水化学常识

　　水处理的任务是对原水源进行加工处理，使水质符合生活或工业用水的各种要求，主要目的是除掉水中的固体颗粒、溶解固体（无机盐）、有机物、溶解性气体及特定有害成分和对水质进行调整以满足各自特定的要求。
　　既然要通过水处理工艺才能得到我们满足工业或者生活需要的水质要求。那么我们应该对水有一定的了解。大多数企业和研究院所都有自己的资料库，同时拥有大量的水专家，可是毕竟不是所有需要水处理设备的单位和个人都具有足够的水化学常识。因此我们尽量使用小的篇幅阐述水化学常识。
地球水环境概况
　　地球上有总量约140⁰×106KM³的水资源，其中97.2%是分布在海洋中的海水,淡水含量仅占2.53%.淡水包括南北极的终年积冰或冰山，我们日常所能利用的地下水、湖泊、河川等只占0.8%左右。而这仅有的0.8%可利用水资源由于现代工业污染造成一部分水源危机,我国沿海经济发达地区由于大量开发地下水资源使得地下水域呈现出负压区，这又导致海水沿地层内窜，使得地下水变苦变咸，华北地区更是形成了地下漏斗，严重影响了当地经济的可持续发展和水资源平衡。面临人口不断增加和经济的可持续发展，合理开发水资源，水处理业的任务任重而道远。
　  全球65%的水资源集中在不到十个国家，八十个国家严重缺水，我国水资源总量约为28100亿立方米，虽然总量位具世界第六，但是人均水平只有不到世界平均水平的1/4，随着近年经济快速发展，水资源危机突显，水资源严重缺乏要求人们节约用水的呼声非常强烈，但是由于严重的地方保护主义和片面追求经济效益，水污染已经从经济发达的沿海开放地区逆流而上向源头逼近，对我国经济的可持续发展已经带来严重威胁。我国七大水系和湖泊、水库都不同程度地遭受污染，长江、黄河的情况好于其它水系。
　  水源水系分为两大类：地表水系和地下水系。地表水系包括江河、湖泊、水库和海水；地下水系包括不同岩层之下的地下潜水、承压水、溶洞水等。
　  地表水系一般具有径流大、矿化度、硬度和铁锰量较低的优点，但是地表水受季节性特征和外界污染的影响也较明显而复杂，导致水温、水量、水质变化幅度大，且具有明显的季节性变化，浑浊度、有机物和细菌含量高。天然水易受工业和生物污染，如：农业废水或生活污水、工业废水、雨水径流、事故污染等。
　　地下水系具有水质澄清、水温稳定、分布面广等特点，被不透水层覆盖的承压地下水天然卫生防护条件好。由于通过降雨和大量吸取地下水造成地下负压带的共同作用下径流从地表渗入，在渗入过程中溶解了各种物质，因此地下水中化学物质的浓度一般要高于地表水，矿化度、硬度及其他一些物质如氟化物金属成分的含量较高。根据水中离子成分比例往往把水系划分为碳酸盐系、硫酸盐系和氯化物系三个系列。
水的分子结构和天然水的特点
　　水是常见的物质，具有与许多其他物质截然不同的异常特性并成为决定自然和人类环境的主要因素之一。那么水到底具有那些特性。
　　水的异常特性是由水的分子结构决定的。水的基本化学分子式为H₂O，在水的分子结构中，三个原子核形成以O原子核为顶点的等腰三角形，氧原子核附近被外层电子云覆盖呈现出负电性，两个氢核附近电子密度低，氢原子核经常被裸露出来呈现正电性。所以水分子具有极强的极性。
　　生成氢键的能力是水分子除了具有极性以外主要的一个特性，每个水分子可以与邻近的四个水分子形成四个氢键。水分子分别在正极一方有两个氢原子核和在负极一方有两对独对电子同时与其他水分子键合。这样在这个水分子团的氢核附近键合其他水分子的氧原子核，水分子团的氧原子核附近的电子云键合其他水分子的氢原子核。如此周而复始的不断键合下去，构成一个无限扩展的水分子的立体结构。
