内容简介
《水化学(第2版)》参考了大量文献和国内外有关教材,结合作者的研究生教学和科研工作,在保持原书内容和风格的基础上,根据近年来水化学学科的发展充实了一些热门话题以及新的研究成果,同时,增加了一些当今比较重要和前沿的理论和应用研究内容。
《水化学(第2版)》以化学原理为主线,较全面地介绍了水化学的基本理论及其在实践中的应用方法与实例。全书包括绪论、化学动力学、化学平衡、酸碱化学、配位化学、氧化还原化学、相间作用七章。书中理论深入浅出,实例丰富生动。
《水化学(第2版)》适合作为环境科学与工程专业研究生和本科生的教材,也可供环境保护、水处理、给排水、海洋、水利、水产养殖等专业的科技人员和高校师生参考。
内页插图
目录
第1章 绪论 (Introduction)
1.1 水化学的意义 (The significance of water chemistry)
1.1.1 水的含义 (The meaning of water)
1.1.2 水化学的基本内容 (The basic content of water chemistry)
1.1.3 水化学的意义(The significance of water chemistry)
1.2 水的性质(The properties of water)
1.2.1 水的性质及其意义(The properties of water and their significances)
1.2.2 水的异常特性与水分子结构的关系(The relationship between unusual properties and the molecular structure of water)
1.3 天然水(Natural waters)
1.3.1 地球上水的分布(The distribution of water in the earth)
1.3.2 天然水的依数性(Colligative properties of natural water)
1.3.3 海水(Sea water)
1.3.4 雨雪水(Rain and snow water)
1.3.5 地表水和地下水(Surface water and ground water)
1.4 污水(Waste waters)
习题
第2章 化学动力学(Chemical Kinetics)
2.1 反应速率(Reaction rate)
2.2 反应机理(Reaction mechanism)
2.3 阿伦尼乌斯定理(Arrhenius law)
2.4 催化作用(Catalysis)
2.4.1 催化作用概述(Introduction of catalysis)
2.4.2 催化作用应用实例(Application examples of catalysis)
2.4.3 沸石(Zeolite)
2.5 经验速率方程(Empirical rate law)
2.5.1 有机物生物氧化降解反应的经验速率方程(The empirical rate equation for BOD)
2.5.2 细菌增殖的经验速率方程(The empirical rate equation for microbial growth)
习题
第3章 化学平衡(Chemical Equilibrium)
3.1 化学平衡的动力学本质(The dynamic nature of chemical equilibrium)
3.2 热力学基础(The thermodynamic basis)
3.2.1 利用吉布斯自由能判别反应方向(Determine reaction direction by Gibbs free energy)
3.2.2 范特霍夫公式(Vant Hoff equation)
3.3 水溶液中离子和分子的非理想行为(Nonideal behavior of ions and molecules in solution)
3.3.1 离子的非理想行为(Nonideal behavior of ions)
3.3.2 分子的非理想行为(Nonideal behavior of molecules)
3.4 化学平衡计算(Chemical equilibrium calculation)
习题
第4章 酸碱化学(Acid�睟ase Chemistry)
4.1 酸碱化学基础 (The basis of acid base chemistry)
4.2 平衡计算(Equilibrium calculation)
4.2.1 质子转移关系式(Proton condition)
4.2.2 酸碱平衡计算实例(Examples of acid�瞓ase equilibrium calculation)
4.3 pc~pH图和α~pH图(The pc~pH diagrams and α~pH diagrams)
4.3.1 一元酸�补查罴钐逑档膒c~pH图(The pc~pH diagrams of monoprotic acid conjugate base systems)
4.3.2 多元酸�补查罴钐逑档膒c~pH图(The pc~pH diagrams of polyprotic acid conjugate base systems)
4.3.3 α~pH图(α~pH diagrams)
4.4 pH缓冲溶液和缓冲强度(pH buffers and buffer intensity)
4.4.1 pH缓冲溶液(pH buffers)
4.4.2 缓冲强度(Buffer intensity)
4.5 碳酸盐系统(The carbonate system)
4.5.1 碳酸盐系统的平衡关系(Equilibria in the carbonate system)
4.5.2 碳酸盐物种浓度的计算(Calculation of carbonate species concentrations)
4.5.3 碱度和酸度(Alkalinity and acidity)
4.6 酸碱化学在水处理中的应用(Water treatment applications of acid�瞓ase chemistry)
4.7 全球碳循环(Global carbon cycle)
