與色度：

B.渾濁度與懸浮物含量：

懸浮物含量是水中可以用濾紙截留的物質(zhì)重量，是一種直接數(shù)量。

渾濁度是一種光學(xué)效應(yīng)，表現(xiàn)出光線透過水層時受到的阻礙的程度，與顆粒的數(shù)量、濃

度、尺寸、形狀和折射指數(shù)等有關(guān)。

硅單位：以不溶性硅如高齡土、漂白土等在蒸儲水中所產(chǎn)生的光學(xué)阻礙現(xiàn)象為基礎(chǔ)，規(guī)

定1亳克/升的SiOz所構(gòu)成的渾濁度為1度。

標(biāo)準(zhǔn)燭單位：用蜂蠟和鯨腦蠟按一定規(guī)格制成標(biāo)準(zhǔn)燭，在直立的玻璃管下點燃，管中注

入待測水樣，自上方俯視，逐漸增大水柱高度，直到燭焰恰不能再見到時為止，此水柱高度

即為標(biāo)準(zhǔn)燭光值。

散射濁度單位(FTU)或甲NTU：用硫酸腫和六次甲基四胺混合液作為標(biāo)準(zhǔn)渾濁液，可

成為標(biāo)準(zhǔn)明單位：即以L000克硫酸班加水配成100毫升溶液，10.00克六次甲基四胺也配

成100毫升溶液，取兩溶液各5.0毫升混合靜置24小時，加水定容為100毫升，其渾濁度

為400度。

透明度與渾濁度相反，測定有鉛字法和十字法。

1FTU=1JTU。渾濁度是一種光學(xué)效應(yīng)，是光線透過水層時受到阻礙的程度表示水層

對于光線散射和吸收的能力。它不僅與懸浮物的含量有關(guān)，而且還與水中雜質(zhì)的成分、顆粒

大小、形狀及其表面的反射性能有關(guān)。

2.其它物理性指標(biāo)

(1)總固體(TotalSolids)：

水樣在103T05℃下蒸發(fā)干燥后所殘余的固體物質(zhì)總量，也稱蒸發(fā)殘余物。

(2)懸浮性固體(SuspendedSolids)和溶解固體(dissolvedSolids):；

水樣過濾后，濾樣截留物蒸干后的殘余固體量稱為懸浮性固體，濾過液蒸干后的殘余固

體量。

(3)揮發(fā)性固體(VolatileSolids)和固定性固體(FixedSolids):

在一定溫度下(600℃)將水樣中經(jīng)蒸發(fā)干燥后的固體灼燒而失去的重量?？陕员硎居?/p>

機物含量。灼燒后殘余物質(zhì)的重量稱為固定性固體。

(4)電導(dǎo)率

水中溶解的鹽類均以離子狀態(tài)存在，具有一定的導(dǎo)電能力，因此電導(dǎo)率可以間接地表示

出溶解鹽類的含量。

電導(dǎo)率的大小受溶液濃度、離子種類及價態(tài)和測量方法的影響。

電導(dǎo)率是指一定體積溶液的電導(dǎo)，即在25℃時面積為1平方厘米，間距為1厘米的兩片平

板電極間溶液的電導(dǎo)。m$/m或uS/cm。

對天然水而言：TDS=(0.55-0.70)s

二、化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)

1.一般化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)

(1)pH

重要的水質(zhì)指標(biāo)之一。

一般天然水體的pH值在6.0-8.5之間。最測定可用試紙法、比色法、電位法。試紙法雖

簡單，但誤差大；比色法用不同的顯色劑進行，比較不方便；電位法用一般酸度計。

(2)硬度(Hardness)