　　虽然水分子的氢键能不是很高，但是它可以凭借无限的数量在三维空间展开，这样饱和的氢键能量甚至可以达到10.2千卡/克分子的程度。气态的水分子大多是单个分子，也有二聚体间或存在三聚体的现象。固态的水分子间的氢键达到饱和，密度也小（0.92克/ cm3）；液态的水分子结构则十分复杂，目前科学家还没有弄清楚液态水分子间结构的各种形态。甚至有种说法说弄清楚液态水分子间的结构比弄清楚DNA的分子结构还要难。由此也可以看出我们平时接触多、生命一时一刻也不能离开的水竟然会有如此复杂的特点。
　　水的溶点为0○C、沸点为100○C，水在常温下为液体，在自然环境中当温度低于0○C时就变成固体，在低于沸点的常温下部分液态水还可以蒸发为蒸汽从而实现水的自然循环。
　　水在3.98○C时大密度，达到1克/cm3，水在所有物质中具有大的比热，有很大的蒸发热和熔解热。这个特点使得天然水具有调节气候温度的作用，同时也是根据这个特点被广泛应用于冷却、加热其他物体或者储存及传送热量，成为应用广泛的热交换能量载体。
　　水作为一种溶剂，具有极强的溶解能力，纯水的溶解能力几乎是其他物质所不能比的。这个特点注定我们获得的天然水源中总是溶解有一些杂质物质。由于水的介电常数很大（0○C时为88.2，20○C时为80.4），使其溶解溶质的理解能力极强，水中的溶解物质之间以及与水之间都可以进行多种化学反应，而且水本身与许多金属、金属氧化物、非金属氧化物都能发生化合作用，其生成物再进一步参与不同物质之间的各种反应。这样的结果使得我们在天然界取得的水都不是纯水，而是溶解有各种物质的水溶液。
　　水在许多领域还是一种良好的催化剂，极微量的水有时会对某些化学反应的进行起重要作用。
　　水是有机物和生命物质中H的重要来源，生物从水分解中获得H元素花费的能量少。生命与水不能分割。这也是其具有特殊物理化学特性的根源，也是生命起源的先天条件，也是在工作生活中作用巨大的缘由吧。
天然水的一般成分
　　天然水在我们赖以生存的地球上的自然界中获得，其自然循环过程中获得各种杂质而形成的水是包含各种杂质成分的水系，是由各种杂质与水共同构成的水体。
　　水体中主要溶解的离子大多来自可溶性矿物盐类。阳离子主要有Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺，阴离子主要有HCO^3-、SO₄^2-、CL^-、NO^3-还有H、OH^-、CO3^-、Fe²⁺、Al³⁺、 F^-、I^-、Cu²⁺、Zn²⁺等等。这些离子和其他少量离子共同构成水的基本溶液体系，成为我们能够获得水源的水质。而这些离子总量就是水中溶解盐总和，也是水的溶解性固体的无机盐部分总和。
　　其他无机物还有占地球元素总量第二位的硅元素，主要以二氧化硅或者硅酸的形态存在于大自然中，它在水环境中以胶体状态存在。铝则是地球元素中排位老三的主要元素，广泛分布在土壤和岩石中，在天然水中含量不高；铁在地球元素中排行老四，分布广泛，也是水体污染物杂质中比较令人讨厌的元素，尤其地下水中溶解的铁离子多数为不稳定的无色无味溶于水的二价铁，在到达地表与空气中的氧接触后会变成深褐色不溶于水的三价铁从而恶化水质。锰的含量比铁少与铁的饱和氧化物一样都是重要的水中无定型沉淀物的重要组成成分。