4.7.1 概述(Introduction)
4.7.2 大气CO2含量(COconcentration in the atmosphere)
4.7.3 陆地生态系统反馈(Feedback of terrestrial ecology)
4.7.4 海洋反馈(Oceanic feedback)
4.7.5 固碳对策与研究展望(Ways of carbon fixation and future carbon cycle study)
习题
第5章 配位化学(Coordination Chemistry)
5.1 配位化学基础(The basis of coordination chemistry)
5.1.1 基本术语(Basic terms)
5.1.2 配合物化学键理论(Chemical bond theory of complexes)
5.1.3 配合物的稳定性(Complex stability)
5.1.4 反应速率(Reaction rate)
5.2 平衡计算(Equilibrium calculation)
5.3 金属(Metals)
5.3.1 铜在水与废水中的行为(The behavior of copper in water and wastewater)
5.3.2 金属的形态分析(Species analysis of metals)
5.3.3 金属离子的水解——以H2O和OH-为配位体(Hydrolysis of metal ions——H2O and OH- as ligands)
5.3.4 无机高分子絮凝剂(Inorganic polymer flocculatants)
5.4 腐殖质(Humic substances)
5.4.1 腐殖质成分、性质与结构(Characteristics of humic substances)
5.4.2 腐殖质与金属离子的螯合(Chelation between humic substances and metals)
5.4.3 富里酸与胡敏酸的分离技术(Isolation of fulvic acid and humic acid)
习题
第6章 氧化还原化学(Oxidation and Reduction Chemistry)
6.1 氧化还原化学基础(The basis of oxidation and reduction chemistry)
6.1.1 氧化还原反应的化学计量关系(Redox stoichiometry)
6.1.2 氧化还原平衡(Redox equilibrium)
6.2 氧化还原平衡的图解表示(Graphical representation of redox equilibrium)1
6.2.1 pc~pε图(pc~pε diagrams)1
6.2.2 pε~pH图(pε~pH diagrams)1
6.2.3 有固体存在时的pε~pH图(The pε~pH diagram incorporating solids)
6.2.4 天然水的pε值,决定电位(The pε value of natural water,determining potential)
6.3 电化学腐蚀(Electrochemical corrosion)
6.3.1 腐蚀电池(Corrosion cell)
6.3.2 浓差电池(Concentration cell)
6.3.3 腐蚀的控制(Corrosion control)
6.4 铁化学(Iron chemistry)
6.4.1 天然水中铁的来源和存在状态(The sources and status of iron in natural water)
6.4.2 地下水中的铁(Iron in groundwaters)
6.4.3 酸性矿排水(Acid mine drainage)
6.5 氯化学(Chlorine chemistry)
6.5.1 概述(Introduction)
6.5.2 折点氯化(Breakpoint chlorination)
6.5.3 氯与有机物反应形成的有害副产物(The hazardous by�瞤roducts of chlorine reactions with organic substances)
6.6 氮化学(Nitrogen chemistry)
6.6.1 氮循环(The nitrogen cycle)
6.6.2 水中含氮物种的氧化还原转化(Redox transformation of nitrogen species in water)
6.6.3 氮的微生物转化(Microbial transformation of nitrogen)
6.7 高级氧化过程(Advanced oxidation processes,AOPs)
6.7.1 概述(Introduction)
6.7.2 臭氧高级氧化技术(Ozonation technology)
习题
第7章 相间作用(Phase Interactions)
7.1 表面张力与表面自由能(Surface tension and surface free energy)
7.2 气体在水中的溶解与挥发(Dissolution and volatilization of gases in water)
7.2.1 亨利定律(Henry slaw)
7.2.2 气体在水中的溶解速率(Dissolution rate of gases in water)
7.2.3 溶解氧(Dissolved oxygen)
7.3 固体的沉淀与溶解(Precipitation and dissolution of solids)
7.3.1 沉淀与溶解动力学(Precipitation and dissolution kinetics)
7.3.2 沉淀与溶解的平衡计算(Equilibrium calculation of precipitation and dissolution)
7.3.3 碳酸钙的溶解度与水质稳定性(Calcium carbonate solubility and water stability)
7.3.4 磷酸盐化学(Phosphate chemistry)
7.4 固体表面吸持 (Sorption of solids)
