电厂化学专业培训教材.doc

内蒙古岱海电厂一期2×600MW机组化学培训教材
第一章 化学在火力发电厂的作用
第一节 水在火力发电厂中的作用
热力发电就是利用热能转变为机械能进行发电。现在我国用得比较普遍的热能来自各种燃料的化学能,此种发电称为火力发电。本书以火力发电为主，对其用水质量的处理加以探讨。
在火力发电厂中，水进入锅炉后，吸收燃料（煤、油或天然气）燃烧放出的热能，转变成蒸汽、导入汽轮机；在汽轮机中，蒸汽的热能转变成机械能；汽轮机带动发电机，将机械能转变成电能。所以锅炉和汽轮机为火力发电的主要设备.为了保证它们正常运行，对锅炉用水的质量有很严的要求，而且机组中蒸汽的参
数愈高，对其要求也愈严。
在凝汽式发电厂中，水汽呈循环状运行。锅炉产生的蒸汽经汽轮机后进入凝汽器，在这里它被冷却成凝结水,此凝结水经泵送到低压加热器，加热后送入除氧器，再由给水泵将已除氧的水送到高压加热器后进入锅炉。图1－1所示就是这类发电厂水汽系统的主要流程。
图1－1 凝汽式发电厂水汽循环系统主要流程
1一锅炉j 2一汽轮机；3一发电机；4一凝汽器;5一凝结水泵；6一冷却水泵；7一低压加热器；8一除氧器；9一给水泵;10一高压加热器；11一水处理设备
在上述系统中，汽水的流动虽呈循环状，但这是主流,并非全部，在实际运行中总不免有些损失.造成汽水损失的主要原因有如下几个方面:
（1）锅炉部分.锅炉的排污放水,锅炉安全门和过热器放汽门的向外排汽，用蒸汽推动附属机械（如汽动给水泵），蒸汽吹灰和燃烧液体燃料（如油等）时采用蒸汽雾化法等，都要造成汽水损失.
（2）汽轮机机组。汽轮机的轴封处要连续向外排汽，在抽气器和除氧器排气口处会随空气排出一些蒸汽，造成损失。
（3）各种水箱。各种水箱伯疏水箱等）有溢流和热水的蒸发等损失。
（4）管道系统。各管道系统法兰盘连接处不严密和阀门漏泄等原因，也会造成汽水损失。‘’
为了维持发电厂热力系统的水汽循环运行正常，。就要用水补充这些损失这部分水称为补给水。“凝汽式发电厂在正常运行情况下，补给水量不超过锅炉额定蒸发量的2％～4％.例如额定蒸发量每小时为100t蒸汽的锅炉.其补给水量每小时不超过2—4t。
第二节 火力发电厂中水处理的重要性
长期的实践使人们认识到，热力系统中水的品质,是影响发电厂热力设备(锅炉、汽轮机等)安全、经济运行的重要因素之一.没有经过净化处理的天然水含有许多杂质，这种水如进入水汽循环系统，将会造成各种危害。为了保证热力系统中有良好的水质,必须对水进行适当的净化处理和严格地监督汽水质量。
现将热力发电厂中。，由于汽水品质不良而引起的危害，简述如下：
（1）热力设备的结垢.如果进入锅炉或其他热交换器的水质不良，则经过一段时间运行后,在和水接触的受热面上，会生成一些固体附着物,这种现象称为结垢，这些固体附着物称为水垢。因为金属的导热性比水垢的高几百倍，而这些水垢又极易在热负荷很高的锅炉炉管中生成，所以结垢对锅炉（或热交换器）。的危害性很大。它可使结垢部位的金属管壁温度过高，引起金属强度下降，这样在管内压力的作用下，就会发生管道局部变形、产生鼓包，甚至引起爆管等严重事故。结垢不仅危害安全运行。而且还会大大降低发电厂的经济性。例如，火力发电厂锅炉的省煤器中,结有lmm厚的水垢时，燃料用量就比原来的多消耗1.5％～2.0%.由于发电厂锅炉的容量一般都很大，每年使用的燃料量也很大(60万的机组煤耗为150—160万吨/年，所以燃料的消耗率虽只有微小的增加，却会给电厂造成巨额的经济损失。另外，在汽轮机凝汽器内结垢会导致凝汽器真空度降低,从而使汽轮机的热效率和出力下降。加热器的结垢会使水的加热温度达不到设计值,使整个热力系统的经济性降低。而且,热力设备结垢以后。必须及时进行清洗工作,这就要停止运行，减少了设备的年利用小时数，此外，还要增加检修工作量和费用等。
(2）热力设备的腐蚀。发电厂热力设备的金属经常和水接触，若水质不良，则会引起金属腐蚀。热力发电厂的给水管道、各种加热器、。锅炉省煤器、水冷壁、过热器和汽轮机凝汽器等,。都会因水质不良而腐蚀。腐蚀不仅要缩短设备本身的使用期限，造成经济损失，而且金属腐蚀产物转入水中，使给水中翻增多，从而加剧在高热负荷受热面上的结垢过程,结成的垢又会加速锅炉炉管腐蚀。"此种恶性循环，会迅速导致爆管事故。此外,金属的腐蚀产物被蒸汽带到汽轮机中沉积下来后,也会严重地影响汽轮机的安全、经济运行。
（3)过热器和汽轮机的积盐。水质不良会使锅炉不能产生高纯度的蒸汽,随蒸汽带出的杂质就会沉积在蒸汽通过的各个部位，如过热器和汽轮机，这种现象称为积盐.过热器管内积盐会引起金属管壁过热甚至爆管；汽轮机内积盐会大大降低汽轮机的出力和效率，特别是高温高压大容量汽轮机,它的高压部分蒸汽流通的截面积很小，所以少量的积盐也会大大增加蒸汽流通的阻力，使汽轮机的出力下降。当汽轮机积盐严重时，还会使推力轴承负荷增大，隔板弯曲，造成事故停机。