致硬金屬離子有：a.鈣、鎂離子;b.鐵、鎰、錮等二價陽離子;c.鋁離子、三價鐵離子

按陰離子分：碳酸鹽硬度：由鈣鎂的碳酸鹽、重碳酸鹽所形成，可經(jīng)煮沸而除去。暫時

硬度。

Ca(HCO3)2=====CaCO3I+CO2t+H20

非碳酸鹽硬度：由鈣、鎂的硫酸鹽、氯化物等形成，不受加熱的影響。永久硬度。

總硬度=鈣硬度+鎂硬度=碳酸鹽硬度+非碳酸鹽硬度

硬度的單位：

mmol/L、mg/L(以CaCCh計)、法國度：10mg/L的CaCCh、德國度：10mg/L的CaO

設(shè)S=碳酸鹽堿度+重碳酸鹽堿度=2[CO3]+[HCO3]

1.當(dāng)1/2SCH總時：H,?ffl=l/2S,H『碳底昕Hs-1/2S

2.當(dāng)1/2S=田時：H(ott=H.e,0

3.當(dāng)1/2S>Hu時：H硬峻僦=Hu,H"硬設(shè)晶=0,

負(fù)硬度=HM1/2S,主要由鈉、鉀的碳酸鹽和重碳酸鹽構(gòu)成。

(3)堿度

定義：水中能與強酸發(fā)生中和反應(yīng)的全部物質(zhì)。即水接受質(zhì)子的能力。包括各種強堿、

弱堿和強堿弱酸鹽，有機堿等。

天然水中的堿度主要有：C。產(chǎn)、HCOg、OH\HSiO3\H2BO3\HPO4\HS.和NH3')等。

其中CO-3、HCO3、。牙是主要的致堿度陰離子。

堿度的測定：用中和滴定法進行。用酚配為指示劑測得的堿度為酚儆堿度P。用甲基橙

為指示劑測得的堿度為甲基橙堿度，或稱總堿度T。從酚猷變色到甲基橙變色之間的，所用

去的FT的物質(zhì)的量，為MoT=P+M

表三種堿度的計算表

2

滴定結(jié)果氫氧化物堿度[OH]碳酸鹽堿度2[CO3]重碳酸鹽堿度[HCOJ

P=000T

P<1/2T02PT-2P

P=1/2T0T0

P>1/2T2P-T2(T-P)0

P=TT00

pH叮碳酸鹽:

pH>10,丁=氫氧化物堿度；

2

8.3<pH<10,T=2[CO3]+[HCO3];

4.5<pH<8.3,T=[HCO3];

pH<4.5,T=0o

單位：mg/L;meq/L;

1meq/L=50mg/L的CaCC）3=5法國度=28mg/L的CaO=2.8德國度

（4）酸度和游離CO?

