水化学与水处理技术1.docx

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水化学与水处理技术1

0绪论

一、水资源

水是一种宝贵的自然资源；水是人类和一切生物赖以生存的物质基础；

水是可以更新的自然资源,能通过自身的循环过程不断地复原。

全球总贮水量估计为13.9亿立方千米,其中海洋就占97.2％,而淡水总量仅为0.36亿立方千米,除冰川和冰帽之外,可利用的淡水总量不足世界总贮水量的1％。

这部分淡水与人类的关系最密切,并且具有经济利用价值,虽然在较长时间内可以保持平衡,但在一定时间、空间范围内,其数量却是有限的,并非取之不尽,用之不竭的。

二、水危机

1.水的危机

水是生命的源泉，是社会经济发展的命脉。

在3月18日，联合国发出警告，除非各国政府采取有力措施，否则到2025年，世界上就将有近1/3的人口（23亿人）无法获得安全的饮用水，其主要原因是这些地区的水资源短缺。

目前，随着人类生产的发展和生活水平的提高，用水量以每年接近5%的速度递增，照此下去，每15年用水总量就翻一番，在2030年以前，地球上将有1/3以上的人面临淡水资源危机。

2.水危机产生的原因

（1）自然条件的影响

淡水在地球上的分布极不均匀,而且受气候变化的影响,所以许多国家和地区用水甚缺。

例如我国华北和西北处于干旱或半干旱气候区,季节性缺水很严重;

北非和南撒哈拉地区、阿拉伯半岛、伊朗南部、巴基斯坦和西印度是年降雨长期平均变化最大的区域,其变化的幅度超过40％,美国西南部、墨西哥西北部、非洲西南部、巴西最东端以及智利部分地区也是如此。

（2）城市与工业区集中发展

200多年来,世界人口趋向于集中在占地球较小部分的城镇和城市中,在20世纪中期以来,这种城市化进程已明显加快,；

目前世界上城市居民约占世界人口的41.6％,而城市占地面积只占地球上土地总面积的0.3％,在城市和城市周围又大量建设了工业区,因此集中用水量很大,超过当地水资源的供水能力。

用水量的增加表现在三个方面:

公共用水、工业用水、农业用水。

公共用水仅占很小比例（全球5～6％）;据不完全统计,近40年来,全世界工业用水增加近7倍,农业用水仅增加2倍,在发达国家工业用水占40％以上,而在发展中国家工业用水则不到10％。

在工业用水中,主要是能源部门、冶金工业、化学工业等部门的冷却用水量大,如在热电厂,每生产1000千瓦时电,需用水200～500立方米;农业用水的消耗主要是灌溉用水。

（3）水体污染破坏了有限的水资源

这是造成水危机的重要原因之一。

（4）用水浪费

城市生活用水浪费最大的是管网和卫生设备的漏水。

据估计北京市漏水量占总用水量的10～40％,最严重住宅区可达70％。

占工业用水的70％的工业冷却水必须采用循环冷却水处理技术。

3.我国水资源的危机

中国水资源总量为2．8万亿立方米，居世界第4位，次于加拿大、巴西和俄罗斯，略多于美国和印尼，占世界水资源总量的7%。

但中国人均水资源量为2304立方米每人，处于缺水上下限（3000～1000立方米每人）的中值，在世界银行近年做连续资源统计的132个国家中居第82位，只有世界平均水平的31%，属于水资源紧缺的国家（以上均按1998/99世界银行年度报告最新统计）。

中国的水资源分布同样很不均匀。

中国北方人均水资源仅为995．4立方米每人，属于严重缺水，并由于水污染和水土流失使情况更为恶化；中国的南方人均水资源量虽然超过人均3000立方米每人的缺水上限，但由于分布不均（如上海仅为185立方米每人）和污染严重，使得工业、农业和人民生活将得不到按现模式发展的足够水资源供应。

三、节水

水资源短缺对于中国大部分地区都是最根本的问题。

水资源供需矛盾解决的根本办法也正是节水。

这里说的节水是广义的节水，有三方面的含义。

1．节约用水

节约用水指降低每公斤粮食的耗水量、万元工业产值的耗水量和每人的生活用水量。

目前农业用水占工农业和生活用水的75%左右，节水工作应以农业节水灌溉为重点。

目前我国的万元工业产值耗水量一般是发达国家的10～20倍，个别行业达45倍；我国每公斤粮食的耗水量是发达国家的2～3倍；我国城市人均耗水量已接近发达国家的中等水平。