火力发电厂化学工作就是为了保证火力系统各部分有良好的水汽品质，以防止热力设备的结垢、积盐和腐蚀。因此，在火力发电厂中，化学工作对保证发电厂的安全、经济运行具有十分重要的意义.
火力发电厂的化学工作者，应主持或参与以下这些工作:
（1)净化原水，制备力系统所需质量的补给水。它包括除去天然水中的悬浮物和胶体状态杂质的澄清、过滤等处理;除去水中溶解的钙、镁离子的软化处理；或除去水中全部溶解盐类的除盐处理。这些制备补给水的处理,通常称为炉外水处理。
（2）对给水进行除氧、加药等处理。
（3)对汽包锅炉进行锅炉水的加药处理和排污，这些工作称为锅内水处理.
（4）对直流锅炉机组或某些亚临界压力、汽包锅．炉机组进行 凝结水的净化处理。
（5）在热电厂中,对生产返回水进行除油、除铁等净化处理。
(6)对冷却水进行防垢、防腐和防止有机附着物等处理。
(7)对热力系统各部分的汽水质量进行监督。
此外，化学清洗热力设备以及机炉停运期间的保养工作，化学有直接关系，也应列入水处理工作。
第三节 岱海一期2×600MW机组主要参数
1．锅炉
锅炉是北京巴布科克·威尔科克斯有限公司生产的亚临界、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、全封闭布置、自然循环单汽包燃煤锅炉，其主要参数：
主蒸汽流量：2028．4 t/h
给水温度:280．3℃
给水压力：17．5 M Pa
过热蒸汽温度：541℃
过热蒸汽压力:17．5MPa
再热蒸汽出口温度：541℃
再热蒸汽出口压力：3．3MPa
2．汽轮机
汽轮机是上海汽轮机厂生产的一次中间再热、单轴、四缸。四排汽、双背压凝汽式汽轮机，其主要参数如下:
主汽门前蒸汽压力：16．70 MPa
主汽门前蒸汽温度：538℃
额定进汽量：1757．223 t/h
3．发电机
制造厂家： 上海汽轮机厂
额定功率： 600MW
冷却方式： 氢冷
第四节 岱海一期2×600MW机组原水水质全分析报告
项目名称
单位
＃1
＃2
#3
阳
离
子
K++Na+
mg/L
103.62
101.40
101。81
Ca2+
mg/L
36。1
38。5
27。3
Mg2+
mg/L
30。1
26.8
27.2
Fe2+
mg/L
0
0.01
0.02
Fe3+
mg/L
0。12
0。06
0。07
Al3+
mg/L
0
0
0
NH4+
mg/L
0
0
0。03
Mn2+
mg/L
〈0。002
〈0.002
<0。002
Sr2+
mg/L
0.112
0.126
0.102
∑
mg/L
197。05
166.89
156.54
项目名称
单位
#1
#2
#3
阴
离
子
CL—
mg/L
19。0
20。0
43。5
SO42—
mg/L
31.0
28.0
54。0
CO32—
mg/L
0
0
0
HCO3-
mg/L
256。28
231。88
286。79
NO2—
mg/L
0
0.007
0.026
NO3—
mg/L
11.08
11。06
7.27
F-
mg/L
0。68
0.65
0.58
PO43—
mg/L
0.032
0.033
0。036
S2-
mg/L
0。88
0.79
0。84
∑
mg/L
318。04
291。59
404。14
总固体
mg/L
312
301
414
溶解固形物
mg/L
295
292
400
悬浮性固体
mg/L
17
9
14
电导率

410
400
520
总硬度
mg/L（CaCO3）
214.2
198.2
180.2
碳酸盐硬度
mg/L(CaCO3）
210。2
190。2
180.2
总碱度
mg/L(CaCO3)
210.17
190.15
255。20
酚酞碱度
mg/L(CaCO3）
0
0
20.20
甲基橙碱度
mg/L(CaCO3）
210.17
190。15
235。19
PH

7。86
7.85
8。14
游离二氧化碳
mg/L
35。20
25.08
28.50
全硅
mg/L
19.08
17。80
17.82
COD
mg/L
2.01
0
0
第五节 化学系统名词解释
1、原 水
原水是指未经任何处理的天然水（如江河、湖、地下水等），也称为生水，它是热力发电厂中各种用水的来源。
2、锅炉补给水
原水经过各种方法净化处理后，用来补充热力发电厂汽水循环系统汽水损失的水，称为锅炉补给水。锅炉补给水按其净化处理方法的不同,又可分为软化水、蒸馏水和除盐水等.