酸度是指水中能與強堿發(fā)生中和作用的物質(zhì)總量?？偹岫劝ǎ?/p>

a.強酸：HO、HNO3、H2s等；

b.弱酸：CO?、H2c。3、H2s及有機酸；

c.強酸弱堿鹽：FeCl3,AMS。。等；

總酸度關(guān)氫離子濃度

測定：中和滴定法。

（5）酸根

硫酸根SCU"：水垢的重要陰離子；可轉(zhuǎn)化成H2s惡臭和腐蝕現(xiàn)象。

氯離子C「：海水達到18000mg/L;一般淡水?dāng)?shù)十到數(shù)百mg/L;超過500-1000mg/L時有明

顯的咸味。

硝酸根NC>3.:主要來源于有機物的生物降解。

（6）堿金屬

Na\K+：其鹽類是溶于水的。它們的特性相近，常常合在一起測定。對水質(zhì)影響不很

顯著。反映水中的含鹽量。

（7）鐵

鐵在水中以二價和三價鐵的各種化合物形式存在。地表水中，鐵以三價鐵形式存在，可

形成氫氧化鐵沉淀或膠體微粒。地下水中，鐵以二價鐵的形式，可達數(shù)十毫克/升。沼澤水

中鐵可能以有機鐵的形式存在。

易生成沉淀或銹斑、水垢組成物。

（8）鎰

常與鐵伴隨，許多表現(xiàn)與鐵相似。在引用水水比鐵的危害性大。在水中以二價形式存在。

有機鋅會使水質(zhì)變壞，帶有異味。

測定：比色法。

（9）硅酸

天然水中含量在6-120mg/L之間；地下水比地表水中多。

存在形態(tài)：單分子的正硅酸HqSiOdSHOH）」,可電離成SiO（OH）3、SiOXOH］等。在高濃

度、低pH時，可聚合為多核絡(luò)合物、高分子化合物以至膠體微粒。

是水垢的主要離子，且難以去除。

（10）溶解氧

常溫下水中氧的飽和量在4-14mg/L。海水中的含氧量為淡水的80%。用碘量法或儀器測

定法進行。

（11）硫化氫

濃度達lmg/L時就有明顯的臭氣。油田地下水中可能含有大量的硫化氫。對混凝土和金

屬產(chǎn)生侵蝕破壞作用。用碘量法測定。

2.氧平衡指標(biāo)

（1）化學(xué)需氧量和耗氧量

定義：在一定嚴(yán)格的條件下，水中各種有機物質(zhì)與外加的強氧化劑（2504、KMnOQ

作用時所消耗的氧化劑量，以氧（0）的mg/L表示。

按氧化劑的不同，可分為；

A.重銘酸鉀耗氧量（化學(xué)耗氧量ChemicalOxygenDemand=COD）

在強酸性條件下，加熱回流2小時（有時加入催化劑），使有機物質(zhì)與重倍酸鉀充分反

應(yīng)。

可將水中絕大多數(shù)有機物質(zhì)氧化，但對于苯、甲苯等芳香燒類化合物較難氧化。

B.高缽酸鉀耗氧量（耗氧量OxygenConsumed=OC）

不能代表水中有機物的全部含量，一般水中不含氮的有機物質(zhì)在測定條件下易被高鎰酸

鉀氧化，而含氮的有機物就難分解。

一般用于測定天然水和含容易被氧化的有機物的一般廢水。

（2）生化需氧量

BOD=BiochemicalOxygenDemanded

生化需氧量是指在人工控制的一定條件下，使水樣中的有機物在有氧的條件下被微生物

分解，在此過程中消耗的溶解氧的mg/L數(shù)。BOD愈高，反映有機耗氧物質(zhì)的含量也愈多。

有機物生化分解耗氧的過程較長（20。。需100天以上），通常分為兩個階段進行。第一

階段稱為碳化階段，廢水中絕大多數(shù)有機物被轉(zhuǎn)化為無機的CO?、氏0和N%；第二階段稱

為硝化階段，主要是氨依次被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。測定第一階段的生化需氧量需在

