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(一種無機化合物)

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水(化學式為H2O),是由兩種元素組成的無機物,無毒,可飲用。在常温常壓下為無色無味的透明液體,被稱為人類生命的源泉,是維持生命的重要物質,也叫氧化氫。
水是地球上最常見的物質之一,地球表面約有71%被水覆蓋。它是包括無機化合、人類在內所有生命生存的重要資源,也是生物體最重要的組成部分。它在空氣中含量雖少,但卻是空氣的重要組分。 [1] 
純水導電性十分微弱,屬於極弱的電解質。日常生活中的水由於溶解了其他電解質而有較多的陰陽離子,才有較為明顯的導電性 [1] 
2022年9月,中國科學家發現嫦娥五號礦物表層中存在大量的太陽風成因水 [16] 
中文名
外文名
Water
別    名
氧化氫
氧烷
一氧化二氫
化學式
H2O [17] 
分子量
18.0152
CAS登錄號
7732-18-5 [17] 
EINECS登錄號
231-791-2
熔    點
0 ℃
沸    點
100 ℃(標準大氣壓)
密    度
1g/cm³,10³kg/m³(t=4℃)
外    觀
常温下無色透明液體
應    用
溶劑、維持生命、電子工業等
比熱容
4.186kJ/(kg·℃)
臨界温度
374.3℃
臨界壓力
22.05MPa
導電率
0.055μS/cm

理化性質

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水分子的結構示意圖 水分子的結構示意圖
水在常温下為無色、無味、無臭的液體
水在3.98℃時密度最大(999.97kg/m³,近似計算中常取1000kg/m³)。固態水(冰)的密度(916.8kg/m³)比液態水的密度(999.84kg/m³)小,所以能漂浮在水面上。水結冰時,體積略有增加。
在標準大氣壓(101.325kPa)下,純水的沸點為100℃,凝固點為0℃。
純水的理論電導率為σ=0.055μS/cm。 [2] 
水的比熱容大,c=75.3 J/(mol·K),所以能很好地起到調節温度的作用。 [2] 
水的標準生成很高,ΔfHmΘ=-285.8kJ/mol,所以熱穩定性好。在2000K的高温下,其離解不足百分之一。
常温下,水的離子積常數Kw=1.00×10-14
水分子的結構 水分子的結構
水分子是極性的,即水分子的正負電荷中心不重合(見圖片),這使得水成為一種很好的溶劑 [3] 
很多常見氣體可以溶解在水中,如氨氣二氧化硫二氧化碳二氧化氮等,這些氣體的溶解度温度壓力、氣相分壓等因素有關。 [2] 

生理意義

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水是人體正常代謝所必需的物質 [4]  ,正常情況下身體每天要通過皮膚內臟以及腎臟排出1.5L左右的水,以保證毒素從體內排出。 [5]  兒童體內有80%的水,老人體內則有50%~60%,正常中年人體內則有70%的水。
水——生命的源泉
水——生命的源泉(2張)
水在機體內有許多重要功能 [4] 
(1)水是細胞原生質的重要組分; [4] 
(2)水在體內起溶媒作用,溶解多種電解質 [4] 
(3)水在體內起運輸作用,可以傳遞營養物質、代謝廢物和內分泌物質(如激素)等; [4] 
(4)水有較高熱導性和比熱,可作為“載熱體”在體內和皮膚表面間傳遞熱量,有助於人體調節體温。 [4] 

重水

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化學式D2O,又稱氧化氘。1931年H.C.尤萊在把4L液氫在-259℃下緩慢蒸發到剩餘數毫升,光譜分析時發現了重氫“D”,稱氘。(deuterium)的意思是2,表示原子量等於2的氫同位素。由重氫和氧組成的化合物稱重水,分子量為20.028,比普通水分子量18.016高出約11%。純重水在1933年就已製得。普通水中所含重水很少,約佔普通水質量的0.02%,自然界沒有富含重水的源泉。重水在外觀上和普通水相似,但許多物理性質不同,其比較見下表。 [6] 
相關信息對比
項目
H2O
D2O
相對密度(20℃)
0.997
1.108
凝固點/℃
0.00
3.79
沸點/℃
100
101.41
蒸發熱/(kJ·mol-1)
40.67
41.6
熔化熱/(kJ·mol-1)
6.008
6.276
凝固點降低/℃ 0.997
1.86
2.00
重水分子間氫鍵力較大,分子間作用力也較大,所以它的熔點沸點比水高。常温下重水的蒸汽壓比水小,這是水精餾法富集重水的理論根據。在25℃時重水的粘度比水大2.3%,致使許多電解質在重水中的電導率比水中小。重水的介電常數低於水,鹽類在重水中的溶解度一般小些,在25℃時1g水能溶解0.3592g氯化鈉,但1g重水只能溶解0.3056g;在25℃時,碘在四氯化碳和水間的分配係數是85:1,而在四氯化碳和重水間的分配係數是103:1。重水表面張力、離子積(2×10-15)數值都比水小,重水的反應速度比水的同樣反應要慢些。重水有吸水的性質,和濃硫酸相像,必須將它保存在密封的容器內。 [6] 
重水的主要用途是在核反應堆中做“減速劑”,減小中子速度,控制核裂變過程,也是冷卻劑。重水和氘在研究化學和生理變化中是一種寶貴的示蹤材料,例如,用稀重水灌溉樹木,可以測知水在這些植物中每小時可運行十幾米到幾十米。測定飲過大量稀重水的人尿中的氘含量,知道水分子在人體中停留時間平均為14天。用氘代替普通氫,可以研究動植物消化和新陳代謝過程。濃的或純重水不能維持動植物生命,重水對一般動植物的致死濃度為60%。 [6] 
生產重水的方法很多,曾用過電解法、水精餾法等,現在利用H2S/H2O雙温交換法,先把重水富集約15%後,再電解富集成99.8%,該法成本低廉。 [6] 