3、凝结水
在汽轮机中做功后的蒸汽经凝汽器冷凝成的水，称为凝结水。
4、疏 水
各种蒸汽管道和用汽设备中的蒸汽冷凝水，称为疏水.它经疏水器汇集到疏水箱或并入凝结水系统中。
5、返回水
热电厂向热用户供热后,回收的蒸汽冷凝水，称为返回水.返回水又有热网加热器冷凝水和生产返回冷凝水之分。
6、给 水
送进锅炉的水称为给水.凝汽式发电厂的给水，主要由凝结水、补给水和各种疏水组成.热电厂的给水组成中，还包括返回水。
7、锅炉水
在锅炉本体的蒸发系统中循环流动着的水，称为锅炉水，习惯上简称炉水。
8、冷却水
用作冷却介质的水称为冷却水。在电厂中，它主要是指通过凝汽器用以冷却汽轮机排汽的水。
9、内冷水
对于水—氢-氢式发电机，内冷水指冷却发电机定子绕组的水。
10、溶解固形物
溶解固形物是指水中除溶解气体之外各种溶解物的总量。它除了包括全部阴、阳离子外，还应加上非离子态的二氧化硅、铁铝氧化物和有机物的的含量。
11、含盐量
含盐量表示水中溶解盐类的总和,它可通过水质全分析后将阴、阳离子全部相加而得.含盐量有两种表示方法：其一是摩尔表示法，即将水中各种阳离子（或各种阴离子）均按带一个电荷的离子为一个基本单元，计算其含量（mmol/L），然后将它们全部相加；其二是重量表示法，即将水中各种阴阳离子的含量换算成mg/L，然后全部相加。
12、碱度
水的碱度是指水中含有能接受氢离子物质的量。天然水中碱度主要由重碳酸根所组成.
酸度 水的酸度是指水中含有能接受氢氧根离子的物质的量.可能形成酸度的物质有强酸，强酸弱碱盐、酸式盐和弱酸。
13、硬度
硬度是指天然水中多价阳离子的总浓度，对天然水来说主要是钙、镁离子,故水的硬度也就表示水中钙、镁离子之和。硬度可分为以下两种：1．碳酸盐硬度 碳酸盐硬度是指水中钙、镁的碳酸氢盐、碳酸盐之和。但由于天然水中碳酸根的含量非常少，所以一般将碳酸盐硬度看作钙、镁的碳酸氢盐。碳酸盐硬度又被称作暂时硬度，这是由于水长时间煮沸后，水中重碳酸钙和重碳酸镁会分解产生碳酸钙和氢氧化镁沉淀，使碳酸盐硬度消失,所以被称作暂时硬度。2．非碳酸盐硬度 水的总硬度和碳酸盐硬度之差是非碳酸盐硬度，它们是钙、镁的氯化物和硫酸盐等.它在水沸腾时不能被除去，所以又被称为永久硬度，其值近似等于非碳酸盐硬度。
14、电导率
在一定温度下，截面积为1平方厘米，相距为1厘米的两平行电极之间溶液的电导。衡量水中含盐量最简便和迅速的方法是测定水的电导率，因为组成天然水含盐量的主要物质为离子，而离子具有导电性。电导率的单位是S/m（S称为西，表示西门子)或us/cm。一般水质的电导率较小，电导率的常用单位是us/cm。实际测量中常用电导率表来测定。
15、生物需氧量（BOD）
生物需氧量表示用微生物氧化水中有机物所消耗的氧量。在氧化的第一阶段中，主要是有机物转化成二氧化碳、水和氨；第二阶段主要是氨转化成硝酸根和亚硝酸根。测定方法一般分为两种:BOD5和BOD21.目前常以20℃和黑暗条件下用微生物氧化有机物5天所需的氧量进行测定，以BOD5来表示.
