水之常识

1.1 水资源

1.1.1 水资源分布概况

水是自然界分布最广的一种资源。它以气、液、固三种状态存在。自然界的水，主要指海洋、河流、湖泊、地下水、冰川、积雪、土壤水和大气水分等水体，其总量共约1.4x10¹⁹m³，将其平铺在地球表面上，水层厚度可达到约3000米深。但是绝大部分是咸的海水，加上内陆地表咸水湖、地下咸水，共约占总水量的98%。而冰川、积雪约占总水量的1.7%，目前尚难以利用和开发。实际上可供开发利用的淡水只占总水量的0.3%，约为4x10¹⁶M³。因此，淡水是有限的宝贵资源。

我国河流、湖泊众多，水量丰沛，根据一些特征，基本上可分为四个区：潮湿区、湿润区、过渡区和干旱区。这是由气候、地形、土壤、地质等各种条件决定的，它们的降水和径流量、混浊度、含盐量及化学组成等各有特点，

1.1.2 各行业用水的各种水源及特点

水是各行业生产中最重要的原料之一，没有合格的水源，任何行业都不能维持下去。作为各行业用水的水源主要来自地表的江河水、湖泊和水库水、地下水(井水)、海水以及自来水。

1.1.2.1 江河水

河流是降水经地面径流汇集而成的，流域面积十分广阔，又是敞开流动的水体，其水质受地区、气候以及生物活动和人类活动的影响而有较大的变化。

河水广泛接触岩石土壤，不同地区的矿物组成决定着河水的基本化学成分，此外，河流水总混有泥沙等悬浮物而呈现一定混浊度，可以从几十mg/L到数百mg/L。夏季河水上涨混浊度还要高，冬季又可降到很低。水的温度则与季节、气候直接有关。

1.1.2.2 湖泊和水库水

湖泊是由河流及地下水补给而成的，它的水质与补给水水质、气候、地质及生物等条件有密切关系，同时流入和排出的水量、日照和蒸发强度等也在很大程度上影响湖水的水质。如果流入和排出的河流水量都较大，湖水蒸发量较小，则湖水含盐量较低，形成淡水湖，其含盐量一般在300mg/L以下。通常淡水湖泊在湿润地区形成。

水库实际上是一种人造湖，其水质也与流入的河水水质和地质特点有关，但最终会形成与湖泊相似的稳定状态。

通常取淡水湖和低度咸水湖作水源，其水质离子组成与内陆淡水河流相似，多数是[Ca²⁺]>[Na⁺]，[HCO₃^-]>[SO₄^2-]>[Cl^-]的类型；少数的[Na⁺]>[Ca²⁺]，个别的有[Cl^-]>[HCO₃^-]的情况。

1.1.2.3 地下水

地下水是由降水经过土壤底层的渗流而形成的。地下水按其深度可以分为表层水、层间水和深层水。通常作水源使用的地下水均属层间水，即中层地下水。这种水受外界影响小，水质组成稳定，水温变化很小，水质透明清澈，有机物和细菌的含量较少，但含盐量较高，硬度较大。随着地下水深度的增加，其主要离子组成从低矿化度的淡水型转化为高矿化度的咸水类型，即从[Ca²⁺]>[Na⁺]、[HCO₃^-]>[SO₄^2-]>[Cl^-]转化为[Na⁺]>[Ca²⁺]、[Cl^-]>[SO₄^2-]>[HCO₃^-]。

由于地下水与大气接触不畅通，水中溶解氧很少，有时由于生物氧化作用还产生H₂S和CO₂。H₂S使水质具有还原性。

1.2 水的水质指标及用水水质要求

1.2.1 表示水质的各种指标

1.2.1.1 水的电阻值

在测定水的导电性能时，与水的电阻值大小有关，电阻值大，导电性能差，电阻值小，导电性能就良好。根据欧姆定律，在水温一定的情况下，水的电阻值R大小与电极的垂直截面积F成反比，与电极之间的距离L成正比。

水的电阻率的大小，与水中含盐量的多少，水中离子浓度、离子的电荷数以及离子的运动速度有关。因此，纯净的水电阻率很大，超纯水电阻率就更大。水越纯，电阻率越大。

1.2.1.2 水的电导率

由于水中含有各种溶解盐类，并以离子的形态存在，当水中插入一对电极时，通电之后，在电场的作用下，带电的离子就产生一定方向的移动，水中的阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，使水溶液起导电作用。水的导电能力的强弱程度，就称为电导度S（或称电导）。电导度反映了水中含盐量的多少，是水的纯净程度的一个重要指标。水越纯净，含盐量越少，电阻越大，电导度越小。超纯水几乎不能导电。电导的大小等于电阻值的倒数。即S=1/R，S=(1/ρ)·(F/L)。1/ρ就称为电导率，其国际制单位为西·米^-1(S·m^-1)