水的起源

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關於地球上水的來源有許多各不相同的認識,各有各的道理,但真相究竟如何,還有待於科學家們收集更多的客觀證據,以揭開這個謎。眾所周知,地球表面72%的面積被水覆蓋。然而,地球上的水從哪兒來,卻始終是未解之謎。 [7-8] 
《自然》雜誌載文稱,德國明斯特大學的科學家通過對來自加拿大不列顛哥倫比亞省塔吉胥湖隕石和地球地幔岩石樣品的同位素分析顯示,水在地球上出現的時間比此前預期的要晚很多。這在很大程度上反駁了此前很多科學家所持有的“水是地球形成階段時期由隕石表面的冰層轉變而來”的説法。地球上水的起源和形成時間決定了地球演化的方向和生命起源的時間。對於地球上的水的來源,目前比較有代表性的是“外源説”和“內源説”兩種説法。 [8] 

外源説

顧名思義,外源説認為地球上的水來自地球外部。而外來水源的候選者之一便是彗星和富含水的小行星。被譽為“髒雪球”的彗星,其成分是水和星際塵埃,彗星撞擊地球會帶來大量的水。而有些富含水的小行星降落到地球上成為隕石,也含有一定量的水,一般為0.5%~5%,有的可達10%以上,其中碳質球粒隕石含水更多。 [8] 
球粒隕石是太陽系中最常見的一種隕石,大約佔所有隕石總數的86%。正因如此,一些科學家認為,正是彗星和小行星等地外天體撞擊地球時,將其中冰封的水資源帶入地球環境中。 [8] 
然而,科學家研究發現,大多數彗星水的化學成分與地球水並不匹配。此外,上述德國明斯特大學科學家認為,既然隕石是在地球形成階段就已經降落到地球的,那麼應該在地球的地幔中留下相應的化學痕跡。如果水確實是在這一階段由隕石帶到地球上的,那麼地幔中的同位素水平和隕石中的同位素水平應該相同,而當他們將不列顛哥倫比亞塔吉胥湖的隕石中釕同位素及地球地幔中釕同位素進行對比分析後卻發現,兩者的同位素水平並沒有任何相似之處。 [8] 
據此,德國明斯特大學科學家表示,這證明,如果水確實是由彗星或小行星帶到地球上的,則其來到地球上的時間並不是地球的形成期,而是地球演化到形成地殼和地幔之後的時期。但並不排除另一種情況,即水最開始其實是星際塵埃的組成部分,而地球則正是由星際塵埃所組成的。 [8] 
外來水源的另一個候選者是太陽風。太陽風是指從太陽日冕向行星際空間輻射的連續的等離子體粒子流,是典型的電離原子,由大約90%的質子(氫核)、7%的α粒子(氦核)和極少量其他元素的原子核組成。 [8] 
有科學家認為,地球上的水是太陽風的傑作。首先提出這一觀點的科學家是托維利。他認為,太陽風到達地球大氣圈上層,帶來大量的氫核、碳核、氧核等原子核,這些原子核與地球大氣圈中的電子結合成氫原子、碳原子、氧原子等。再通過不同的化學反應變成水分子,據估計,在地球大氣的高層,每年幾乎產生1.5噸這種“宇宙水”。這種水以雨、雪的形式降落到地球上。更重要的是,地球水中的氫與氚含量之比為6700∶1,這與太陽表面的氫氚比也是十分接近的。因此托維利認為,這可以充分説明地球水來自太陽風。 [8] 
但太陽風形成的水是如此之少,在地球45億年生命史中,也不過形成了67.5億噸水,與現今地球表面的水貯量(包括液態水、固態冰雪和氣態水汽)1.3860×1010億噸相比,不過九牛一毛。 [8] 

內源説

自源説認為地球上的水來自於地球本身。地球是由原始的太陽星雲氣體和塵埃經過分餾、坍縮、凝聚而形成的。凝聚後的這些星子繼續聚集形成行星的胚胎,然後進一步增大生長而形成原始地球。地球起源時,形成地球的物質裏面就含有水。 [8] 
在地球形成時温度很高,水或在高壓下存在於地殼、地幔中,或以氣態存在於地球大氣中。後來隨着温度的降低,地球大氣中的水冷凝落到了地面。岩漿中的水也隨着火山爆發和地質活動不斷釋放到大氣、降落到地表。彙集到地表低窪處的水就形成了河流、湖泊、海洋。地球內部藴含的水量是巨大的。地下深處的岩漿中含有豐富的水。有人根據地球深處岩漿的數量推測,在地球存在的45億年內,深部岩漿釋放的水量可達現代全球大洋水的一半。 [8] 
還有一種説法認為在地球開始形成的最初階段,其內部曾包含有非常豐富的氫元素,它們後來與地幔中的氧發生了反應並最終形成了水。 [8] 

水巖

地球科學家傾向於認為,地球上的水來源於地球自身演化過程中的岩漿水等,天文學家更傾向於是彗星等撞擊地球帶來的水。兩種觀點誰都沒有説服誰。 [8] 
很多人似乎覺得太空中的水很稀少,實際上水在太陽系中非常豐富。例如我們的臨近行星——火星,已經在其表面發現了很多幹涸的河牀、湖泊、三角洲、沖積扇等,這説明火星表面曾經有大量的水。科學家也相信火星地下和兩極可能藏有很多水。此外,一些小行星、海王星軌道之外的柯伊伯帶的天體上也有大量的水存在。而在柯伊伯帶以外的奧爾特雲更是分佈着大量的彗星,這些彗星大部分就由水組成。液態水能否存在的關鍵在於星球表面的温度。在地球上,由於温度通常在0℃~100℃之間,因此水才可能以液態形式存在。 [8] 
有的星球如金星表面温度達到400多攝氏度,遠遠超過了水的沸點,所以沒有液態水。有的星球如火星,表面温度達到了零下四五十攝氏度,低於水的冰點,即使有水也都冰凍了,所以也不會有很多液態水。所以水出現在地球上並非偶然,而是必然現象。地球水的“第四種形態”地球上的水絕大多數其實並不是以我們所熟知的冰、水、氣三種形式存在。水還有另外一種存在形式,這種形式異乎尋常——那就是封存在岩石中的水。 [8] 
可以説,這些岩石像一個巨大的水庫,它的含水量至少與地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起來一樣多,或許還是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它們一直被深埋在我們腳下410千米處。科學家把這種融入水的礦石稱為“水合礦物質”,即“水巖”。科學家認為,這種水巖遍佈地下400千米~650千米的深處,厚達240千米,比地球表面的水層還要厚。即使這種礦石的含水量只有1%,其水量也很大,實際上已相當於地球海洋水量的幾倍。 [8] 