16、离子交换树脂
离子交换树脂是本身带有活性基团的有机合成物质，由于其外形与松树分泌的树脂相象而得名.树脂在水中其本身带有的活性基团中的离子与水中同符号的离子进行交换，如H型强酸性离子交换树脂遇到含有Ca2+的水时，就会发生如下交换反应：
2RH + Ca2+ Û R2Ca + 2H+
交换的结果，水中Ca2+被吸附在树脂上,树脂原有的H+进入水中，水中Ca2+被除去。
17、浓缩倍率
循环水中盐类的浓度与补充水中盐类浓度之比称为循环水的浓缩倍率。此盐类浓度若以含盐量表示，则因在浓缩过程中可能有盐类析出,不能代表实际的浓缩情况，所以通常是按不易沉淀的Cl–（或用SiO2作为标准）浓度估算浓缩倍率:
式中： j—-循环水中盐类的浓缩倍率；
—-分别为循环水和补充水中的Cl–浓度。
18、极限碳酸盐硬度
如果将循环水的补充水，在其工作温度下进行蒸发，则通常可以发现在其浓缩的初期水中碳酸盐硬度随着升高，但当达到某一极限值时，它便不再升高，而是停留在某一数值上。这个值称为此循环水在此温度下的极限碳酸盐硬度,其所以有一个极限是因为在此后的浓缩过程中有CaCO3沉淀物析出，水中碳酸盐硬度不再随着升高的关系。
19、溶液
一种物质分散在另一种物质之中的体系称做分散体系,均一的分散体系叫做溶液。溶液中被分散的物质叫做溶质，用以分散溶质的物质叫做溶剂，发生这种均匀分散的现象叫做溶解.水能溶解很多种物质，是最常用的溶剂，通常所说的溶液是指水溶液。除此之外，酒精、汽油等也可做溶剂。当两种溶液互相溶解而形成溶液时，一般情况下量多的一种叫溶剂，量少的叫溶质。还有一种体系是，被分散后的物质微粒是由较多的分子或离子所组成，由于它们的颗粒较小，肉眼观察不到，外观也表现为均一的透明状态,但在光线照射下,却能看见由这些颗粒所散射的光束，这种体系为胶体溶液。
如果分散体系在水中的颗粒很大，甚至用肉眼都能观察出来的，从外观看它就是不均匀的，而且经过静置后，大部分分散物质会沉降下来,这种体系称之为悬浊液。
20、浓度
在水处理工作中,常常需要知道某溶液中含有溶质的量，或者要配制某种浓度的溶液。这些都涉及到溶质和溶剂的数量关系.所谓浓度就是指在一定量的溶剂或溶液里所含溶质的量。表示浓度的方法很多，如:
（1）质量分数
用溶质的质量占全部溶液的质量百分比来表示。
在实际应用中，为了方便，有时将100毫升溶液中含有溶质的克数来表示百分浓度，这是重量比体积的百分浓度可写为A%（质量/体积).
（2）物质的量浓度
在1升溶液中所含溶质的物质的量。其单位常以M表示.
（3）用单位体积或单位质量溶液中含有溶质质量表示的浓度。
在工业上有时用1升溶液中含有溶质的克数表示溶液的浓度（相应的单位为克/升、毫克/升、微克/升）。对于以水为溶剂的稀溶液每升的质量近似的等于1千克,所以，上述浓度单位和克/千克、毫克/千克、微克/千克可看作是相等的.
ppm是指在一百万份质量的溶液中所含溶质质量的份数,它和毫克/千克的表示方法相同；ppb是表示在十亿份质量溶液中所含溶液的质量份数，它可看成是微克/千克。
21、电离
（1）电解质：在水溶液中或在加热熔融状态下能导电的物质。
（2）电离：电解质溶于水后，在水分子作用下,解离为带正电的和带负电的离子,它们能在水中自由移动，这种过程叫做电离。
（3）电离平衡：电解质可分为强电解质和弱电解质。强电解质在溶液中几乎能完全电离成离子；而弱电解质在溶液中只有部分电离,并且有可逆的过程.弱电解质这种电离的正向速度等于其逆向速度的状态称为电离平衡.
