第二章-天然水的主要理化性质.pdf
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1、第二章第二章 天然水的主要理化性质天然水的主要理化性质李丽李丽水产养殖生态研究室水产养殖生态研究室中国海洋大学水产学院中国海洋大学水产学院 掌握天然水离子总量离子总量、盐度盐度、氯度氯度的原始概念及相互关系;含盐量对水产养殖的影响;天然水的阿列金分类法阿列金分类法;海水的密度密度、密度最大时的温度密度最大时的温度、冰点与盐度的关系冰点与盐度的关系、水体流转混合水体流转混合、温度分布的影响因素及与盐度的关系。理解淡水、海水的电导率。了解海水盐度和氯度的定义的演变、电解质的平均活度和平均活度系数的计算。教学要求第一节第一节 天然水的盐度、密度和化学分类天然水的盐度、密度和化学分类第二节第二节 天然
2、水的依数性和透光性天然水的依数性和透光性第三节第三节 天然水的离子强度、活度和导电性天然水的离子强度、活度和导电性第四节第四节 水的流转混合作用与水体的温度分布水的流转混合作用与水体的温度分布第一节第一节 天然水的盐度、密度和化学分类天然水的盐度、密度和化学分类一、天然水的含盐量二、天然水的密度三、天然水的化学分类法一、天然水的含盐量(一)天然水含盐量的表示方法(一)天然水含盐量的表示方法P15离子总量离子总量矿化度矿化度盐度盐度氯度氯度天然水中各种离子成分含量的总和即离子总量。天然水中各种离子成分含量的总和即离子总量。常用常用mg/L、mmol/L或或g/kg、mmol/kg表示表示。由。由
3、于含量微小的成分对离子总量的贡献可忽略,于含量微小的成分对离子总量的贡献可忽略,因此,在计算离子总量时可以只考虑水中主要因此,在计算离子总量时可以只考虑水中主要的离子。的离子。TDS(Total Dissolved Solids)当量浓度:以单位电荷为基本单元的物质的量浓度。electro equivalent(eq)of a substance equals the amount of that substance that will deliver 1 mol of electrons for a specified reaction.摩尔浓度(Morlarity)和当量浓度(Normal
4、ity)1/3 Fe=1/3 Fe3+e-1/3 Fe(mole)=1 eq of Fe 56 g/mole 18.7 g/eq 18.7mg/meq电荷平衡理论电荷平衡理论(Cation-Anion Balance)天然水中,所有阳离子所带的正电荷与所有阴离子所带的负电荷相等。依据该理论,可粗略分析化学分析的准确性。对大多数淡水,构成离子总量的主要离子一般有:阳离子Ca2+,Mg2+,Na+,K+;阴离子:HCO3-,CO32-,SO42-和Cl-。某些特殊水体可能会含有较多的Fe2+,应该考虑。海水B、Br、Sr等元素含量也较高,应该考虑。某同学分析一未知水样,得到121mg/L 碳酸氢根
5、,28mg/L 硫酸根,17mg/L Cl-,39 mg/L Ca2+,8.7 mg/L Mg2+,8.2 mg/L Na+和1.4mg/L K+。此分析准确吗?阴离子:阴离子:(121 mg HCO3-/L)/(61 mg HCO3-/meq)=1.98 meq HCO3-/L(28 mg SO42-/L)/(48 mg SO42-/meq)=0.58 meq SO42-/L(17 mg Cl-/L)/(35.45 mg Cl-/meq)=0.48 meq Cl-/L共:3.04 meq/L 阳离子阳离子(39 mg Ca2+/L)/(20.04 mg Ca2+/meq)=1.95 meq
6、Ca2+/L(8.7 mg Mg2+/L)/(12.16 mg Mg2+/meq)=0.72 meq Mg2+/L(8.2 mg Na+/L)/(23 mg Na+/meq)=0.36 meq Na+/L(1.4 mg K+/L)/(39.1 mg K+/meq)=0.04 meq K+/L共:3.07 meq/L Ca2+为40 mg/mmol Na+为23 mg/mmol物质量的基本单元以单位电荷形式计:Ca有两个电荷 1/2Ca2+为20 mg/mmol物质量的基本单元以单位电荷形式计:Na有一个电荷 Na+23 mg/mmol20 mg/meq23 mg/meq矿化度矿化度矿化度也是反