20C下20天。目前多數(shù)國家采用5天（20℃）作為測定的標(biāo)準(zhǔn)時間，所測結(jié)果稱為5天生

化需氧量，以BODs表示。據(jù)試驗研究，生活廢水的BODs與第一階段需氧量BOD的比值

約為0.7,而工業(yè)廢水的水質(zhì)差異較大，兩者之間的比值各不相同。

BOD包括不含氮有機物和含氮有機物中碳素部分。BOD不如COD徹底，BOD5只是一部

分生化需氧量，所以BOD5比COD要低得多。

（3）總有機碳（TotalOrgnicCarbon）

在900-950℃高溫下，以鋁為催化劑，使水樣氣化燃燒，有機碳即氧化成CO2，測量所

產(chǎn)生的CO?量，在此總量中減去碳酸鹽等無機碳元素含量，即可求出水樣中的TOC。（注：

需去除無機碳的干擾）

因只考慮有機碳，排除了其他元素，仍不能直接反映有機物的真正濃度。已儀器化，用

以間接表示水中有機物質(zhì)含量的綜合性指標(biāo)。

（4）總需氧量（TotalOxygenDemand）

在特殊的燃燒器中，以銅為催化劑，在900c高溫下使一定兩的水樣氣化，其中有機物

燃燒變成穩(wěn)定的氧化物時所需的氧量，結(jié)果以氧（O）的mg/L表示。

測定時間只需3分鐘，可自動控制進行?？旖莺啽?。測定結(jié)果比BOD、COD更接近于需

氧量，一般認(rèn)為是真正的有機物完全氧化的總需氧量。

3.其它

（1）灼燒減量

是測定有機物含量的最簡單、最原始的方法。常用于含有機物量多的廢渣。

把樣品在105℃下烘干去掉水分，稱重后用600℃灼燒，然后稱量得到減量，以此代表

有機物。

在此溫度下可使含碳及其它有機物燃燒揮發(fā)，而無機鹽揮發(fā)量卻可降至最低。

（2）含氮化合物

有機氮是表明各種蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等含氮有機物總量的水質(zhì)指標(biāo)。

有機氮是利用濃硫酸把全部有機物中的氮都分解轉(zhuǎn)化成氨，然后加以測定。有機氮在有

氧條件下進行生物氧化，逐步分解成無機的N%、NHj、NOf、NO；等形態(tài)，N%、NFU+

稱為氨氮，NO/稱為亞硝酸氮，NO3-稱為硝酸氮。它們代表有機氮轉(zhuǎn)化成無機氮的各個不

同階段。

第二節(jié)工業(yè)用水要求及水質(zhì)控制

一、工業(yè)用水的水質(zhì)要求

應(yīng)滿足生產(chǎn)用途的需要，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，同時不會產(chǎn)生副作用，造成生產(chǎn)故障，損害

技術(shù)設(shè)備，所以不同的工業(yè)用水對水質(zhì)提出多方面的要求，規(guī)定出一定的水質(zhì)指標(biāo)。

規(guī)定往往不是由國家部門正式頒發(fā)的規(guī)范，而只是一些參考性質(zhì)的技術(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合具體

情況在使用中予以限制。

1.原料用水

主要指飲料、食品制造工業(yè)、電解水、醫(yī)藥、藥劑制造工業(yè)等。

（1）飲料、食品制造工業(yè)的水質(zhì)要求基本與生活飲用水相同。也有特殊：

釀酒工業(yè)：考慮對微生物發(fā)酵過程的影響，鈣鎂作為營養(yǎng)料應(yīng)有一定量；C1促

進糖化作用50mg/L左右；NO?在0.2以下，NCh在5-25mg/L

（2）電解水、醫(yī)藥、藥劑制造工業(yè)要求含鹽量低，鐵錦盡量低，最好是純水。

2.產(chǎn)品工藝用水

輕工業(yè)和化學(xué)工業(yè)：制糖、造紙、紡織、染色、人造纖維、有機合成等。在生產(chǎn)過程中，

水本身并不進入最終產(chǎn)物，但其所含成分可能進入產(chǎn)品影響產(chǎn)品質(zhì)量。

制糖用水要求盡量少含有機物、含氮化合物、細菌等；精制糖常用純水；造紙用水對不

同級別的紙有不同的水質(zhì)要求。渾濁度、色度、鐵鎰以致鈣鎂會影響光潔度和顏色，氯化物

和含鹽量影響紙的吸濕性；紡織染色工業(yè)對硬度和含鐵量要求較高，生成的沉積物會減弱纖

維的強度，使染料分解變質(zhì)，色澤鮮明度降低。

3.生產(chǎn)過程用水

不直接進入產(chǎn)品，只是一般接觸或清洗表面，大多對產(chǎn)品質(zhì)量影響不大。這類用水沒有

共同的水質(zhì)要求，視具體用途提出不同標(biāo)準(zhǔn)。

a.油田注水：無沉積物，不致堵塞油層；

b.電鍍清洗用水：在金屬表面沒有沉積生成斑點，要求硬度、金屬離子、固體鹽類含量

盡量低。

4.鍋爐動力用水

按鍋爐的壓力和溫度提出不同的要求，對硬度要求較高，易生成水垢；溶解氧會造成設(shè)