（4）水的pH 值：水是一种极弱的电解质，它只能微弱地电离为H+和OH- ,水的离子积为KSH = [H+］［OH—] ,PH=—lg [H+] 25℃时，水的离子积KSH = [H+］［OH—］=10-14 ， ［H+］=［OH-]=10—7 。
22、酸
能在水中电离释放出的阳离子只有氢离子的物质。
23、碱
能在水中电离释放出的阴离子只有氢氧根离子的物质。
24、盐
金属离子和酸根离子组成的化合物，并把含有H+的称为酸式盐，含有OH—的称为碱式盐,其余的称为正盐，含有两种金属离子的叫复盐。
25、催化剂
能改变化学反应速度而本身反应前后的组成和质量均保持不变的物质。
26、离子反应方程式
用参加反应的离子表示化学反应的方程式。
27、热化学反应方程式
表明化学反应与热效应关系的方程式。
28、烃
只含有碳和氢元素的化合物叫碳氢化合物，简称烃。
29、官能团
有机物中比较活泼而能发生反应的原子或基团，并决定了有机物的主要性质.
30、杂环化合物
具有环状结构,且构成环的原子除碳原子外还包括有其他原子的化合物。
31、指示剂
滴定分析中，通过改变颜色指示化学计量点的试剂.
32、滴定终点
在滴定分析中，指示剂变色点称为滴定终点。
33、标准溶液
在分析中，已知准确浓度的溶液.
34、掩蔽剂
一种能与干扰离子起作用，而不影响试验结果的试剂。
35、有效数字
在分析中实际能测得到并包括一位可疑数的数字.
36、温标
是用数值表示温度,它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位,通常使用摄氏温标、华氏温标、热力学温标(K）。
37、准确度
分析结果与真实值接近的程度。
38、精密度
指在相同的条件下多次测定结果之间相互接近的程度。
39、系统误差
由分析过程中某些固定因素造成的误差。
40、偶然误差
由于外界某些偶然因素引起的误差.
41、电位
在电场中取任意点B为参考点，单位正电荷在电场作用力下从场中A点移到参考点B点时,电场力所做的功称为A点电位.
42、氧化还原电位
以标准氢电极为参比零电位,所测处各种物质氧化还原对的电位。规定[氧化态]=［还原态］=1M时,于25℃时测得的电位称为标准氧化还原电位。
43、化学反应速度
用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加表示.
44、元素
具有相同荷电荷数（即质子数)的一类原子的总称.
45、水泵的扬程
单位质量的液体通过水泵所获得的能量。
46、反洗强度
在单位面积上、单位时间内流过的反洗水量。
47、锅炉的排污率
锅炉的排污水量占锅炉蒸发量的百分率。
48、亨利定律
在一定温度下，气体的溶解度与该气体在汽水分界面的分压成正比.
49、再生比耗
恢复树脂一定交换能力,实际耗用再生剂量与所需理论再生剂量之比.
50、溶解携带
饱和蒸汽因溶解而携带水中某些杂质的现象。
51、机械携带
蒸汽因携带炉水水滴而带入杂质的现象。
52、参比电极
指在测量电池中已知电极电位的电极，而且在一定温度下，其电极电位为一定值。
53、滤层膨胀率
滤层膨胀后所增加的高度和膨胀前高度之比。
54、连续排污
指连续地从汽包中排放锅炉水的排污方式。
55、定期排污
指定期地从锅炉水循环系统的最低点（如水冷壁的下联箱处）排放部分锅炉水的排污方式.
56、化学需氧量（COD）
化学耗氧量表示利用化学氧化剂氧化有机物所需的氧量，此量常用符号COD表示.化学氧化剂一般用重铬酸钾或高锰酸钾.目前常用重铬酸钾作氧化剂（CODcr）,它可将大部分有机物氧化，从而表示出有机物全部氧化所需的氧量,从而可大致表示水中的有机物的含量.
第二章 水的概述
第一节 生物圈与水循环
一、生物圈
生物圈是指地球上有生命的部分,即地球上所有的生物（包括人类）及其生存环境的总体。它是地球上最大的生态系统，其划分的范围在海平面以上9Km到海平面以下10km,它包括了上千万种物种。在这个范围内有正常的生命活动，有能量的流动和物质的循环，有构
成生态系统的生产者、消费者、分解者和无生命物质四个组成部分。
二、水循环
地球是一个水量极其丰富的天体，这是它与其他星球不同之处,迄今为止天文学家还未发现有水的其他星球。海洋和陆地上的液态水和固态水构成了一个连续的圈层，覆盖着3／4以上的地球表面，称为水圈（hydrosphere)，它包括江河湖海中一切淡水和咸水、土壤水、浅层与深层地下水以及两极冰帽和高山冰川的冰，还包括大气中的水滴和水蒸气。表1．1列出地球上各种水的分布和停留时间.