必须把节约用水作为一项长期措施，落实到每个企业、每个村落和千家万户。

2．提高水的重复利用率

提高水的重复利用率指工业生产的循环用水。

目前我国工业生产用水的重复利用率约为40%，远低于发达国家75%～85%的水平。

3．污水资源化

污水资源化指通过污水处理提高水的类别，从而使该排放掉的污水分别达到生态、农业、工业或生活用水的标准，使其资源化，是跨类别的广义重复利用。

四、水工业

如果把20世纪称作石油世纪的话，那么21世纪很可能就是水世纪。

与变幻莫测的通讯技术产业相比，水工业广阔的市场、巨额的产值和稳定的收益无疑更具吸引力。

难怪纽约一家投资公司的首席专家伊丽莎白把水工业称之为“下一世纪最好的投资领域”。

水处理工业由水工业企业、水工业制造业、水工业高新技术产业三部分组成。

1．水工业企业

水工业企业将给水排水有机地统一起来。

水是一种可再生资源：

取水是对自然资源水的加工活动；排水是对废水进行处理的工业活动。

不可偏废任何一方。

2．水工业制造业

水工业制造业是由生产给水排水行业所需的机电、化工、生物、冶金、材料以及电子等技术装备产品的工业部门无形中组成的工业系统，

它是给排水事业的支柱工业，必须与给排水事业同步发展；

3．水工业高新技术产业

水工业高新技术产业是指在给排水行业中运用高新技术开发出来的产业。

科技进步可以有效地为水工业可持续发展提供可靠的依据和手段，促进水工业管理水平的提高，并提高水资源综合利用效率和经济效益，提供保护水资源和生态环境的有效手段。

五、国外水处理技术发展的特点

1．政府与民营机构联手

目前在美国、南美洲一些国家和亚洲的印尼等国的许多城市都开始和民营水务公司展开合作。

仅供水一项，水工业全球的年产值就可以达到4000亿美元，这相当于全球石油工业的40％。

越来越多的城市开始选择民营供水公司，这些水务公司能够以极低的费用来推动整个水系统的运转，而政府则把节余的资金用来更新水厂的设备。

目前，全球最大的四家水务公司分别是法国的苏伊士、威望迪（vivendi）、英国的泰唔士河和美国的阿祖里克斯（Azurix）；苏伊士公司是最成功的一家。

它在6年间从濒临破产发展成市值350亿美元的跨国水务公司，足以证明水工业的吸引力。

苏伊士公司1999年利润为15亿美元，已和马尼拉、卡萨布兰卡、圣地亚哥和亚特兰大等20多个大城市展开合作。

目前已在我国苏州等地建立水处理厂。

2．战略兼并联合

随着市场竞争的加剧，工业企业间的兼并与联合战略增多，能对用户提供全方位服务的大水处理公司将在市场中起主导作用。

水处理公司间的兼并与收购具有积极的战略意图，因为收购已渗透或占领某一水处理领域及市场的公司比重新开拓市场容易：

如Betz公司收购Dearborn公司成立BetzDearborn公司之后，在中间市场的销售额由15%增加到28%，成为在80多个国家拥有用户、总资产达12亿美元的跨国公司；01年被GE公司收购，在上海张江建立研发中心，在无锡建立生产基地。

Nalco公司在1999年也被法国苏伊士公司收购。

03年又被某投资公司收购。

3．公司集约化

用户越来越偏爱能提供全方位服务的大公司。

水处理公司与工程公司实现联合战略后，就具备了对重工业用户提供全套服务、总承包的能力：

例如1996年6月Nalco公司和Filter公司实施战略联合，各控股50%，成立了TreatedWaterOutsouring（TWO）公司，它能在用户现场兴建、管理和运行水处理系统。