太陽風

2022年9月,中國科學院地球化學研究所科研團隊針對嫦娥五號月壤樣品開展了研究,通過紅外光譜和納米離子探針分析,發現嫦娥五號礦物表層中存在大量的太陽風成因水,估算出太陽風質子注入為嫦娥五號月壤貢獻的水含量至少為170ppm。該研究成果在國際學術期刊《自然·通訊》發表 [16] 

水總硬度

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定義及其分類

水總硬度指的是水中鈣離子鎂離子的總量,是衡量自來水是否符合標準的依據,主要可以分為暫時硬度永久硬度兩大類。暫時硬度是指水中的鈣鎂離子以碳酸鹽的形式存在,遇熱就會形成碳酸鹽沉澱,最終被除去;而永久硬度則是指水中鈣鎂離子主要以硫酸鹽、硝酸鹽等形式存在,性質穩定,不易除去。 [9] 

測定意義

水硬度是評價水質的一個重要標準,對於飲用水以及工業用水有着很重要的影響。水硬度過高可能會形成水垢,影響產品質量。因此,為確定水質以及進行水的相關處理,要對水中鈣鎂離子進行測定,即水總硬度的測試。 [9] 
水總硬度的監測分析是水質檢測的重要工作之一,不僅影響到水的質量,還會影響到人們生產以及生活的安全。在科技快速發展的今天,更多的檢測技術的應用,提高了水總質量檢測的準確性,保障了水質的安全以及使用質量。 [9] 

注意問題

(1)溶液pH值問題
測試中溶液的pH值在一定程度上會影響到金屬鈣鎂離子與EDTA生成絡合物的穩定性。pH過低,將會使絡合物的穩定性降低;pH過高,則水中鈣鎂離子將不能與EDTA反應。因此,在進行水總硬度測試之前必須要確定使用溶液的pH值,以保證實驗的順利進行。 [9] 
(2)滴定溶液的温度問題
水總硬度檢測時滴定溶液的温度對檢測結果有着很大的影響,温度過低就會造成反應速度過慢,滴定過量;溶液温度過高就會使測試溶液中有效物質變質,影響鈣鎂離子與EDTA的反應過程。最終影響到水總硬度的檢測。 [9] 
(3)緩衝溶液的問題
EDTA具有弱酸性,其反應過程受到溶液pH值的影響,因此,要將緩衝溶液加入到滴定溶液中,保持適合的pH值,保證測試的順利進行。 [9] 
(4)鉻黑T的問題
鉻黑T是一種常見的金屬離子指示劑,用於滴定檢測過程中與鈣鎂離子進行置換作用,有明顯的顏色變化,可以準確的測出水的質量問題。鉻黑T指示劑的配製可以分為兩類,一類是固體指示劑,另一類則是液體指示劑。 [9] 
(5)滴定時間及速度問題
水總硬度測試中,每次滴定必須要按照規定的零刻度開始,這樣可以保證讀數都在滴管的同一個位置上,減少讀數的誤差。在鹼性溶液中,鉻黑T會隨着時間的流逝而被氧化,影響最後反應結果。因此,要保證其在五分鐘之內完成反應,測出結果。但是,也要注意滴定的時候速度不要過快,否則可能導致溶液粘在滴定管壁上,影響讀數的誤差。 [9] 
(6)溶液中二氧化碳的問題
溶液中可能含有碳酸氫根等物質,當其濃度過大時,就會使反應效果提前,影響測試結果。因此應該適當加入鹽酸,將其中和反應掉,使溶液呈現中性。還要注意,不要將滴定溶液放置時間過長,其極易與空氣中的二氧化碳反應,出現返紅現象。 [9] 

解決辦法

水總硬度的檢測受到環境因素的影響,如果在滴定過程中發現沒有出現終點色,有可能是鐵離子、銅離子以及錳離子等的干擾,它們與指示劑形成更加穩定的絡合物,導致EDTA不能把金屬離子置換出來,就會影響水總質量的測定。 [9] 
(1)鐵離子
在水總硬度測試中,鐵的含量過高,就會干擾到測試的結果。相應的解決辦法就是要在加入緩衝溶液之前加入三乙醇胺,加快滴定速度,將鐵離子屏蔽。或者也可以利用沉澱過濾的方法來除去鐵離子,減少測試的誤差。 [9] 
(2)銅離子
在水總質量的測試中,若是水樣中存在銅離子,將會出現指示劑封閉的現象,導致測試結果不清晰。相應的解決方法之一就是在加入緩衝溶液之前加入氰化鉀,使之與銅離子反應從而消除銅離子的干擾,但是要注意氰化鉀的劇毒性,儘量減少使用;另一種方法就是加入硫化鈉,也是使其與銅離子反應,形成硫化銅沉澱,將其過濾掉。 [9] 
(3)鋁離子
若是水樣中存在鋁離子,在其作用下,可能會吸附指示劑,導致終點色出現時間延長,影響水硬度的測試。而解決辦法可以參考鐵離子的解決辦法,使水總硬度測試順利進行。 [9] 
(4)水樣總鹼度
水總硬度檢測中,如果水樣滴定終點變藍,但是又很快的變回紫色,則證明水的鹼性很大,主要是由於鈣鎂離子造成的,相應的解決辦法就是可以在檢測之前將鹽酸酸化煮沸,可以去除一定的鹼性,之後需要將氫氧化鈉與之融合至中性,再繼續檢測將會發現滴定終點顏色變化會更明顯。 [9] 
(5)有機物、懸浮物及膠狀物質
水總硬度檢測過程中如果發現水樣中有機物、懸浮物質過多,就會影響其終點顏色變化的觀察,影響到最終測試的結果。相應的解決辦法就是將着色物用乙醚去除掉,或者是用硝酸等進行溶解,在去除多餘的酸性,中和之後再進行水總硬度的檢測。 [9] 