表1．1 水的分布和停留时间
分 布
面 积
（106Km）
水量（103Km3）
占总量
的（%）
平均停留时间
江河
——
1~2
0．0001
12~20天
大气圈（云和水汽）
516
13
0．001
9～12天
土壤水（潜水面以上）
130
67
0．005
15～30天
盐湖与内陆海
0．5
104
0．007
10~102年
淡水湖
0．85
125
0．009
10～102年
地下水
130
8300
0．59
102~103年
冰川与冰帽
28．2
29200
2．07
104年
海洋
361
1370000
97．31
103～104年
总计
516
1407810

由表1.1中的数据可知、，地球上水的总量达1.4х109 Km3，占地球质量地0．02％,但能供人类利用的水不多，因为水圈中海水占97·3％，难以直接利用，淡水只占2。7%。这些淡水的99%难以直接被人类利用.因为两极冰冒和冰川的淡水储存量占86％;潜层地下水储量占淡水的12%，必须凿井方能提取；最容易被人类直接利用的江、河、湖、沼水，还不到总淡水量的1％.
第二节 水 的 特 性
一、水分子的结构
水的基本化学式为H2O,它不仅是地球上分布最广、贮量最多的物质,也是一切生命体的基本成分，如人体的含水量60％一 70％。
在水分子的结构中,O－H的键长为0．096nrn，H－H键长为0．154nrn，HO－O－H的夹键角为104．4,两个氢原子核排列成以氧原子核为顶的等腰三角形。从而使氧的一端带负电荷，氢的一端带正电荷,因此水分子是一个极性很强的分子，即氧的一端为负极，氢的一端为正极.由于水分子在正极一方有两个裸露的氢核，在负极一方有氧的两对孤对电子，这样就使每一个水分子都可以把自己的两个氢核交出与其他两个水分子共有，而同时氧的两对孤对电子又可以接受第三个、第四个氢核,使这五个水分子之间形成四个氢键,其中每一个外围分子又再与另外的分子继续生成氢键。这种现象称为水分子的缔合现象,如图1－2所示，所以水是单个分子H2O和(H2O)n的混合物，（H2O）n称为水分子的集聚体或聚合物.
二、水的特性
由于水分子的上述结构特点，呈现出以下几种特性。
（1）水的状态 ：水在常温下有三态。水的融点为o℃，沸点100℃,在自然环境中可以固体存在，也可以液体存在,并有相当部分变为水蒸气。图1－3是水的物态图（或称三相图），图中表明了冰一水一汽、冰一汽、水一汽和冰一水共存的温度、压力条件。火力发电厂的生产工艺就是利用水的这种三态变化来转换能量的。
（2）水的密度： 水的密度与温度关系和一般物质有些不同.一般物质的密度均随温度上升而减小,而水的密度是3．98℃时最大，为1.这通常由水分子之间的缔合现象来解释,即在3．98℃时，水分子缔合后的聚合物结构最密实，高于或低于3．98℃时,水的聚合物结构比较疏松。
（3）水的比热容 几乎在所有的液体和固体物质中，水的比热容最大，同时有很大的蒸发热和溶解热.这是因为水加热时，热量不仅消耗于水温升高，还消耗于水分子聚合物的解离。所以，在火力发电厂和其他工业中，常以水作为传送热量的介质,表1-2列出水在定压（0．1MPa)下的比热容。
(4）水的溶解能力 水有很大的介电常数,溶解能力极强，是一种很好的溶剂，溶解于水中的物质可以进行许多化学反应，而且能与许多金属的氧化物、非金属的氧化物及活泼金属产生化合作用.
（5）水的表面张力 在水体内部，由于每个水分子受其四方相邻水分子的引力，所以每个水分子受力是平衡的。但靠近表面的水分子则受力不平衡,水体内部对它的引力大，外部空气对它的引力小，从而使水体表面分子受到一种向内的拉力，称为表面张力。水有最大的表面张力，达到 72．75 X 105N／cm，表现出异常的毛细、润湿、吸附等特性。
（6）水的粘度 表示水体运动过程中所发生的内摩擦力，其大小与内能损失有关。纯水的粘度取决于温度，与压力几乎无关.