7、映水中含盐量的一个指标,是指“矿化度也是反映水中含盐量的一个指标,是指“蒸蒸干称重法得到的无机矿物成分的总量干称重法得到的无机矿物成分的总量”。测定时要”。测定时要用过氧化氢氧化水中可能含有的有机物,在用过氧化氢氧化水中可能含有的有机物,在105105-110110烘干剩余的残渣至恒重,然后称重。烘干剩余的残渣至恒重,然后称重。蒸发皿蒸发皿在蒸干过程中会发生如下反应,使得矿化度与离子总量比较,水中HCO3-损失了将近一半。Ca2+2HCO3-=CaCO3+CO2+H2O 将洗净的蒸发皿置于105-110烘箱烘箱中烘中烘2h,放入干燥器中冷却至室温后称重,重复烘干称重,放入干燥器中冷却至室温后称
8、重,重复烘干称重,直至恒重(两次称重相差不超过直至恒重(两次称重相差不超过0.0005g)。)。取取适量水样用玻璃砂芯坩埚抽滤。适量水样用玻璃砂芯坩埚抽滤。取过滤后水样取过滤后水样50-100ml(水样量以产生水样量以产生2.5-200mg的残渣为宜),置于已称重的蒸发皿中,水的残渣为宜),置于已称重的蒸发皿中,水浴上蒸干。浴上蒸干。如蒸干残渣有色,使蒸发皿冷却后,滴加过氧化氢溶液数低,慢慢旋转蒸发皿至气泡消失,如蒸干残渣有色,使蒸发皿冷却后,滴加过氧化氢溶液数低,慢慢旋转蒸发皿至气泡消失,再蒸干,反复处理数次,直至残渣变成白色或颜色稳定不变为止。再蒸干,反复处理数次,直至残渣变成白色或颜色稳
9、定不变为止。蒸发皿放入烘箱中于蒸发皿放入烘箱中于105-110烘干烘干2h,置于干燥器中冷却至室温,称重,重复烘干,直至恒置于干燥器中冷却至室温,称重,重复烘干,直至恒重(重(两次称重相差不超过两次称重相差不超过0.0005g)。)。测定步骤测定步骤依据:水和废水监测分析方法(第四版)国家环境保护总局编依据:水和废水监测分析方法(第四版)国家环境保护总局编矿化度(矿化度(mg/L)=(W-W0/V)*106 式中:式中:W 蒸发皿及残渣的总重量蒸发皿及残渣的总重量(g)W0蒸发皿重量(蒸发皿重量(g)V 水样体积(水样体积(ml)总溶解性颗粒物总溶解性颗粒物(TDS)总溶解性颗粒物 Total
10、 Dissolved Solids(TDS)Filter the water with glass fiber filter with less than 2 um openings Evaporate the filtrate 102 Weigh the residue缺点:(1)损失 Ca2+2HCO3-=CaCO3+CO2+H2O(2)包含organic matter算一算算一算100ml 水样在102下蒸发,蒸发皿初始重量为5.2000g,蒸发后重量为5.2100g,估算TDS,以mg/L表示。依据依据:Water Quality:an Introduction by Claude E
11、.Boyd,2ndEdition 2015氯度氯度原始定义原始定义:将:将1000g海水中的溴和碘以等当量的氯取代后,海水中所海水中的溴和碘以等当量的氯取代后,海水中所含氯的总克数。用含氯的总克数。用Cl符号表示。符号表示。新定义新定义:沉淀沉淀0.3285234千克海水中全部卤族元素所需纯标准银(原千克海水中全部卤族元素所需纯标准银(原子量银)的克数,在数值上即为海水的氯度。用子量银)的克数,在数值上即为海水的氯度。用Cl符号表示,无量符号表示,无量纲单位为纲单位为1x10-3。海水氯度相当于沉淀海水样品中全部卤族元素所需纯标准银(原子海水氯度相当于沉淀海水样品中全部卤族元素所需纯标准银(原
12、子量银)的质量与海水样品质量之比的量银)的质量与海水样品质量之比的0.3285234倍,用倍,用10-3作单位。作单位。盐度盐度当海水中的溴和碘被相当量的氯所取代、碳酸盐全部变成氧化物、有机物完全氧化时,海水中所含全部固体物质的质量与海水质量之比,以10-3或表示。盐度盐度的单位:的单位:ppt(part per thousand g/L)pptpart per thousand g/L ppmpart per million mg/kg ppb part per billion ug/L盐度与氯度的关系盐度与氯度的关系S=0.030+1.8050 Cl根据对大西洋东北部和波罗的海九个不同盐度