中國淡水資源現狀

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現狀

我國淡水資源總量較多,但按人口、耕地平均佔有水平來看,是很低的。與世界上許多國家相比,我國淡水資源問題比較嚴重,儘管我國河川徑流總量居世界第六位,但是由於我國國土遼闊,人口眾多,人均和畝均佔有量均低於世界平均水平。人均佔有量為世界人均佔有量的1/4左右,畝均佔有量僅為世界畝均佔有量的3/4。據對149個國家和地區的最新統計,中國人均佔有量已經退居世界110位。因此,正確處理好水及人和人及於水兩方面的關係比世界上任何一個國家都艱鉅複雜。 [10] 
我國淡水資源在地區上分佈不均,水土組合不平衡。我國的水量和徑流深的分佈總趨勢是由東南沿海向西北內陸遞減,並且與人口數耕地的分佈不相適應。81%集中分佈在長江及其以南地區,而耕地面積僅佔全國的36%;淮河及其以北地區耕地面積佔全國64%。 [10] 
我國降水及河川的年內分配集中,年際變化大,連豐連枯年份比較突出。我國主要河流都出現過幾年來水較豐和幾年來水較枯現象。例如黃河在過去幾十年中曾出現過連續9年(1943~1951)的豐水期;在近幾十年內也曾出現過連續28年(1972~1999)的少水期,其中斷流21年。降水量和徑流量在時程上的這種劇烈變化,給淡水資源的利用帶來困難。要充分利用淡水資源勢必修建各種類型的水利。 [10] 
淡水資源污染波及全國。如果從淡水資源人均佔有量上説,中國缺水主要是指北方區域的話,那麼,淡水資源的污染卻是一個具有全國性的問題。而且,越是豐水區和大城市,越是人口密集地區,往往污染越是嚴重。結果豐水區出現水質性缺水的現象。這是中國淡水資源更為嚴重的問題。 [10] 
用水效率低和過度開發並存。首先是用水效率低,而且,越是缺水的地方,效率就越低。比如,嚴重缺水的黃河流域,農業灌溉大量採用的還是大漫灌方式。農業用水如此,工業用水也是如此。目前中國工業用水重複利用率遠低於先進國家75%的水平單位GDP用水量是先進國家的十幾倍到幾十倍,一些重要產品單位耗水量也比國外先進水平高几倍,甚至幾十倍。 [10] 
對淡水資源過度開採的情況日趨嚴重。比如海河流域,海河流域是中國人口最密集的地區之一,包括北京、天津、河北大部分地區和山東、山西、內蒙、河南部分地區,區域內有26個大中城市。這個地區也是中國最為缺水的地區,人均只有293立方米。這些年來,這裏的社會經濟的狀況發生了很大變化。從20世紀80年代以來,中國的缺水現象由局部逐漸蔓延至全國,對農業和國民經濟帶來了嚴重影響。 [10] 

南水北調

中國鬧水荒,主要是指北方。特別是近20年來的自然變化和人類活動的影響,淡水資源南多北少的趨勢更加嚴重。這種由自然、地理、氣象等因素所形成的淡水資源分佈情況,單用軟科學的辦法是很難解決問題的。必須用硬辦法。正在進行中的南水北調工程,就是硬辦法之一。 [10] 

優化水資源配置

優化資源配置主要包括兩個方面的內容,其一是解決我國水資源分佈不平衡,利用效率低的問題。當前我國政府已經採取了有效的措施,實現了水資源的優化配置。以南水北調工程為例,作為一項重大的戰略性工程,有效緩解了我國北方地區缺水嚴重的現象,不但實現了水資源的優化配置,還對區域經濟的良性發展產生了十分深遠的影響。其二是要合理分配地表水和地下水、一次性水資源和可再生水資源。政府要加強對分配後水資源的管理,通過市場的調節作用提高水資源利用率,避免水資源浪費。 [11] 

水資源的循環利用

長期以來,我國對水資源的利用採用了粗放式的模式,造成了水資源的大量浪費。以犧牲資源為目的的經濟發展模式雖然能夠在短時期內取得可觀的經濟效益,但從長遠發展來看無疑是慢性自殺,違背了我國可持續發展戰略的要求。在未來的發展中,我國將會在全社會提倡水資源的循環利用,並加快相關技術的研發,通過對廢水進行二次處理、重複利用達到提高水資源利用效率的目的,從而逐步打破水資源匱乏的發展態勢,為我國經濟社會的健康發展解決後顧之憂。 [11] 

水資源生態防治

從目前的發展情況來看,水污染仍然是威脅我國水資源可持續發展的重要因素,在未來的發展中,水資源生態防治仍然是相關從業者的首要任務。水資源生態防治,不僅包括水污染治理,還包括提高環境用水承載能力、水資源保護、節約用水等多個方面。水資源生態防治是一個系統的工程,不僅需要專業人員的努力,還需要全社會的密切配合。比如,排污量大的工廠要自覺的進行技術改進,最大限度的控制工業用水的排放量。政府要加大監督管理制度,防止污水排放超出環境的承載能力;在全社會大力倡導節約用水,培養民眾節約用水的意識;做好水資源保護,防止人類生產生活用水對水資源造成破壞。 [11] 