(7)水的电导 因为水是一种很弱的两性电解质,能电离出少量的H离子和OH离子,所以即使是理想的纯水也有一定的导电能力，这种导电能力常用电导率来表示；
电导率是电阻率的倒数。电阻率是对断面为1cm X 1cm、长1cm体积的水所测得的电阻，单位是欧姆·厘米（Q·cm)，电导率的单位是西门子/厘米(S/cm或uS/cm)。25℃纯水的电导率是0.055uS/cm。
(8）水的沸点与蒸汽压 水的沸点与蒸汽压力有关.如将水放在一个密闭容器中，水面上就有一部分动能较大的水分子能克服其他水分子的引力，逸出水面进人容器上部空间成为蒸汽，这一过程称为蒸发。进入容器空间的水分子不断运动；其中一部分水蒸气分子碰到水面,被水体中的水分子所吸引，又返回到水中，这一过程称为凝结。当水的蒸发速度与水蒸气的凝结速度相等时,水面上的水分子数量不再改变,即达到动态平衡。在温度一定的情况下，达到动态平衡时的蒸汽称为该温度下的饱和蒸汽，这时的蒸汽压力称为饱和蒸汽压，简称蒸汽压。
当水的温度升高到一定值，其蒸汽压力等于外界压力时，水就开始沸腾，这时的温度称为该压力下的沸点。（22MP时水的沸点为374℃）
当气体高于某一温度时，不管加多大压力都不能将气体液化,这一温度称为气体的临界温度。在临界温度下，使气体液化的压力称为临界压力。水的临界温度为374℃，临界压力为22MPa。
（9）水的化学性质 水能与金属和非金属作用放出氢
Na+2H2O →NaOH+H2↑
Mg+2H2O→Mg （OH） 2+ H2↑
3Fe＋4 H2O→Fe3O4+4 H2↑
C＋H2O→ C O+ H2↑
水还能与许多金属和非金属的氧化物反应，生成碱和酸。
CaO＋H2O→Ca（OH) 2
SO3+ H2O→H2SO4
第三节 天部水体的物质组成
一、天然水体的物质组成
天然水体是海洋、河流、湖泊、沼泽、水库、冰川、地下水等地表与地下贮水体的总称。它包括水和水中各种物质、水生生物及底质。从自然地理的角度看，水体是指地表水覆盖的自然综合体。
天然水体分为海洋水体和陆地水体，陆地水体又可分为地表水体和地下水体。这些天然水体在自然循环运动中，无时不与大气、土壤、岩石、各种矿物质、动植物等接触。由于水是一种很强的溶剂，极易与各种物质混杂,所以天然水体是在一定的自然条件下形成的，是含有许多溶解性的和非溶解性的物质、组成成分又非常复杂的一种综合体。化学概念上那种理想的纯水在自然界中是不存在的。
天然水中混杂的物质，有的呈固态，有的呈液态或气态，它们大多以分子态、离子态或胶体颗粒存在于水中。它们几乎包含了地壳中的大部分元素。
天然水体的物质组成不仅与它的形成环境有关,也与和水相接触的物质组成及物理化学作用所进行的条件有关。其中，包括溶解一沉淀、氧化一还原、水相一气相间离子平衡、固一液两相之间离子交换、有机物的矿质化、生物化学作用等，从而使天然水体的物质组成相差非常悬殊.
影响天然水体物质组成的直接因素主要有岩石、土壤和生物有机体，这些因素可使水增加或减少某些离子和分子,例如:流经石灰岩地区的天然水中富含 Ca2+"和 HCO— 当水透过土壤时溶解氧的含量减少，而CO的含量增多；生物排泄物和残体增加了水中的某些组分含量，生物呼吸作用影响着水中气体的含量.间接因素主要有气候和水文特征，气候是一切水化学作用进行的背景，同时对地表水和地下水化学组成起着总控制作用；天然水体的水文特征使水的组成有很大差异，例如：河水流速快、与河床接触时间短，，河水中离子含量一般较低；地下水既缓慢,与周围岩石接触时间长、永中溶解物的含量比地跳高，但气体组成相对减少;而湖水的化学组成比河水与地下水更为复杂.
天然水体的水质就是由所含物质的数量和组成所决定的,因为这些物质从锅炉用水的角度上看都是有害的，所以称这些物质为杂质。
二、天然水中物质的特征与来源
从水的净化和处理的需要，假定水中的物质均呈球形，并按其直径大小分成悬浮物、胶体和溶解物质三大类。但是水中的各种物质并非全部为球形，各种物质的尺寸界限也不能截然分开，特别是悬浮物和胶体之间的尺寸界限,常因形状和密度的不同而有所变化.