13、值水样的准确测定结果而推导出来的,根据对大西洋东北部和波罗的海九个不同盐度值水样的准确测定结果而推导出来的,在六十年代以前得到国际上的广泛应用在六十年代以前得到国际上的广泛应用。由于海水成分的变动,特别是低盐度海水用由于海水成分的变动,特别是低盐度海水用上述关系式从氯度值计算出的盐度值通常上述关系式从氯度值计算出的盐度值通常产生误差产生误差。1966年提出的经验公式:年提出的经验公式:S=1.80655Cl对于不同河口区海水,氯度与盐度的关系可能会有差别,我国晋江河口区海水为:对于不同河口区海水,氯度与盐度的关系可能会有差别,我国晋江河口区海水为:S=0.030+1.8050 Cl 电导盐度计
14、的出现,使盐度测定的精度大为提高,超过了由氯度计算盐度的精度。为了克服由氯度计算盐度不够精确等问题,同时得到可复现的电导率标准,海洋学常用表及标准联合专家小组在1978年提出实用盐度的定义。实用实用盐度盐度S=0.0080 0.1692 K1/215+25.3851 K15+14.0941K3/215 7.0261 K215+2.7081 K5/215(S=242适用)K15:15,1atm时海水电导率与质量分数为32.4356*10-3的标准氯化钾溶液电导率之比。当S=35时,K15=1K15是海水与标准氯化钾溶液比较测得的电导率比,是作为标定标准海水用的。实际测定海水样品盐度时,联合国专家
15、仍主张使用标准海水,而不要使用标准氯化钾溶液。用盐度为35.00的标准海水作参比时,测得的电导率比记为R15,将其代入上式中,计算得到的就是海水样品的实用盐度。如果电导率比不是在15而是在t时测量的(Rt),则将Rt代入式中的计算结果是未修正的盐度值,需修正后才是实用盐度。K15是海水与标准氯化钾溶液比较测得的电导率比,是作为标定标准海水用的。实际测定海水样品盐度时,联合国专家仍主张使用标准海水,而不要使用标准氯化钾溶液。用盐度为35.00的标准海水作参比时,测得的电导率比记为R15,将其代入上式中,计算得到的就是海水样品的实用盐度。如果电导率比不是在15而是在t时测量的(Rt),则将Rt代入
16、式中的计算结果是未修正的盐度值,需修正后才是实用盐度。用标准KCl溶液作标准,有利于盐度标准的统一。建立的实用盐度公式摆脱了海水组成恒定比关系,使盐度和氯度之间实用盐度公式摆脱了海水组成恒定比关系,使盐度和氯度之间不再有关系。不再有关系。氯度成为一个独立表征海水性质的参数。而盐度只与海水电导比有关系。盐度值可直接由国际海洋学常用表中编入的海水盐度电导率比值关系查算表进行计算。YSI 556多参数多参数水质测量仪水质测量仪YSI 556MPS 系统规格测量参数技术指标参 数测量范围分辨率准确度溶解氧溶解氧(%空气饱和度)0至500%0.1%0至200%:读数之2%或2%空气饱和度,以较大者为准;
17、200至500%:读数之6%溶解氧溶解氧(毫克/升)0至50毫克/升0.01毫克/升0至20毫克/升:读数之2%或0.2毫克/升,以较大者为准;20至50毫克/升:读数之6%温温 度度-5至+450.10.15电导率电导率0至200 毫西门子/厘米0.001至0.1毫西门子/厘米(视量程而定)读数之0.5%或0.001毫西门子/厘米,以较大者为准(4米电缆);读数之1.0%或0.001毫西门子/厘米,以较大者为准(20米电缆)盐盐 度度0至70ppt0.01ppt读数之1.0%或0.1ppt,以较大者为准酸碱度(可选)0至140.010.2氧化还原电位(可选)-999至+999毫伏0.1毫伏2
18、0毫伏总溶解固体0至100克/升4位数气压计(可选)500至800毫米汞柱0.1毫米汞柱3毫米汞柱(温度变化在校准点15之内)注:仪器准确度规格是主机与探头的总和与与含盐量有密切关系的水质参数含盐量有密切关系的水质参数还有许多,比如海水的还有许多,比如海水的折光率折光率、海、海水的水的密度密度等都与海水含盐量有密切关系,因而市场上设计生产了等都与海水含盐量有密切关系,因而市场上设计生产了海海水光学盐度计,海水密度计(比重计)水光学盐度计,海水密度计(比重计)等,用它们间接反应天然水等,用它们间接反应天然水盐度的状况,只是准确度较差。盐度的状况,只是准确度较差。Refractometer(Sal
19、inometer)P370 海水密度海水密度盐度查对表盐度查对表离子总量、矿化度离子总量、矿化度概念较多用来反映概念较多用来反映内陆水内陆水的含盐量;的含盐量;盐度、氯度盐度、氯度则是反映则是反映海水海水含含盐量的参数。盐量的参数。氯度在内陆水中不使用,因为对于内陆水,它与含盐量没有一定关系。在涉及内氯度在内陆水中不使用,因为对于内陆水,它与含盐量没有一定关系。在涉及内陆水含盐量的文献中,也常可见到陆水含盐量的文献中,也常可见到“盐度”这个术语,从上、下文中分析,有的作者“盐度”这个术语,从上、下文中分析,有的作者指的是离子总量、有的作者指的是矿化度,并不是指海洋学上的盐度概念。指的是离子总量