水污染治理

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水體自淨

水體的自淨機制有物理淨化、化學淨化和生物淨化三種。水體自淨的三種機制往往同時發生,並相互交織在一起,哪一方面起主導作用取決於污染物性質和水體的水文學和生物學特徵。水體污染惡化過程和水體自淨過程是同時產生和存在的,但在某一水體的部分區域或一定的時間內,這兩種過程總有一種過程是相對主要的,它決定着水體污染的總特徵。所以,當污染物排入清潔水體之後,水體一般會呈現出三個不同水質區:水質惡化區、水質恢復區和水質清潔區。 [12] 

防範辦法

為加強水資源保護,防止對水資源的破壞、浪費和嚴重污染,應加強水資源的保護工作,及時採取有效措施全面保護水資源。 [12] 
(1)完善法律法規,強化管理,嚴格執法
貫徹執行《水法》《水污染防治法》《環境保護法》等法律法規,同時完善相應的法律法規,建立健全的水環境保護法律體系。對污水的排放標準進行嚴格控制,尤其要加強對工業污水排放的監督和管理,對違法排放的工業企業要從重處罰。對集中排污口的各類污染源,加強跟蹤監測,發現問題及時解決。加強對地表水和地下水的水質監測和水源的保護工作。以流域為單元,以河流為主線,以城鎮為節點,建立流域水資源保護監督管理體系,強化流域管理的監督職能和協調能力,加強各相關部門之間的交流與合作。 [12] 
(2)從源頭控制污染
擺脱先污染後治理的發展模式,從控制污染物的排放量來遏止污染的進一步擴大。對企業要採取有力措施,改善經營管理,積極引進先進的生產工藝,提高物料利用率,減少污染物的排放。通過修訂產業政策,調整產業結構,用行政、經濟手段推行節約用水和清潔生產。 [12] 
(3)大力提高水資源的利用率和重複利用率
我國的水資源利用率不足50%,重複利用率僅為20%左右,低效的水資源利用加劇了水資源的供需矛盾和嚴重浪費局面。只有施行較高的水資源價格,高額的水污染排污費,才能有效地促使企業採取措施,改直流冷卻為循環冷卻,改漫灌為噴灌或滴灌,採用先進的節水技術和生產工藝,研究污水的治理和重複利用,降低生產成本,進而實現企業經濟效益和社會環境效益的統一。 [12] 
(4)提高水污染排污費的收繳額度
當前,我國的排污收費標準定位太低,遠遠少於水資源的補償費用,因此,全面提高排污收費指標,向等量甚至高於水資源的恢復治理費靠攏,採取“嚴進嚴出”的措施,或許能對亂排現象起到一定的抑制作用。 [12] 
(5)研究解決污水的資源化利用
污水資源化利用是解決用水緊張的一個有效途徑,並可以產生較高的經濟效益,實現較好的環境效益。例如:合理利用採煤過程中抽取的地下水,以全國煤炭產量12億噸計算,大約可抽排50億m3的受污染的礦井地下水,若全部淨化成飲用水,則能產生巨大的社會和經濟效益。另外,中水回用、工業冷卻用水的循環利用等都是充分合理地利用水資源的有效措施。 [12] 

海水淡化

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海水淡化又稱海水脱鹽,是從海水中獲取淡水的技術和過程。從海水中取出淡水或者除去海水中的鹽分,都可以達到淡化的目的。根據脱鹽過程分類,海水淡化方法主要有熱法、膜法和化學方法三大類。熱法海水淡化技術主要有多級閃蒸(MSF)、多效蒸餾(MED)、壓汽蒸餾(VC)和冷凍法。膜法海水淡化技術包含了反滲透(RO)和電滲析(ED),化學方法則由水合物法和離子交換法構成。在眾多海水淡化方法中,水合物法所產淡水水質較差,離子交換法制水成本較高,因此化學方法應用受到限制,而冷凍法海水淡化由於冰晶的洗滌和分離較困難,造成裝置複雜,運行可靠性不高,因而一直難以被大規模應用。目前,投入商業運行的海水淡化方法主要有多級閃蒸(MSF)、多效蒸餾(MED)、壓汽蒸餾(VC)、反滲透(RO)和電滲析(ED),世界上採用較多的海水淡化技術方法是多級閃蒸(MSF)、低温多效蒸餾(LT-MED)和反滲透(RO)。 [13] 

多級閃蒸(MSF)

(1)多級閃蒸的原理
所謂閃蒸,是指一定温度的海水在壓力突然降低的條件下,部分海水急驟蒸發的現象。多級閃蒸過程的原理是:將原料海水加熱到一定温度後引入閃蒸室,由於該閃蒸室的壓力控制在低於熱鹽水温度所對應的飽和蒸汽壓的條件下,故熱鹽水進入閃蒸室後即成為過熱水而急速的部分氣化,從而使熱鹽水自身的温度降低,所產生的蒸汽冷凝後即為所需的淡水。多級閃蒸就是以此原理為基礎,使熱鹽水依次流經若干個壓力逐漸降低的閃蒸室,逐級蒸發降温,同時鹽水也逐級增濃,直到其温度接近(但高於)天然海水温度。 [13] 
(2)多級閃蒸工藝
多級閃蒸系統主要設備有鹽水加熱器、多級閃蒸裝置熱回收段、排熱段、水前處理裝置、排不凝氣裝置真空系統、鹽水循環泵和進出水泵等。其工藝流程為:進料海水→排熱段閃蒸器→預處理(混凝、消毒、殺藻、軟化、除垢)→循環鹽水泵→熱回收段閃蒸器各級。從排熱段閃蒸器出來的一部分海水作為排熱水排回大海,一部分海水通過預處理器後與從各級閃蒸器出來的濃鹽水在循環鹽水泵驅動下在系統內循環。 [13] 
(3)多級閃蒸工藝的優缺點
多級閃蒸技術利用熱能和電能,適合於可以利用熱源的場合,通常與火力發電廠聯合建設與運行。該技術具有工藝成熟,海水結垢傾向小、設備簡單可靠、易於大型化、操作彈性大、運行安全性高以及可利用低位熱能和廢熱等優點。目前,多級閃蒸的總裝機容量在海水淡化領域仍屬第一。 [13] 
主要缺點為設備材料費用較高,最高工作温度可達到110℃,對材料要求高,腐蝕等問題較嚴重,除垢工作量大,調試工作量大,各級水位的調整比較麻煩,有泄漏會使成品水受到污染,如水質不滿足要求則需要強迫停機處理等。 [13] 