（一）悬浮物
悬浮物是指颗粒直径为100um～1um以上的物质微粒.按其微粒大小和对密度的不同，可分为漂浮的、悬浮的和可沉降的。如一些植物及腐烂体的相对密度小于1,一般漂浮于水面，称为漂浮物；一些动植物的微小碎片、纤维或死亡后的腐烂产物的相对密度近似等于1，一般悬浮于水中,称为悬浮物；一些粘土、砂粒之类的相对密度大于l,当水静止时沉于水底,称为可沉物.因此，悬浮物在水中很不稳定，分布也很不均匀，是一种比较容易除去的物质。
（二）胶体
胶体是指颗粒直径大约为1～100之间的微粒，主要是铁、铝、硅的化合物以及动植物有机体的分解产物、蛋白质、脂肪、腐殖质等，它们往往是许多分子或离子的集合体.由于这种颗粒比表面积大,有明显的表面活性，表面上常常带有某些正电荷或负电荷离子，而呈现出带电性。天然水体中的粘土颗粒，一般都带负电荷,而一些金属离子的氢氧化物则带正电荷。因带相同电荷的胶体颗粒互相排斥，不能聚集，所以胶体颗粒在水中是比较稳定的，分布也比较均匀，难以用自然沉降的方法除去。
天然水体中的悬浮物和胶体颗粒，由于对光线有散射效应，是造成水体浑浊的主要原因，所以它们是各种用水处理首先清除的对象。
（三)溶解物质
溶解物质是指颗粒直径小于1nm的微粒，它们往往以离子、分子或气体的状态存在于水中，成为均匀的分散体系，称为真溶液。这类物质不能用混凝、沉降、过滤的方法除去，必须用蒸馏、膜分离或离子交换的方法才能除去。
1．呈离子状态的物质
天然水体中含有的主要离子有氯离子、硫酸根、碳酸氢根、碳酸根、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子等八种离子，它们几乎占水中溶解固体总量95％以上。另外，水中还有一定的生物生成物、微量元素及有机物。生物生成物主要是一些氮的化合物，磷的化合物,铁的化合物和硅的化合物。
下面着重介绍天然水中主要离子的来源。
（1）钙离子（Ca2+） 钙离子是大多数天然淡水的主要阳离子，是火成岩（链状硅酸盐一辉石、钙长石）、变质岩和沉积岩（方解石、文石、石膏等）的基本组分.当水与这些矿物接触时，这些矿物会缓慢溶解，使水中含有钙离子，如
CaAL2Si2O8+H2O+2H+=AL2SiO（OH)4+Ca2+
CaCO3+CO2+ H2O=Ca+2HCO3-
CaSO42 H2O= Ca2+2 H2O+ SO42—
CaCO3Mg+2 CO2+2 H2O= Ca2++ Mg+ 4HCO3—
以上说明，当天然水溶解方解石和白云石时，水中 Ca、Mg的含量随大气中CO2含量的增加而增加。在土壤或岩层中，由于植物根系的呼吸作用或微生物对死亡植物体的分解作用，使你的分压比地面大气中队的分压高10~100倍，所以地下水中Ca2+的浓度一般比地表水高。
当天然水中含有较多的H+时，可使CaCO3、CaSO42 H2O、CaSO4同时溶解,使水中Ca2+浓度大大超过HCO3-的浓度。
水中Ca2+不仅能与有机阴离子形成络合物,而且能与HCO3—生成CaHCO3+ .水中的SO42—含量超过1000mg/L时，可有50%以上的Ca2+与SO42-生成CaSO4离子对。在碱性条件下、OH-、CO3—、PO43—也可与Ca2+生成离子对CaOH+、CaCO3、Ca PO4-，在一般天然水体中没有这种情况。
不同的天然水中钙离子的含量相差很大．一般在潮湿地区的河水中吹、的含量比其他任何阳离子都高（在20 mg/L左右)。在干旱地区的河水中，水中Ca2+含量较高。在封闭式的湖泊中由于蒸发浓缩作用，可能会出现CaCO3沉淀或CaSO4沉淀,从而使水的类型由碳酸盐型演变为硫酸盐型或氯化物型。
（2）镁离子 镁离子几乎存在于所有的天然水中，是火成岩镁矿物（橄榄石、辉石、黑云母)和次生矿（绿泥石、蒙鹏.蛇纹石）及沉积岩（菱镁石、水镁石)的典型组分.当水遇到这些矿物时，镁离子进人水中。
由于镁离子的离子半径比Ca2+、Na+都小，所以有较强的电荷密度，对水分子有较大的吸引力。在水溶液中，每一个Mg2+周围有6个水分子，形成一层较厚的水膜，水化后Mg2+表示为 Mg(H2O）62+。Mg2+可与SO42—、OH生成离子对硫酸镁、氢氧化镁，其中氢氧化镁称为羟基络合物.当水中SO42—、HCO3- 的含量大于1000mg/L时，Mg2+与SO42-、HCO3—形成络合物.
因为菱镁石(MgCO3）的溶解度比方解石（CaCO3）约大两倍，而水化菱镁石（MgCO3.3 H2O， MgCO3。5H2O）的溶解度又明显地大于菱镁石，所以在与白云石接触的天然水中Ca2+、Mg2+的含量几乎相等,但在过饱和的水溶液中，