備腐蝕；油脂會產(chǎn)生泡沫和促進沉垢；游離3、pH、含鹽量、堿度、Cl、SiO,、等與結(jié)垢、

腐蝕、泡沫等有關(guān)。

工業(yè)鍋爐：以蒸汽做熱源或一般動力，多為中低壓鍋爐，對水質(zhì)要求較低；

電站鍋爐：以蒸汽驅(qū)動汽輪機，多為高壓甚至超高壓，同時要考慮蒸汽對汽輪機的沉積

結(jié)垢和腐蝕問題，對水質(zhì)要求十分嚴(yán)格。

5.冷卻用水

基本要求：水溫盡可能低，不隨氣候劇烈變化；不產(chǎn)生水垢、泥垢等堵塞管路現(xiàn)象；對

金屬無腐蝕性；不繁殖微生物和生物等。

無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般應(yīng)考慮藻類、微生物、懸浮物、硬度鹽類、溶解氣體、有機物、酸、

油脂等項目。

6.純水和超純水

純水是指進行一定深度除鹽處理的水，一般包括除鹽水、純水和超純水。

純水又稱去離子水或深度除鹽水，含鹽量降到LOmg/L以下，電導(dǎo)率降低到1-0.luQ

/cm；超純水或高純水，是在進一步除鹽外，還把水中的氣體、膠體、有機物、細菌等各種

雜質(zhì)都去除到最低限度，含鹽量降到0.lmg/L以下，電導(dǎo)率降低到0.1口Q/cm以下。

二、水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)

1.生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-1985

現(xiàn)代的飲用水水質(zhì)要求衛(wèi)生和美感兩個要求。水質(zhì)不僅要求要有意或無損于人的健康，

還要在飲用時感到晶瑩可口。

2.水體污染控制標(biāo)準(zhǔn)

《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB8978-1996

將污染物按其性質(zhì)及控制方式分兩類，并按建設(shè)年限規(guī)定了部分行業(yè)最高允許排放水量

和第一、第二類污染物最高允許排放濃度。

1997年12月31日之前（包括改、擴建）的單位，執(zhí)行附表1、2、3的規(guī)定。1998年1月1

日起建設(shè)（包括改、擴建）的單位必須同時執(zhí)行附表1、4、5的規(guī)定。

3.

第三章化學(xué)反應(yīng)的基本原理：化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和化學(xué)平衡

第四章酸堿化學(xué)

第五章配位化學(xué)

第六章氧化還原化學(xué)：電化學(xué)腐蝕、鐵、氯、氮化學(xué)及高級氧化過程

第七章相間作用：表面張力與表面自由能、氣體在水中的溶解與揮發(fā)、固體的沉淀與溶解、

固體表面吸附、沉積物和膜化學(xué)

第二篇工業(yè)用水的預(yù)處理

第一章序論

第一節(jié)溶液中雜質(zhì)的狀態(tài)

雜質(zhì)在水中的存在形式有：懸浮態(tài)(suspended)、膠體態(tài)(colloidal)、溶解態(tài)

(dissolved)。

一、溶解性物質(zhì)

實際存在于溶液中，并均勻地分散在溶液中。

只有一個相存在。必須借助下述相轉(zhuǎn)移方式去除之。

蒸儲(distillation)：液相一氣相;

沉淀(precipitation)：形成固態(tài)物質(zhì)而從水中分離；

吸附(adsorption)：與固體顆粒結(jié)合形成復(fù)合物；

萃取(extraction)：A相一B相。

而過濾(filtration)、沉降(sedimentation)或離心(centrifugation)等物理方法不可

去除之。

二、懸浮固體

尺寸較大時，可通過沉降或過濾從水中除去；

尺寸較小時(如細菌)，約在0.lT.Oum之間。

也稱為可過濾固體(filterablesolids),在環(huán)境工程領(lǐng)域中，定義為可被玻璃纖維濾

盤(glassfiberfilterdisc)分離的固體顆粒。

可利用沉降、過濾與離心等物理方法從水中去除。

三、膠體顆粒

其尺寸介于溶解性物質(zhì)與懸浮固體之間。

顆粒是固態(tài)的可利用告訴離心機或孔隙非常小的膜過濾加以分離。

由于顆粒太小，用沉降或一般的過濾方法不能將其去除。

膠體顆粒會產(chǎn)生Tynda11效應(yīng)。

第二節(jié)預(yù)處理的任務(wù)