目前的一种趋势是工业企业选择一家能满足其全部或大部分需求的水处理公司，并与之合营，从而使用户与水处理公司间的联合日益紧密。

4．开拓国外市场

拉丁美洲水处理化学品市场年增长速度高于12%，一些亚太国家的年增长速度则高达30%。

远超过美国3-5%、欧洲5-7%的增长率。

中国、马来西亚、新加坡、韩国、泰国、巴西、墨西哥、智利、阿根廷等国家都是很有希望的市场。

美国、日本和西欧等发达国家的国内市场趋于饱和，为寻求发展，各大水处理公司正将目光转向拉丁美洲、亚洲和非洲等国外市场，在国外设有分支机构或代表处，通过合资或独资建厂，抢占国外市场，积极扩大市场占有率，使市场竞争十分激烈。

Nalco公司在拉丁美洲的市场销售额约为6000-7000万美元，占整个拉丁美洲水处理市场的2/3，1996年上半年，Nalco公司在该地区的市场销售额增长了17%。

Betz收购了Dearborn之后，国外市场占有率已由28%增至44%。

5．技术、产品专业化

目前许多公司均以水处理药剂方面的单项专利技术见长，如：

Nalco公司在现场服务管理，尤以示踪在线监测方面；

GreatLakesChemical公司在含溴杀菌剂方面；

Rohm＆Hass公司在专用杀菌剂、聚合物和离子交换树脂方面；

Cytec公司在水溶性聚合物方面；

Buckman在杀菌剂方面等具有优势。

UnionCarbide公司的戊二醛；

Bayer公司的PBTCA（2-膦酸基丁烷-1,2,4-三羧酸）；

FMC公司的POCA（膦酰基羧酸）；

Donlar公司的聚天冬氨酸；

Drew的锅炉除氧剂MIKORr；

Betzdearbon公司的HTP-2、PEGAE和聚环氧琥珀酸等；

日本三菱和法国STOHORSE等公司的絮凝剂，都具有领先的优势。

6．产品环保化

研究低毒和无毒的产品，开发低磷药剂（如PAPEMP、PBTCA、HPA、POCA等）和可生物降解药剂（聚天冬氨酸PASP、聚环氧琥珀酸PECA）；

以低磷、非磷配方代替磷系、铬系配方，以全有机配方代替含金属配方；

以臭氧、过氧化氢、溴化海因等取代Cl2、MBT等杀菌剂；

以DEHA、DEAE葡萄糖酸盐取代锅炉的铬酸盐、肼类等缓蚀剂；

以聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠取代泛用的无机混凝剂。

7．相关技术迅速发展

（1）生产过程的自动化

水处理药剂生产的自动化，为产品的质量提供了良好的保证；

（2）计算机管理

监测和分析技术上的进步，如TRASAR技术，为水处理的计算机系统管理提供了良好的基础，在线监测、远程控制等使水处理服务工作更加科学。

（3）水处理工程

性能优异的水处理设备的设计制造、机泵选型的实用性和先进性、管线运行的合理性和科学性、计算机辅助设计在水系统中的应用，使水处理工程产业快速发展。

8．其它

（1）研究相应的配套技术，如配方筛选的协同效应研究、试验方法、系统监测方法的研究；

（2）基础理论研究，如不同药剂的作用机理等。

六、国内水处理技术的困境

1．缺乏具有独立知识产权的产品

随着世贸组织的临近，知识产权的保护已提到日程上来。

知识创新和技术创新已成为我们目前的主要任务，剖析、仿制已不适应现代科技发展的需要。

根据世界贸易组织实施的与贸易有关的知识产权（TRIPs）保护协议，WTO各成员国应扩大对知识产权的保护范围，这要求中国企业必须通过支付专利许可证费用来合法购买西方发达国家的专利。