低温多效蒸餾(LT-MED)

(1)低温多效蒸餾的原理
所謂低温是指海水在第一效的最高蒸發温度(鹽水頂温)不高於70℃,這是因為當蒸發温度低於70℃時,蒸發表面海水中鹽類結晶的速率將大大降低,從而可避免或減緩設備結垢的產生。
多效蒸餾是指:在第一效,海水經過蒸發器上部的噴嘴在管束外表面噴淋。鹽水從每一排管子向更低一排落下在每根管上形成降膜。加熱蒸汽通過管內時,温度略微高一點的蒸汽在管內凝結,而鹽水在管外蒸發生成二次蒸汽。前一個蒸發器蒸發出來的蒸汽作為下一蒸發器的熱源,並凝結成為淡水,依此類推,蒸發和凝結重複進行。在LT-MED過程中,蒸發器按系列式佈置,確保熱水蒸發側的壓力可成功地維持在低值。在一個蒸發器中凝結蒸汽成倍增加,是多效蒸發過程的標誌。 [13] 
(2)低温多效蒸餾的工藝
首先,進料海水在冷凝器中被預熱和脱氣之後被分成兩股物流:一股物流作為冷卻水排回大海;另外一股物流變成蒸餾過程的進料液,加入阻垢劑後的料液被引入到蒸發器温度最低的一組中。噴淋系統把料液分佈到各蒸發器的頂排管上,在自上而下流動的過程中,部分海水吸收管內冷凝蒸汽的潛熱而汽化。剩餘料液用泵打入到蒸發器效的下一組中,該組的操作温度要比上一組高。在新的組中又重複了蒸發和噴淋過程。剩餘的料液接着往前打,在温度最高的效組中以濃縮液的形式離開。 [13] 
其次,生蒸汽輸入到温度最高一效的蒸發管內部。在管內冷凝的同時,在管外產生了基本等量的蒸發。二次蒸汽穿過捕沫裝置後,進入下一效傳熱管內,第二效的操作温度和壓力要略低於第一效。這種蒸發和冷凝過程沿着一串蒸發器的各效重複,最後一效的蒸汽在冷凝器內被海水冷卻液冷凝。第一效的冷凝液被收集起來,該蒸餾水的一部分又返回到蒸汽發生器中,超過輸入的生蒸汽量的部分流入到一系列特殊容器的首個容器中,每一個容器都連接到下一低温效的冷凝側。這樣使一部分蒸餾水產生閃蒸並使剩餘的產品水冷卻下來,同時,把熱量傳回蒸發器。 [13] 
最後,產品水呈階梯狀流動並逐級閃蒸冷卻,放出的熱量提高了系統的總效率。被冷卻的蒸餾水最後用產品水泵抽出並輸入儲罐,生產出的產品水是平均含鹽量小於5mg/L的純水。濃縮海水像蒸餾水一樣,從第一效呈階梯狀流入一系列的濃鹽水閃蒸罐中,閃蒸冷卻以回收其熱量。經過冷卻之後,濃鹽水排回大海。不凝性氣體從冷凝管中抽出,並從一效流到另一效。這些不凝性氣體最後在冷凝器富集,並用蒸汽噴射器或機械式真空泵抽出。 [13] 
(3)低温多效蒸餾工藝的優缺點
低温多效蒸餾海水淡化系統由於具有操作温度低,避免或減緩了設備的腐蝕和結垢;預處理簡單;系統操作彈性大;動力消耗小;熱效率高;系統操作安全、可靠;可利用電廠低品位的餘熱而極大的降低了造水成本等優點,因此,已經成為未來第二代海水淡化廠的主流技術。但主要缺點是鹽水蒸發温度不能超過70℃,要進一步提高熱效率受到制約,同時蒸汽的比容較大,要求設備的體積也較大,即設備的投入要增加。 [13] 

反滲透(RO)

(1)反滲透的原理
反滲透法是以壓力差為推動力的淡化過程,就是在有鹽分的水中(如原水),施以比自然滲透壓力更大的壓力,使滲透向相反方向進行,把原水中的水分子壓到半透膜的另一邊,變成潔淨的水,從而達到除去水中鹽分的目的。溶質溶劑在膜中的擴散服從菲克(Fick)定理。物質的滲透能力不僅取決於擴散係數,而且取決於其在膜中的溶解度。溶質的擴散係數比水的擴散係數小得越多,高壓下水在膜內的移動速度就越快,因此透過膜的水分子數量就比通過擴散而透過去的溶質數量更多。 [13] 
(2)反滲透工藝
反滲透海水淡化系統由預處理、高壓泵、膜組件、後處理構成。預處理通常去除懸浮固體、調節pH、添加阻垢劑以控制碳酸鈣和硫酸鈣結垢等;高壓泵用於對進料海水加壓;膜組件的核心是半透膜,它截留溶解的鹽類,幾乎只允許水通過;後處理主要是進行穩定處理,包括pH調節和脱氣處理等。 [13] 
(3)反滲透工藝的優缺點
反滲透工藝具有設備投資少、佔地面積小、能量消耗低、建設週期短等諸多優點,但其反滲透淡化也具有產水純度略低、預處理要求嚴格以及温度降低產水量下降的不足。 [13] 