一、預(yù)處理的任務(wù)

預(yù)處理是指進入離子交換裝置或膜法脫鹽裝置前的處理過程。包括凝聚、澄清、過濾、

消毒等技術(shù)。

主要任務(wù)：

(1)去除懸浮物、膠體物和有機物；

(2)降低生物物質(zhì)，如浮游生物、藻類和細菌；

(3)去除重金屬，如鐵、鎰；

(4)為減少除鹽設(shè)備的負(fù)擔(dān)，去除鈣鎂硬度和重碳酸鹽。

二、污染粒子尺寸和處理技術(shù)

懸浮雜質(zhì)包括泥砂、蟲類、原生生物、藻類、細菌病毒、高分子有機物等；

粒徑在0.1mm以上的泥砂顆粒，沉積速率在7.5mm/s以上時可靠自然沉淀把其除去；

當(dāng)粒徑為0.01mm時，沉積速率為0.075mm/s,用自然沉降法就不經(jīng)濟了；

粒徑在0.0017mm時的膠體溶液，必須用混凝技術(shù)。

三、原水預(yù)處理的水質(zhì)要求

1.各種脫鹽裝置都有不同的預(yù)處理要求，應(yīng)根據(jù)這些要求選擇合理的預(yù)處理系統(tǒng)。

例如：凝膠型樹脂，正流再生床要求懸浮物小于5ppm,浮床要求小于Ippm,游離氯小于

0.Ippm；反滲透(中空纖維式)要求濁度小于0.3。

2.預(yù)處理水質(zhì)超標(biāo)時，脫鹽裝置就不能正常運行。

例如：浮床進水濁度高時，會造成壓差增大，再生比耗高；電滲析進口水濁度高時.，壓

差增大，產(chǎn)水量降低，耗電量增大，檢修周期變短；高分子有機物會使凝膠型陰離子交換樹

脂污染，造成吸收SiO?能力降低，正洗水量變大；鐵、鎰等金屬會使樹脂中毒，造成再生比

耗變大；微生物類會影響混凝效果，使濾池濾層結(jié)塊，濾層不易洗凈，影響出水濁度。

第二章混凝

自然沉降不能去除所有的懸浮物和膠體?；炷词峭ㄟ^投加化學(xué)藥劑來破壞膠體和懸浮

物在水中形成的穩(wěn)定體系，使其聚集為具有明顯沉降性能的絮凝體，然后用重力沉降法予以

分離。

混凝過程包括凝聚和絮凝兩個步驟，凝聚是指使膠體脫穩(wěn)并聚集成微絮粒的過程；絮凝

是指微絮粒通過吸附、卷帶和橋連而成長為更大的絮體的過程。凝聚和絮凝統(tǒng)稱為混凝。

一、膠體的穩(wěn)定性和膠體結(jié)構(gòu)

1.膠體的穩(wěn)定性

水中的同種膠體微粒帶有同號電荷，在靜電斥力的

穩(wěn)定性。

2.膠體的結(jié)構(gòu)

a.膠核：由數(shù)十個至數(shù)千個不溶于水的分散相

物質(zhì)分子組成的。

b.膠粒的電位離子：膠核的表面上選擇性地吸

附了一層帶同號電荷的離子；其來源于膠核

表層分子電離，或膠核從水中吸附來的。

一決定了膠粒的帶電符號和電荷多少，構(gòu)

成雙電層的內(nèi)層。

c.反離子：電位離子層通過靜電作用而吸引的水

由2-1膠體敷地結(jié)構(gòu)和雙電層及電動電位圖.