政府也将加大知识产权保护力度，严惩任何有损国家和企业名誉的侵权行为。

因此，未来关于知识产权保护的争端在一定时期内将不可避免地呈现上升趋势。

目前，我国在无机高分子絮凝剂方面已形成了不少专利，具有一定的优势；

在有机高分子絮凝剂、缓蚀阻垢剂、杀菌剂、阻垢分散剂等方面专利产品少，缺乏针对性强的独具特色的药剂，没有强有力的参与国际竞争的拳头产品、名牌产品和明星企业。

只有通过不断地研制创新，实现产业化，才能形成自己的品牌，才有可能具有国际竞争力。

2．生产规模小且分散，技术相对落后，质量不稳定，缺乏国际竞争力

现有的水处理剂产量尽管已基本满足国内市场的需求，但每个生产厂的规模小，单剂的生产最高为2-3吨，难以适应产品质量的均匀稳定、降低生产成本、出口等要求，

尤其在聚合物的生产上（如分子量的大小、分子量分布等）存在很大的差距。

3．应用技术水平较低

在废水处理与回用技术经济水平，总体来说是效率低、成本高。

缺乏水资源化处理的高效、低耗工艺及相应的设备，导致废水回用率低。

现有的水污染处理设施的运行率较低，废水处理的合格率在55%左右。

4.工程研究设计生产技术服务的配套方面未完全系统化,缺乏国际竞争的能力

配套设施的不完善，影响水系统管理的自动化，浪费人力资源，如石化一个水系统，需16-20人（4班3倒，每班4-5人，加上分析人员）；

而Nalco公司在自动化控制和管理、实现远程监测控制方面，Merck公司在水质分析仪器方面，均具有明显的优势，从而为水处理的管理和正常运行提供了保证。

5．缺乏大量的科研和软件开发的投入

没有投入，就没有产出，没有科技投入，就没有生命力。

目前的资金投入仅限于工业化的生产，而对基础研究的投入很少，从而使得水处理技术方面处于无纵深、无层次、技术储备少的状况，无法步入自我积累、自我发展的良性循环的运行状态。