20、、有的作者指的是矿化度,并不是指海洋学上的盐度概念。离子总量、矿化度和盐度的大小离子总量、矿化度和盐度的大小关系?关系?一、天然水的含盐量(二)含盐量对水产养殖的影响(二)含盐量对水产养殖的影响不同生物的耐盐性不同不同生物的耐盐性不同天然水的含盐量相差悬殊。死海:300 g/L;大洋水 35 g/L;我国新疆、四川的一些地下水300 g/L。水中一定的含盐量是保持生物体液一定渗透压的需要。一、天然水的含盐量(二)含盐量对水产养殖的影响(二)含盐量对水产养殖的影响生物的不同生长阶段的耐盐性不同 鲢鳙鱼苗的耐盐上限为2.5g/L;而夏花鱼种为3.0g/L。草鱼仔鱼期耐盐上限为6-8g/L;成鱼为1
21、0-12g/L。生物的耐盐性与其他环境因子有关鲢鳙鱼对盐度的适应随着水的pH的增大而降低。鱼的耐盐限度同盐分的组成有关。在含碳酸根、碳酸氢根和钾离子较多的水中,鱼的耐盐性显著降低。许多耐盐性试验是低盐海水或淡水添加NaCl进行,试验结果不能随意推广。哪些参数可以反映天然水的含盐量?他们各有什么特点。海水的盐度、氯度是怎么定义的?它们之间关系如何?课后思考课后思考二、天然水的密度1.1.纯水的密度纯水的密度 温度和压力的函数。在压力为1atm时(101.325 kPa),纯水的密度如左表所示。纯水在4密度最大。天然水的密度是温度、含盐量、盐分组成、压力的函数。对于淡水可以近似比照纯水看待。温度温
22、度()密度密度(g/cm3)温度温度()密度(密度(g/cm3)温度温度()密度密度(g/cm3)00.999868110.999633210.99801910.999927120.999525220.99779720.999968130.999404230.99756530.999992140.999404240.99732341.000000150.999126250.99707150.999992160.998970260.99681060.999968170.998801270.99653970.99992917.50.998713280.99625980.999867180.9986
23、22290.99597190.999809190.998432300.995673100.999728200.9982302.2.海水海水的的密度密度 温度、压力和盐度的函数。0、1atm时海水的密度与盐度的经验关系式:其他温度条件密度的公式比较复杂,有兴趣的同学可以查阅相关文献。密度=-0.069+0.81415S-4.18*10-4S2+6.75*10-6S3t/s5102030354001.0039701.0080141.0160651.0241011.0281261.03216351.0040061.0079671.0158581.0237441.0276971.031663101.0
24、036701.0075621.0153211.0230801.0269711.030878151.0030121.0063471.0144961.0221501.0259901.029846201.0020681.0058571.0134161.0209831.0247811.028595251.0008671.0046171.0121021.0195981.0233621.027144300.9994331.0031471.0105681.0180031.0217461.025504表表 不同温度、盐度时海水的密度不同温度、盐度时海水的密度 海水的密度一般大于海水的密度一般大于1g/cm3,
25、小于,小于1.03g/cm3;盐度变化盐度变化1单位引起的密度的变化值比温度变化单位引起的密度的变化值比温度变化1引起的密度变化值大许多。引起的密度变化值大许多。海水冰点也是盐度的函数20001282.02168.0975.3SStCZMo 2510225.705199.00137.0SStCfo海水密度最大的温度是盐度的函数随着盐度的升高,海水冰点温度降低。随着盐度的升高,海水达到最大密度时的温度降低。t=-1.35S=24.9三、天然水的化学分类1.1.按含盐量的分类按含盐量的分类2.2.按主要离子成分的分类按主要离子成分的分类阿列金分类法阿列金分类法分类:碳酸分类:碳酸盐类(盐类(C C
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