1.2.1.3 水的硬度

水中有些金属阳离子，同一些阴离子结合在一起，在水被加热的过程中，由于蒸发浓缩，容易形成水垢，随着在受热面上而影响热传导，我们把水中这些金属离子的总浓度称为水的硬度。如在天然水中最常见的金属离子是钙离子(Ca²⁺)和镁离子(Mg²⁺)，它与水中的阴离子如碳酸根离子(Co₃^2-)、碳酸氢根离子(HCO₃^-)、硫酸根离子(SO₄^2-)、氯离子(Cl^-)、以及硝酸根离子(NO₃^-)等结合在一起，形成钙镁的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯化物、以及硝酸盐等硬度，水中的铁、锰、锌等金属离子也会形成硬度，但由于它们在天然水中的含量很少，可以略去不计。因此，通常就把Ca²⁺、Mg²⁺的总浓度看作水的硬度。

水的硬度对锅炉用水的影响很大，因此，应根据各种不同参数锅炉对水质的要求对水进行软化或除盐处理。

硬度的单位常用的有mmol/L或mg/L。过去常用的当量浓度N已停用。换算时，1N=0.5mol/L

由于硬度并非是由单一的金属离子或盐类形成的，因此，为了有一个统一的比较标准，有必要换算为另一种盐类。通常用Ca0或者是CaCO₃的质量浓度来表示。当硬度为0.5mmol/L时，等于28mg/L的CaO，或等于50mg/L的CaCO₃。此外，各国也有的用德国度、法国度来表示硬度。1德国度等于10mg/L的CaO，1法国度等于10mg/L的CaCO3。0.5mmol/L相当于208德国度、5.0法国度。

1.2.1.4 水的pH值

水的pH值是表示水中氢离子浓度的负对数，表示为：pH=-lg[H⁺]

pH值有时也称为氢离子指数。由水中氢离子的浓度可以知道水溶液是呈碱性、中性或是酸性。由于氢离子浓度的数值往往很小，在应用上很不方便，所以就用pH值，这一概念来作为水溶液酸、碱性的判断指标。而且，氢离子浓度的负对数值就恰能表现出酸性、碱性的变化幅度的数量及的大小，这样应用起来就十分方便。并因此得到：

   (1)中性水溶液，pH=-lg[H⁺]=-lg10^-7=7；

   (2)酸性水溶液，pH<7，pH值越小，表示酸性越强；

   (3)碱性水溶液，pH>7，pH值越大，表示酸性越强；

   如果按pH值(酸、碱性)将水质进一步详细分类，可以得到：

   (1)强酸性水溶液，pH<5.0；

   (2)强酸性水溶液，pH=5.0-6.4；

   (3)中性水溶液，pH=6.5-8.0；

   (4)弱碱性水溶液，pH=8.1-10.1；

   (5)强碱性水溶液，pH>10.0；

1.2.1.5 水中的悬浮物质

水中的悬浮物质是微粒直径约在10-4mm以上的微粒，肉眼可见。这些微粒主要是由泥沙、粘土、原生动物、藻类、细菌、病毒以及高分子有机物等组成，常常悬浮在水流之中，产生水的混浊现象。这些微粒很不稳定，可以通过沉淀和过滤而除去。水在静置的时候，重的微粒(主要是沙子和粘土一类的无机物质)会沉下来。轻的微粒(主要是动植物和其残骸的一类的有机化合物)会浮于水面上，用过滤等分离的方法可以去除。悬浮物是造成混浊度、色度、气味的主要来源。它们在水中的含量也不稳定，往往随着季节、地区的不同而不同。

1.2.1.4 水的pH值

水的pH值是表示水中氢离子浓度的负对数，表示为：pH=-lg[H⁺]

pH值有时也称为氢离子指数。由水中氢离子的浓度可以知道水溶液是呈碱性、中性或是酸性。由于氢离子浓度的数值往往很小，在应用上很不方便，所以就用pH值，这一概念来作为水溶液酸、碱性的判断指标。而且，氢离子浓度的负对数值就恰能表现出酸性、碱性的变化幅度的数量及的大小，这样应用起来就十分方便。并因此得到：