6．其它

另外，由于中国大幅度降低关税和削减非关税壁垒，进入我国市场的交易成本将大大降低，外国投资者不再需要绕过高关税壁垒，有可能减少对华直接投资。

即使来华投资，他们不再需要将技术转让作为前提条件。

尤其是美国等一些西方国家，其一贯实行的对我国的高技术出口限制政策可能在一定时期或一定程度上有所加强。

这些都不利于我国引进国外的先进技术。

第一篇水化学

第一章水的结构及其模型

第一节水的结构

一、水分子结构

H2O分子结构中，是以O核为顶的等腰三角形。

在水蒸气分子中测定：

O-H距离为0.9568埃，H-H距离为1.54埃，H-O-H的键角为105°3′（or104.5°）

氢原子的电子构型为1S1，氧原子的电子构型为1S22S22P4。

氧的2S22P4等6个电子以不等性SP3杂化规道与两个氢原子的1S1电子结合为4对，构成O-H共价键及两对孤对电子。

H-O-H所在平面与孤对电子所在平面是相互垂直的。

氢原子的S电子云与氧原子的P电子云相重叠，形成整个水分子的统一电子云，其电子云密度主要集中在氧核附近。

从而构成氧端带负电、氢端带正电的典型极性分子。

水分子的偶极距很大，μ=1.84德拜。

----极性甚强。

图1-1水的分子结构

二、液态水的结构

水在液态下不是以单个水分子的形式存在，而是通过氢键产生缔合分子。

水的缔合是放热过程，所以温度升高，水的缔合程度下降，即（H2O）x的x值减小。

在高温时，水主要以单分子状态存在。

温度降低时水的缔合度增大，即（H2O）x的x值增大。

273.16K时水结成冰，全部水分子缔合成一个巨大缔合分子。

每个水分子可以同相接近的另外四个水分子生成四个氢键。

五个水分子之间就形成了四个氢键。

氢键能并不是最高，但它的数目多，切可在三维方向延伸展开，若全部饱和，总的氢键结合能可达10.2kcal/mol，对分子间作用来说已相当大。

气态的水分子大多是单个分子，间或有二聚体，很少三聚体。

三、冰的结构

冰中的每一个水分子都被相邻的四个水分子包围，每个水分子位于变形四面体的顶点，冰是由无数个这样的四面体通过氢键互相连结成一个庞大的晶体。

在冰中，O-H距离为0.99埃，H-O-H的键角为109°30′。

由于氢键的方向性要求，水分子不能做到紧密堆积，整个冰的结构是六方晶系晶格，因此，冰的晶体具有较大的空隙，即水结成冰后，体积增大，密度减小。

晶格排列最整齐的是普通的冰，称为I或Ih型，其密度只有0.92g/cm3。

水分子的中心距离由2.67埃到3.47埃。

在不同的低温和高压下，冰的形态结构有13种相变，其密度从0.92到1.63g/cm3不等。

第二节液态水的结构模型

连续模型，或均相模型：

在冰溶解为水时，并未使氢键断裂，只是发生氢键的弯曲或扭转，氢键的能量随H-O-H键角而变化。

混合模型：

在冰溶解时有一部分氢键解体，液态水中存在一部分单个的自由水分子，而有相当部分仍以微小冰晶粒子状态存在（其中包含有数十个水分子而成为水的缔合体）。

--一般水中是由自由水分子与微细晶体碎屑共存。

闪动模型：

水分子之间的缔合不是固定的，而是在每一瞬间不断地交换对象，形成水分子的自扩散。

第二章水的特性

第一节水的物理特性

一、比热

在不发生化学反应和相变的情况下，一定质量的物质温度升高一度所吸收的热量称为该物质的热容量或热容。

单位物质的热容称为比热。

因此，不同的物质增加相同的温度，比热越大的物质吸收的热量越多。

水的比热在所有液体和固体物质中是最大的，同时具有很大的蒸发热和溶解热，所以使得天然水体可以调节气候温度，冷却、储存及传热的优良载体介质。

被大量地用作工业冷却介质或加热介质。

水的高比热是由于水能形成分子间氢键所引起的。

因为温度的升高是由于分子运动加剧的结果，而若要使水分子运动加剧，不但要提供能量去克服分子间范德华力的束缚，还要提供额外的能力去克服分子间氢键的束缚。

二、水是一种强极性分子

分子中氧的电负性比氢大得多，分子中共用电子对强烈地偏向氧原子一边，使氢原子变为几乎“裸露”的氢核，而氧原子不但强烈地吸引成键电子对，而且还有孤电子对，负电荷很集中。

因此水的极性很大。

对于极性分子，其本身具有的偶极称为固有偶极，在没有外电场作用时，极性分子的固有偶极由于分子运动而杂乱无章地排列。

但在外电场作用下杂乱无章的极性分子可按电场方向定向排列起来，同时由于电场的作用而使偶极加大（固有偶极加诱导偶极）。

在水处理中磁处理就是按这一原理而设计的。

三、水与它的同族氢化物比较，熔点、沸点、熔化焓、蒸发焓都异常高。

四、水密度反常

在接近水的沸点时，水主要以简单分子存在。

冷却时，分子的热运动减缓，分子间距离减小。

因而水的缔合度增大，分子间排列紧密，这个因素使水的密度增大。

当温度降到277.13k（3.98℃）时，水的密度达到最大,定为1.000g/cm3。

当温度继续降低，出现较多的（H2O），以及具有类似冰结构的大缔合分子。

由于氢键的方向性，使水分子不能紧密堆积，出现类似冰的松弛的结构，水的密度反而下降。

到273.16K（0℃）时，全部水分子缔合成一个大的缔合分子，结构十分疏松，而密度突然大幅度下降，从而使等量的水体积增大。

因此水在结冰时体积膨胀。

第二节水的化学性质

一、水的热稳定性

水的离解度（即对反应2H2O→2H2↑＋O2↑而言）可以作为水的热稳定性的反应。

随着温度的升高，水的离解度增大，1000K时，水的离解度仅有3×10-5％，即使达到2400K，离解度也仅有2.94％，只占水的很小一部分。

所以说水具有很高的热稳定性。

二、水合作用

水分子是个极性分子，介电常数很大，当水分子遇到极性化合物或离子化合物的正负离子时，水的偶极子将和这些化合物的正负端或离子间产生相互吸引，于是发生水合作用，增强溶质的离解能力，形成具有一定数目的配位水分子的水合离子，如H3O+、[Fe（H2O）6]+、[Zn（H2O）4]+、[Cu（H2O）4]+。