　　水中除了上述物质以外还有一些微量元素。如氟化物和碘化物，作为人类新陈代谢的微量元素，缺乏氟化物对于人体成长不利，超过一定含量后同样会对人体产生致病危害。氟是卤族元素，是人体维持正常生理必不可少的物质，但含量过高对人体健康也会造成严重危害。中华人民共和国国家生活饮用水标准GB5749-1985、GB5750-1985规定氟含量在0.5—1.0mg/l之间。据新华社报道，截止2003年底中国受高氟水危害的人口仍然高达6000万。长期饮用含氟化物过多的水，轻者患牙斑症即氟斑牙，牙齿斑黑，早期脱落；重者则患氟骨症，骨骼发脆、变形、骨折。我国有大量地区属于高氟水区，广泛分布在北京、天津、河北、山东、辽宁、黑龙江、内蒙古、宁夏、甘肃等北方广大地区和南方部分地区。有些地方含氟量高达10mg/l以上，经除氟处理后才能饮用。
　　在微量痕量元素中，溴、硼、铍、钡等在海水中含量略多，淡水中微乎其微。铜、铅、锌、铬、汞、砷、硒、等则属于与人体密切相关的微量元素。在考察水源与水处理工艺时考虑进去。另外还有氮、磷、硫等生物元素和稀土、放射性元素等。排在化学元素周期表中在原子序数21的Sc以后的金属元素被称为重金属，重金属虽然为微量元素，但是一些重金属对人类生命导致的危害却是不能轻视和低估的。
　　除了上述元素以外，水体中还有溶解性气体。如二氧化碳在普通大气压下在水中的溶解浓度只有0.5-1.0毫克/升，但是实际的现实情况是常常过饱和存在（与水生成不稳定的碳酸H2CO3），甚至可以高达几十毫克/升，这种情况对于地下水尤为考虑。氧（O2）在常温下饱和溶解度约为8-14毫克/升，作为生活用水和生物养殖用水，应该控制在4毫克/升以上。但是这样多的溶解氧量又对热电锅炉构成氧腐蚀。由此来看对于生命比不可少的氧元素有时在一些特殊工业领域也会成为累赘和负担。其它如硫化氢和甲烷等则都属于危害性的污染性气体，在个别地区的天然水体中也有存在。
　　没有经过化学污染的天然水中还存在经过光合作用产生的有机物。种类繁多，主要有碳水化合物、植物素、脂肪类以及蛋白质等。这些物质分解后形成复杂的以高分子形态存在的有机化合物。
　　天然水体中的悬浮物质是水流冲刷卷带岩石土壤颗粒和有机残渣等的物质组成部分。其中的无机物主要有石英、长石、石灰石和黏土矿物，有机悬浮物主要有动植物的残骸、废物、碎屑等（1μm-100μm\100μm-1mm肉眼可见）。另外水里还有一些微生物，如各种藻类、细菌、病毒、微生物代谢产物、腐殖质及蛋白质(10nm-1000nm)等构成有机污染物成分。
　　以上基本属于没有人为破坏污染的天然水的水质情况。现实生活中，由于人类生活和现代工业使用的水是从天然水体中吸取，使用后的废水又排放回天然水体中。水中存在的只会造成危害而不利于人体的物质非常多，包括工业生产和农业生产的副产物，如工业排放的化学污染物、几乎所有的农业使用的沙虫剂残留，这些物质是导致各种癌症的罪魁祸首（饮用水中可以检出的765种有机物中有117种以上属于致癌类化合物，非饮用水中有机物含量更是高达几千种。可见工业污染废水不处理净化排放进入自然水体对于人类长期可持续发展带来的危害）。结果是造成天然水体水质情况异常复杂，对于我们寻找水源和分析水源情况增加了复杂性和工作难度。
选择水处理工艺考察的水质指标