中相反電荷的離子，構(gòu)成雙電層的外層。

d.反離子吸附層：反離子與電位離子之間。當(dāng)膠

核運動時，它也隨著一起運動。構(gòu)成膠團的固定層。

e.反離子擴散層：固定層以外。電位離子對其引力較弱，不隨膠核一起運動，并有向水中

擴散的趨勢。

f.膠粒：固定層和擴散層之間的交接面稱為滑動面，滑動面以內(nèi)的部分稱為膠粒。

g.膠團：膠粒與擴散層一起構(gòu)成了電中性的膠團。

h.膠體的電動電位（;電位）

當(dāng)膠粒運動時，擴散層中的大部分反離子就會脫離膠團，向溶液主體擴散。其結(jié)果

必然使膠粒產(chǎn)生剩余電荷，使膠粒與擴散層之間形成一個電位差，其可反映膠粒帶電的

多少，衡量膠體穩(wěn)定性的大小。;愈高，穩(wěn)定性愈高。

I.總電位(中電位)

膠核表面的電位離子與溶液主體之間的電位差。一中電位一定時，擴散層愈厚，，

愈高。

二、混凝機理

不同的化學(xué)藥劑能使膠體以不同的方式脫穩(wěn)，其機理可歸結(jié)為四種：

(1)壓縮雙電層

膠體的穩(wěn)定性取決于兩種力何者占主導(dǎo)地位。

當(dāng)距離很近時，范得華力占優(yōu)勢，合力為吸引力，兩個顆?？梢韵嗷ノ?，膠體脫穩(wěn);

當(dāng)距離較遠時，庫侖斥力占優(yōu)勢，合力為斥力，兩個顆粒相互排斥，膠體將保持穩(wěn)定。

當(dāng)膠體顆粒間距離大于3nm時，顆粒總處于相斥狀態(tài)

對憎水膠體顆粒而言，其膠核表面間隔著兩個滑動面內(nèi)的離子層厚度，使其總處于相斥

的狀態(tài)，這就是憎水膠體保持穩(wěn)定的根源；

對親水膠體顆粒而言，因其吸附大量的水分子而構(gòu)成水殼，使它們不能靠近而保持穩(wěn)定。

投加電解質(zhì)后，水中與膠粒上反離子具有相同電荷的離子濃度增加了。這些離子可與吸

附的反離子發(fā)生交換或擠入吸附層，使膠粒帶電荷減少，降低&電位，并使擴散層厚度縮小。

壓縮雙電層

各種電解質(zhì)壓縮能力是不同的。在濃度相同的條件下,破壞能力隨離子價的增高而加大。

Schulze-Hardy法則:

能力與離子價的2-6次方成正比。

對同一膠體體系，要獲得相同的壓縮雙電層效果時，用一價離子的濃度需要25?

150mmol/L;二價離子需要0.5?2mmol/L；三價離子需要0.01~0.Immol/Lo

在電解質(zhì)作用下膠團雙電層的變化吸附電中和

(2)吸附電中和

膠體表面對異號離子、異號膠?；蜴湢罡叻肿訋М愄栯姾傻牟课挥袕娏业奈阶饔?。

由于這種吸附作用中和了它的部分或全部電荷，減少了靜電斥力，因而容易與其它顆粒

接近而相互吸附。

(3)吸附架橋作用

若藥劑是具有能吸附膠粒的鏈狀高分子聚合物，或者兩個同號膠粒吸附在同一個異號膠

粒上，膠粒間就能連結(jié)、團聚成絮體而被除去。

酬艘朗

高分子聚合物的吸附架橋作用

(4)卷掃作用(網(wǎng)捕作用)