技術比較

多級閃蒸裝置單機容量最高,投資也最大,低温多效蒸餾與反滲透法的造水成本相差不多,反滲透電耗較高,操作性較複雜其出水水質較差。但反滲透應用於市政供水具有較大優勢,幾乎所有用於市政供水的海水淡化系統均採用了該法。對於要求提供鍋爐補給水和工藝純水,具有低品位蒸汽或餘熱可利用的電力、石化等企業,低温多效蒸餾可實現能源的高效利用,聯產後降低了淡化成本,具有一定的競爭優勢。 [13] 

超臨界水性質

編輯
當我們把水的温度和壓力升高到臨界點(温度 374.3℃,壓力 22.05MPa)以上,水就會處於一種既不同於氣態也不同於液態和固態的流體狀態——超臨界狀態,此狀態下的水就稱為超臨界水(SCW)。 [14] 

密度

超臨界水具有可壓縮性,温度或壓力的微小變化就會引起超臨界水的密度大大減小,在臨界點時,水的密度僅為0.326g/cm3,典型的超臨界水氧化是在密度接近0.1g/cm3時進行的。 [14] 

溶解度

超臨界水(SCW)的溶解能力主要取決於其的密度,密度增加,溶解能力增強;密度減小,溶解能力減弱,甚至喪失對溶質的溶解能力。因此,有可能借助系統壓力和温度的調節,在較寬的範圍內變動SCW的溶解能力,使其利於溶質的相轉移。下表列出了超臨界水與普通水的溶解度對比。 [14] 
溶質
普通水
超臨界水
無機物
大部分易溶
不溶或微溶
有機物
大部分微溶或不溶
易溶
氣體
大部分微溶或不溶
易溶

介電常數

介電常數隨密度的增加而增大,隨壓力的升高而增大,隨温度的升高而減小。介電常數的變化引起超臨界水溶解能力的變化,有利於溶解一些低揮發性物質,相應溶質的溶解度可提高5~10個數量級,所以超臨界水的介電常數與常温、常壓下極性有機物的介電常數相當。因為水的介電常數在高温下很低,水很難屏蔽掉離子間的靜電勢能,因此溶解的離子以離子對的形式出現,在這種條件下,水錶現得更像一種非極性溶劑 [14] 

黏度和熱導率

一般情況下,氣體的黏度隨温度的升高而增大,液體的黏度隨温度的升高而減小。超臨界水的黏度約為2.98×10-3Pa·s,這使得超臨界水成為高流動性物質。液體熱導率隨温度的升高略有減小,常温、常壓下水的熱導率為0.598W/(m·K),臨界點時熱導率約為0.418W/(m·K),變化不是很大。 [14] 

擴散係數

根據Stockes方程,水在密度較高的情況下,擴散係數與黏度存在反比關係。高温、高壓下水的擴散係數與水的黏度、密度有關。對高密度水,擴散係數隨壓力的增加而增加,隨温度的增加而減小;對低密度水,擴散係數隨壓力的增加而減小,隨温度的增加而增加,並且在超臨界區內,水的擴散係數出現最小值。超臨界水分子的擴散係數比普通水高10~100倍,使它的運動速度和分離過程的傳質速率大幅度提高,因而有較好的流動性、滲透性和傳遞性能,利於傳質和熱交換。 [14] 

離子積對數

水的離子積對數與密度和温度有關,但密度對其影響更大。離子積對數與密度和温度的關係,密度越高,水的離子積對數越大。標準條件下水的離子積對數是10-14。在超臨界點附近,由於温度升高使水的密度迅速下降,導致離子積對數減小;而在遠離臨界點時,温度對密度的影響較小,温度升高,離子積對數增大,因此,在温度為1000℃、密度1g/cm3時,水將是高度導電的電解質溶液 [14] 

超臨界水氧化技術

編輯
超臨界水氧化技術(supercritical water oxidation)是由美國學者Modell在20世紀80年代中期提出的一種新型高級氧化水處理技術。它是以水為介質,在超臨界條件下的自由基反應,不存在氣液界面傳質阻力,可以提高反應速率並實現完全氧化。同焚燒、濕式催化氧化等技術相比,超臨界水氧化法具有良好的溶劑性能和傳遞性能,能徹底破壞有機污染物結構具有污染物完全氧化、二次污染小、設備與運行費用相對較低等優勢,是一種高效的環境友好型處理技術。 [15] 

發展進程

Modell在MODAR公司開發超臨界水氧化處理工藝;而從1990年開始,Gloyna開發研究超臨界水氧化處理工藝,並於1994年5月開始進行工業廢水處理研究。1996年,MODAR公司被General Atomics(GA)收購,General Atomics(GA)利用此技術處理軍工廢物。 [15] 
我國從20世紀90年代中期開始從事近(超)臨界水氧化處理廢水廢液的研究,從剛開始小型設備的模擬廢水實驗到發展成為中型設備,同時開始了對高濃度的工業廢水處理,如炸藥廢水、印染廢水等都取得了非常好的處理效果,但是在工程應用方面還剛剛起步。在國內關於超臨界設備的專利已經很多,但由於它的高成本、易腐蝕、鹽沉積等原因,目前還難以實現工業化的大規模連續運行。 [15] 