　　不论我们购买水处理设备用来做什么用，也不论我们设计水处理工艺的用途和达到的产水水质指标高低。首先我们需要清楚自己拥有的水的现实情况，根据自己已经拥有的水和自己需要的水的水质指标，通过两个水质指标的对比才能清楚用什么样的设备更合理、用什么样的工艺更科学。这个在军事战略上就叫做“知己知彼、百战不殆”。因此我们有必要清楚选用水处理工艺和设备之前首先要做哪些准备。
　　各种水体都是由水（纯水）和杂质组成的，水和杂质之间相互作用的结果构成我们获
得的水源水体。水中杂质的具体衡量尺度称为水质指标。各种水质指标表示出水中杂质的种类和数量，由此来判断衡量水质优劣以及是否能够满足我们的需要。水质指标分为物理指标、化学指标和微生物指标等三大类。
　　物理指标包括水的温度、颜色和色度、浑浊度和透明度。温度是常用的水质物理指标，很多工业用水对水的温度要求很严格，同样任何水处理设备都是在一定的温度范围内才能好地发挥作用，温度过低过高都会影响设备的正常运转甚至导致严重的设备损坏。如温度过低结冰可能直接把设备冻裂、温度过高可能导致设备严重变形等各种危害，一般水处理设备的水温适应范围在5-40○C之间。色度和颜色是由于水中各种悬浮物质或者化工燃料造成的，一定要分析清楚其成因和含量。浑浊度与透明度是意义上相反的表示水中悬浮物颗粒杂质成分含量多少的计量标准。早期的计量方法是以每1.0毫克/升的二氧化硅所构成的浑浊度称为一度作为衡量水的浑浊度的参照标准。
　　固体含量是考量水源杂质成分主要的水质化学指标。固体含量包括总固体、悬浮性固体和溶解性固体。一定量的水样蒸发后所残留的固体总量称为水的总固体杂质含量，水样通过过滤截留后的截留物固体总量是悬浮性固体杂质含量，水样通过过滤截留后的干净水滤过液蒸发以后的残留物总量就是水的溶解性固体杂质含量，溶解性固体中除去可溶性有机物以外的固体含量就是水的含盐量或叫做矿化度。
　　水中的各种溶解盐类都是以离子状态存在的，具有导电能力。所以水溶液的电导率可以间接地表示出溶解盐的含量。电导是电阻的倒数，电导率是指一定体积液体导电的能力，也是一定体积液体的电阻率的表达方法，不过是用电阻率的倒数来表示的。电导率的单位是“欧姆分之一/厘米”，我们用S表示为Ω的倒数。电导率尤其应用在蒸馏水、除盐水、去离子水、高纯水这些直接测定溶解固体含量已经十分困难的水的纯度检验上。通过电导率与盐类溶解度对照表就能够计算出这时水中的含盐量指标。
　　水中钙镁离子含量总和称为水的总硬度，也是水的"永久硬度"。水的硬度由钙硬度和镁硬度构成。水中碳酸盐和重碳酸盐构成水的临时硬度。所以测量水中钙、镁离子含量与碳酸根、重碳酸根含量很关键。水的碱度是指水里能够与强酸发生中和反应的全部物质含量总和，主要有氢氧化物、碳酸盐、重碳酸盐构成。它们的单位都是毫克/升。
氯离子虽然对人体没有什么危害，但是过高的氯离子含量会造成对不锈钢的腐蚀和穿透作用，水里如铁、锰的金属氧化物对于反渗透、离子交换树脂都具有强烈危害，这些杂质含量也不容忽视。这些都属于水的化学指标。
　  微生物、有机物杂质成分会污堵反渗透膜元件，所以检测水里有机物含量和微生物含量也十分必要，多数机构是通过化学耗氧量的方法测定水中微生物与有机物含量。另外还要检测水中细菌、病毒等对人体造成致病危害的有机物质含量。这些都属于水的微生物指标。
　 上述有关水化学的常识和主要水质指标对于马上要使用水处理设备和已经使用水处理设备的单位和个人都是很重要的。大家只有对司空见惯的水进行更多的了解和重视，才会通过知识的武装来合理地选择合适的设备和工艺以及完善的工艺配置方案，做到有的放矢、少走弯路。