若藥劑含金屬離子，由于金屬離子的水解和聚合，會以水中的膠粒為晶核形成膠體狀沉

淀物，或者在這種沉淀物從水中析出的過程中，會吸附和網(wǎng)捕膠粒而共同沉降下來。

沉淀物卷掃作用

1-原水中懸浮微粒；2-絮狀沉淀物；3-殘留懸浮微粒

三、影響混凝的因素

1、水溫

無機混凝劑溶于水時是放吸反應(yīng)，水溫低時不利于混凝劑的水解。

水溫低時，水的黏度大，膠粒的布朗運動強度減弱，彼此間碰撞機會減少，不易凝聚。

水的黏度大時，水流阻力增大，使絮凝體的形成長大受到阻礙，從而影響混凝效果。

2、pH和堿度

無機鹽混凝劑對水的pH值都有一定的要求。如，鋁鹽：5.5?8.5；鐵鹽：>8.5

堿度對pH有緩沖作用。以保證鋁、鐵鹽在水解時引起pH變化而效果下降。

3、水質(zhì)

當(dāng)水的濁度較低，顆粒細小而均一，投加的混凝劑又少，僅靠混凝劑與懸浮微粒之間相

互接觸，很難達到預(yù)期目的，可以加大混凝劑用量。

當(dāng)水中濁度較高時，用量要控制適當(dāng)，防止過量而引起膠粒再穩(wěn)。

對高濁度水，混凝劑主要起吸附架橋作用，用量隨捉度的增加而增大。

水中的有機物質(zhì)會降低混凝效果。

四、混凝劑

1.無機金屬鹽類混凝劑

如硫酸鋁、氯化鋁、氯化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鐵等；?鋁鹽的水解

(1)當(dāng)pHW4,AU+以六水合鋁離子次1(為0)6]6+為主要存在形態(tài)，pH升高，發(fā)生水解：

6+2++

[Al(H2O)61==[A1(OH)(H2O)51+H

[Al(OH)(H2O)5]2+=[A1(OH)2(H2O)4]++H+

[Al(OH)2(H2O)4J+=A1(OH)3(H2O)3I+H+

(2)當(dāng)pH24時，羥基合鋁離子增加，各離子的羥基之間還可能發(fā)生架橋連接(羥基架橋),

產(chǎn)生多核羥基配合物，繼續(xù)水解。水解與縮聚交錯進行，生成聚合度極大的中性氫氧化鋁，

最終沉淀。

0H\

3+4+

2[A1(OH)(H2O)5]==[(H2O)4A1\^(H2O)4]+2H2O

OH

在鋁鹽的水溶液中，存在著：

①簡單成分：A13+、A1OH2+、Al(0H)2+>Al(OH)3、Al(OH)4一等;

4+

②聚合成分:[A16(OH)1414+、[A17(0H)i714+、[A18(OH)2O1>[Al13(OH)34]5+等。

均發(fā)揮作用，其中以高價的聚合正離子作用尤為重要。

下圖是水中無其它復(fù)雜離子干擾時，濃度為10-4mol/L的鋁鹽在達到化學(xué)平衡時，個種

水解產(chǎn)物的濃度與水的pH值間的關(guān)系。

1.0

AI(OH),

Al(OH)；

At<OHV-AI(OH)；

不同pH值相對應(yīng)的三價鋁水解產(chǎn)物

(0.lnunol/LAl(C10()3,多核態(tài)水解產(chǎn)物可能包括雜愛Al(0H)z部分中)

其鋁、鐵鹽的作用有三種：

A.Al：\Fe”和低聚合度高電荷的多核羥基配合物的脫穩(wěn)凝聚作用：

B.高聚合度羥基配合物的橋連絮凝作用

C.以氫氧化物沉淀形式存在時的網(wǎng)捕絮凝作用。

不同pH、雜質(zhì)濃度下的作用：

A.在pH偏低、膠體及懸浮微粒濃度高、投藥量尚不足的反應(yīng)初期，以脫穩(wěn)凝聚為主;

B.在pH較高、污染物濃度較低、投藥量充分時，網(wǎng)捕絮凝作用為主；

C.在pH和投藥量適中時，橋連絮凝則成為主要的作用形式。

在一定p