因此，水作为一种溶剂，是任何其它物质都不能与之相比的。

三、水解作用

从广义上说水解是指水被分解的反应及氧化物与水的反应，这些反应有的为氧化还原反应，有的为非氧化还原反应，例如下列反应：

CaO+H2O=Ca（OH）2

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

Cl2+H2O=HCl+HClO

狭义水解反应指的是一些盐类或二元化合物的非氧化-还原的分解水的反应，如：

PCl5+H2O===H3PO4

Na2CO3+H2O===NaHCO3+NaOH

PBCl3H2O===PbOCl↓+2HCl

水在很多方面还是一种催化剂。

极微量的水有时会对反应的进行起重大作用。

四、水分子间的质子传递反应

水是一个弱电解质，它可以产生微弱的电离，电离反应式可表示为：

H2O+H2O===H3O++OH-

295K时水解离的氢离子浓度与氢氧离子浓度的乘积为1×10-14，此值称为水在295K时的离子积，离子积随温度的变化明显。

第三节水的异常特性与结构

分子结构的特点是具有很大极性和生成氢键的很强能力。

水分子之间很强的相互作用，内聚力很大，在提高温度、增强水分子热运动时需要更多的热量和更高的温度。

在常温下所有的液体中，除汞以外，水具有最大的表面张力（72.75达因/厘米，20℃），而其他液体大多只在20-50范围。

---溶点和沸点相对较高，比热很大，溶解热和蒸发热都有较高数值，水的表面张力很强。

----水的各种界面特性，如毛细、润湿、吸附等均很突出，在各种物理化学变化中以及自然界机体生命活动中起着显著作用。

水的温度-体积效应：

冰溶解为水后，温度升高时有两种过程影响其体积和密度。

一是正常的热运动增强，使体积膨胀密度减小；二是氢键解体，一部分水分子填充到晶格结构空隙中，使体积缩小密度增大。

4℃以前，后一过程占优。

介电常数大，溶解和离解能力强，化学反应活泼，是由于水分子的极性和氢键生成能力，能够产生强烈水合作用。

第三章水质指标和标准

第一节水质指标

水质是指水和其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合特性。

水质指标是表示水中杂质的种类、成分和数量，是判断水质的具体衡量标准。

表3-1是水质指标的分类。

表3-1水质指标的分类及实例

物理性水质指标

感官物理性状指标

温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度等

其它物理性水质指标

总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率等.

化学性水质指标

一般的化学性水质指标

pH、碱度、硬度、各种阳离子、阴离子、总含盐量、一般有机物质等

有毒的化学性水质指标

各种重金属、氰化物、多环芳烃、各种农药等

氧平衡指标

溶解氧DO、化学需氧量COD、生化需氧量BOD、总需氧量TOC等

生物学水质指标

细菌总数、总大肠菌数、各种病原细菌、病毒

下面仅介绍国家相关排放标准中的的几种主要的水质指标。

一、物理性水质指标

1．感官物理性指标

（1）温度

水的许多物理特性、物质在水中的溶解度以及水中进行的许多物理化学过程都和温度有关。

地表水的温度随季节、气候条件而有不同程度的变化，0.1-30℃。

地下水的温度比较稳定，8-12℃

工业废水的温度与生产过程有关。

饮用水的温度在10℃比较适宜。

测定：

现场测定，与地点和深度有关，用0.1℃的汞温度计。

（2）颜色和色度

纯水是无色的。

颜色有真色和表色之分。

真色是由于水中所含溶解物质或胶体物质所致，即除去水中悬浮物质后所呈现的颜色。

表色包括由溶解物质、胶体物质和悬浮物质共同引起的颜色。

一般只对天然水和用水作真色的测定。

用铂钴标准比色法：

氯铂酸钾K2PtCl6和氯化钴CoCl2·6H2O配置的混合溶液作为色度的标准溶液，规定1升水中含有2.491毫克K2PtCl6及2.00毫克CoCl2·6H2O时，即Pt的浓度为1毫克/升时所产生的颜色为1度。

测定水样时，将水样颜色与一系列具有不同色度的标准溶液进行比较或绘制标准曲线在仪器上进行测定。

由于氯铂酸钾太贵，一般用重铬酸钾和硫酸钴，称铬钴比色法。

对废水和污水的颜色常用文字描述，如定性的或深浅程度的一般描述。

必要时辅以稀释倍数法：

在比色管中将水样用无色清洁水稀释成不同倍数，并与液面高度相同的清洁水作比较，取其刚好看不见颜色时的稀释倍数者，即为色度。

（3）浑浊度和透明度

水中由于含有悬浮及胶体状态的杂质而产生浑浊现象。

水的浑浊程度可