應用領域

作為一種新興的高級氧化技術超臨界水氧化技術具有相當的優越性。它可以徹底破壞有機物的結構,理論上可以適用於任何含有機物的廢物,在環保方面主要應用於處理高濃度的有機有毒難降解廢棄物。 [15] 
(1)常規廢水領域
廢水中含有的有毒有害的污染物越來越多,成分複雜,危害大,許多污染物難以生化降解,運用超臨界水氧化技術可以使廢水中有毒有害的有機物開環、斷鍵、取代、電子轉移等,轉化成為易降解的小分子物質,甚至可以直接轉換成為水和二氧化碳,達到處理的目的。 [15] 
SCWO(超臨界水氧化)反應速度快、氧化分解徹底。一般只需幾秒至幾分鐘即便可將廢水中的有機物徹底氧化分解,去除率可達99%以上。因此在處理廢水領域超臨界有着生化法不可替代的作用。 [15] 
(2)高濃度有機廢液
含有高濃度的氨態氮、苯酚和化學需氧量(COD)的廢水可以很容易的在超臨界氧化過程中被破壞分解。並且超臨界水氧化技術在處理高濃度的有機廢液時,通常情況下,廢水中的有機物濃度>2%時,其自身反應放出的熱便可維持反應過程的熱平衡,從而實現自熱反應,進一步節約了能源。因此SCWO技術特別適合於高濃度難降解有機廢水的處理。 [15] 
(3)固廢(含污泥)
固體廢物以及廢水處理過程中產生的污泥,除富含脂肪、蛋白質、纖維素和糖類等有機物外,還含有多種有毒有害的有機污染物和重金屬離子。其成分複雜,分析處理困難。傳統的處理方法主要為填埋法。但是存在處理效果不好,易產生二次污染等問題。超臨界水氧化技術的應用,不但使有害廢物處理效果更加顯著,並且降低了成本。在温度為370~650℃,壓力為22~26MPa條件下,污泥處理率達到99%以上,最終產物為二氧化碳和水。 [15] 

工程應用

美國的超臨界水氧化技術發展較快,已經建成了大規模的工業化裝置,並且取得了非常好的處理效果及經濟效益。早在1994年,由美國MODEC公司為德國醫藥聯合體設計的SCWO(超臨界水氧化)工廠每天可處理5~30t有機物。 [15] 
1995年,在美國的Austin市建成了一套可處理多種長鏈有機物和胺類的SCWO裝置。日本在超臨界水研究方面也早已進入了中試階段,1997年,日本三菱重工業公司和東北電力公司合建成一組處理廢塑料的中試裝置,處理能力為500kg/d。日本神鋼的超臨界水氧化系統於1997年引進美國技術,並與瑞典合作開發,於2000年建成,最大處理量為1.1t/h。瑞典於1999年建成處理能力為5.7m/d的SCWO水處理裝置。德國Daimler Chrysler公司建成了專門處理電子廢物的SCWO裝置。 [15] 
國內的三門峽高清環保科技有限公司從1998年開始從事超臨界水氧化處理廢水的研究,對多種化工廢水進行小試,目前中試裝置為300L/d。國內有公司開發了一套專門處理高濃度化工廢液的超臨界連續裝置,處理水量達900~1000L/d。目前國內最大的生產規模日處理量為3.6t。 [15] 

問題及改進

(1)腐蝕問題
SCWO(超臨界水氧化)的操作條件非常苛刻,高温高壓以及極端pH值(pH=12),導致設備極易腐蝕。有研究表明,腐蝕SCWO不鏽鋼反應器的主要原因是高温和氧化劑。在處理含鹵素、硫或磷的有機物時產生的酸會造成反應器的嚴重腐蝕。而強鹼性(pH>12)水溶液在超臨界温度和氧化條件下對鎳質合金具有高的腐蝕性。 [15] 
對SCWO工藝中產生的酸性產物,至少存在一種材料能適應其腐蝕性,但這種材料對其他酸卻沒有抗腐能力。因此,通過選擇和分離原料或針對不同的原料在反應器的不同部位應用不同的材料,可使腐蝕降到最低的程度。在水的臨界點附近,合金的腐蝕速率與温度升成指數關係,温度升高,腐蝕速率增大,但當温度超過臨界温度時,腐蝕速率隨着温度的升高而降低。因此開發高性能耐高壓反應器材料,研究鎳基、鈦基的合金塗層及其他複合防腐塗層,反應器的優化設計等是預防超臨界水氧化法腐蝕的重要途徑。 [15] 
(2)鹽沉積問題
大多數鹽在常温下溶解度較大,但在超臨界水中溶解度很低。當温度達到超臨界狀態時,由於鹽的溶解度大幅度降低,有大量沉澱析出,沉積的鹽會引起反應器堵塞,導致設備無法正常運行。鹽沉積問題成為了超臨界水氧化法推廣應用的重要問題之一。 [15] 
最好的克服堵塞問題的辦法是使廢水中的鹽濃度最低化。低濃度含鹽廢水可以成功地被特殊的反應器所處理,而高濃度含鹽廢水最好用其他方法處理,或者反應器前段預脱鹽處理,然後再進行SCWO反應。或者研究反應器本身集成脱鹽連續排渣系統,如將反應釜底部設計成漏斗形狀,安裝排鹽口,可以使鹽都沉積在底部,及時排鹽排渣。 [15] 

應用前景

濕式氧化法焚燒法相比,超臨界水氧化技術處理廢物運行成本低,佔地面積少,操作維修費較低,具有一定的工業應用價值。 [15] 
而且該技術應用範圍廣,操作過程簡單,可以應用於多種有毒有害物質的處理;處理效率高並且徹底,在適當的温度、壓力和較短的停留時間下,有機物能被完全氧化成二氧化碳、水、氮氣以及鹽類等無毒無害的小分子化合物,處理率達到99.99%以上;均相反應,反應速率快,停留時間短,平均停留時間小於1min。反應器結構簡潔,體積小,佔地面積小,節約成本;若被處理廢水中的有機物濃度>2%,就可以依靠氧化反應過程中自身產生熱量來維持反應所需的熱能,不需要外界供給熱量,節約了能源,若污染物濃度較高,反應能放出更多的氧化熱,熱能可以回收再利用。 [15] 
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