   (1)中性水溶液，pH=-lg[H⁺]=-lg10^-7=7；

   (2)酸性水溶液，pH<7，pH值越小，表示酸性越强；

   (3)碱性水溶液，pH>7，pH值越大，表示酸性越强；

   如果按pH值(酸、碱性)将水质进一步详细分类，可以得到：

   (1)强酸性水溶液，pH<5.0；

   (2)强酸性水溶液，pH=5.0-6.4；

   (3)中性水溶液，pH=6.5-8.0；

   (4)弱碱性水溶液，pH=8.1-10.1；

   (5)强碱性水溶液，pH>10.0；

1.2.1.5 水中的悬浮物质

水中的悬浮物质是微粒直径约在10-4mm以上的微粒，肉眼可见。这些微粒主要是由泥沙、粘土、原生动物、藻类、细菌、病毒以及高分子有机物等组成，常常悬浮在水流之中，产生水的混浊现象。这些微粒很不稳定，可以通过沉淀和过滤而除去。水在静置的时候，重的微粒(主要是沙子和粘土一类的无机物质)会沉下来。轻的微粒(主要是动植物和其残骸的一类的有机化合物)会浮于水面上，用过滤等分离的方法可以去除。悬浮物是造成混浊度、色度、气味的主要来源。它们在水中的含量也不稳定，往往随着季节、地区的不同而不同。

1.2.2 用水水质要求

1.2.2.1 软化水

软化水是指将水中硬度(主要指水中钙、镁离子)去除或降低一定程度的水。水在软化过程中，仅硬度降低，而总含盐量不变。

1.2.2.2 脱盐水

脱盐水是指水中盐类(主要是溶于水的强电解质)除去或降低到一定程度的水。其电导率一般为1.0-10.0µS/CM，电阻率(25℃)0.1- 1.0MΩ·CM，含盐量为1-5mg/L。

1.2.2.3 纯水

纯水是指水中的强电解质和弱电解质(如SiO₂、CO₂等)去除或降低到一定程度的水。其电导率一般为10.0-0.1µS/CM，电阻率(25℃)> 0.1-10.0MΩ·CM，含盐量<1mg/L。

1.2.2.4 超纯水

超纯水是指水中的导电介质几乎完全去除，同时不离解的气体、胶体以及有机物质(包括细菌等)也去除至很低程度的水。其导电率一般为0.1-0.055µS/CM,电阻率(25℃)> 10.0MΩ·CM，含盐量<0.1mg/L。理想纯水(理论上)电导率为0.055µS/CM，电阻率(25℃)为18.0MΩ·CM。

1.2.2.5 锅炉用水

锅炉用水是将水在一定的温度和压力下加热产生蒸汽，用蒸汽作为传热和动力的介质。一般工矿企业常采用低压或中压锅炉产生蒸汽做热源或动力用，这种锅炉对水质要求稍低；而发电厂或热电站常采用高压锅炉产生蒸汽以推动汽轮机来发电，为保证蒸汽对汽轮机无腐蚀和结垢沉积，这种锅炉对水质要求非常高。因此，锅炉用水的水质要求根据锅炉的工作压力和温度的不同而不同，不论何种锅炉用水，它对水的硬度都有较严格的限制。其它凡能导致锅炉、给水系统及其它热力设备腐蚀、结垢及引起汽水共腾现象，使离子交换树脂中毒的杂质如溶解氧、可溶性二氧化硅、铁以及余氯等都应大部或全部除去。

1.2.2.6 冷却水

作为冷却用水，虽然没有像工业用水、锅炉用水那样对各种指标都有严格的限制、但为了保证生产稳定，不损坏设备，能长周期运转，对冷却水水质的要求还是相当高的，下面分别述之：

(1)水温要尽可能低一些

在同样的设备条件下，水温越低，日产量图越高。冷却水温度越低，用水量也相应减少。

(2)水的混浊度要低

水中悬浮物带入冷却水系统，会因流速降低而沉积在换热设备和管道中，影响热交换，严重时会使管道堵塞。此外，混浊度过高还会加速金属设备的腐蚀。为此，在国外一些大型化肥、化纤、化工等生产系统中对冷却水的浑浊度要求不大于2mg/L。

(3)水质不易结垢

冷却水在使用过程中，要求在换热设备的传递表面上不易结成水垢，以免影响热效果，这对工厂安全生产是一个关键。生产实践说明，由于水质不好，易结水垢而影响工厂生产的例子是屡见不鲜的。

(4)水质对金属设备不易产生腐蚀

冷却水在使用中，要求对金属设备最好不产生腐蚀，如果腐蚀不可避免，则要求腐蚀性愈小愈好，以免传热设备因腐蚀太快而迅速减少有效传热面积或过早报废。

(5)水质不易滋生菌藻

冷却水在使用过程中，要求菌藻等微生物在水中不易滋生繁殖，这样可以避免或减少因菌藻繁殖而形成大量的污垢，过多的污垢会导致管道堵塞与腐蚀。