7.4.1 吸附作用(Adsorption)
7.4.2 分配作用(Partition)
7.4.3 生物富集(Bio�瞐ccumulation)
7.5 沉积物(Sediments)
7.5.1 沉积物的形成(Formation of sediments)
7.5.2 胶体微粒的聚沉(Aggregation of colloidal particles)
7.5.3 微生物絮凝剂(Microbial flocculatants)
7.5.4 絮凝动力学(Flocculation kinetics)
7.5.5 水体底泥中微量金属分析的分段提取技术及其应用(Sequential extraction technique for trace metals analyses in aquatic sediments and its application)
7.5.6 洪水对河流底泥有机污染物分布的影响(Impact of flood on distribution of orgnic pollutants in river sediment)
7.6 持久性有机污染物(Persistent organic pollutants, POPs)
7.6.1 持久性有机污染物的界面行为(Phase interactions of persistent organic pollutants)
7.6.2 水中有机污染物的分析方法(Analytical methods for organic pollutants in water)
7.7 膜化学(Film and membrane chemistry)
7.7.1 界面膜(Interfacial film)
7.7.2 膜分离(Membrane separation)
习题
附录
附录1 地表水环境质量标准
附录2 地下水质量标准
附录3 海水水质标准
附录4 生活饮用水卫生标准
附录5 景观娱乐用水质标准
附录6 农田灌溉水质标准
附录7 渔业水质标准
附录8 饮用天然矿泉水标准
附录9 污水综合排放标准
参考文献
精彩书摘
6.7.2.2 臭氧高级氧化法的分类(Classes of ozonation methods)
臭氧在水处理中受到普遍的关注是在发现氯消毒可能产生的三卤甲烷(THMs)对人体具有潜在的致命危害以后,臭氧的氧化能力比氯强,能杀菌又能迅速而广泛地氧化分解水中的大部分有机物。但同时该方法还存在着一些问题:一是臭氧的利用率不高,加上臭氧的发生成本高,导致臭氧处理的费用较高;二是臭氧与有机物的反应具有较强的选择性。实验表明在低剂量和短时间内臭氧不可能完全矿化有机物为二氧化碳和水,分解生成的中间产物会阻止臭氧的进一步氧化。因此,提高臭氧的利用率和氧化能力是研究的热点,臭氧的高级氧化法也就应运而生。
从提高臭氧利用率和氧化能力的不同角度出发可将臭氧的高级氧化法分为以下两类。
一是基于臭氧的高级氧化为主的过程,即将臭氧催化转化为氧化性更强而反应选择性低的羟基自由基,具体的手段包括臭氧的超声化、紫外辐射、与过氧化氢的联合作用等。
二是采用固体颗粒如二氧化钛、活性炭、金属氧化物为催化剂的高级氧化方法,该方法不需要外加氧化剂或能源。
对臭氧高级氧化研究较多的具体方法有以下几种:臭氧/过氧化氢、臭氧/紫外线、臭氧/双氧水/紫外线、臭氧/Ti02、臭氧/活性炭、臭氧/Mn(Ⅱ)等。6.7.2.3臭氧氧化的机理(The mechanism of ozonation) Hoigne等人对臭氧氧化的机理作了比较广泛的研究。他们认为,臭氧化反应存在两条途径,即臭氧与溶解物的直接反应,或臭氧分解产生羟基自由基而引发的链反应。臭氧的直接氧化反应速率低,选择性高。臭氧的自由基氧化反应速率快,选择性低,见图6-36。
继Hoigne之后,Glaze等人对臭氧的氧化作了深入的研究后提出了自由基反应的机理。见图6-37和图6-38。
对臭氧高级氧化的机理研究引起了科学工作者们的极大关注,尤其对有机污染物的去除效果和降解机理作了深入的研究。例如:欧洲和北美对地表水中的农药残留量进行了一系列的检测,发现农药莠去津(Atrazine)因具有较高的迁移率和难降解性而使其残留浓度往往高达ug·L-1叫级,Sylvie Nelieu等利用03/H202高级氧化技术对农药莠去津进行降解处理,利用GC-EIMS和LC-MS对降解过程中的中间产物进行了测定,并对降解过程中的影响因素进行了深入的研究,推得了莠去津的降解途径。
前言/序言
本书第一版出版至今已有8年,承蒙读者厚爱,该书被诸多高校列为教材、参考书或博士生入学考试参考书,也被许多科研论文列为参考文献。
在本书再版之际,编著者参考了大量文献和国内外有关教材,结合近年来的研究生教学和科研工作,在保持原书内容和风格的基础上,根据近年来水化学学科的发展充实了一些热门话题以及新的研究成果,例如:水体富营养化、温室效应和碳排放权交易等。同时,增加了一些当今比较重要和前沿的理论和应用研究内容,如:持久性有机污染物的界面行为、分配作用和生物富集、水中痕量有机物的检测及其生物有效性的分析方法等。
此外,增加了相关习题,并根据新的水质标准更新了五个附录。
感谢徐冬梅博士对全氟辛烷磺酸盐的补充和梁芳同学对本书的仔细校对。
限于编著者的水平和知识面,对于书中不当之处,恳请读者不吝批评指正。
深度解析:现代水处理工程技术与环境安全评估 本书聚焦于当代水资源管理与水环境工程领域的前沿技术与复杂挑战,旨在为水务工程师、环境科学家以及相关政策制定者提供一套系统、深入的理论框架与实用的工程解决方案。全书内容紧密围绕可持续水循环、非常规水处理的优化、以及水生态系统的风险评估与修复展开,强调跨学科知识的融合与实际工程案例的支撑。 --- 第一部分:水资源调控与可持续利用策略 本部分深入探讨了在气候变化和人口增长背景下,水资源高效管理的核心问题。它摒弃了传统的静态水文模型,转而侧重于动态、多目标的集成化管理体系构建。 1.1 区域水资源承载力与数字孪生建模 详细介绍了如何运用高精度遥感数据、物联网(IoT)传感器网络与大数据分析技术,构建区域尺度的水资源数字孪生模型。模型不仅模拟水量平衡,更重要的是评估水质对生态系统服务功能的潜在影响。内容包括: 多源数据融合与预处理: 如何整合气象、地表水文、地下水动态及社会经济用水需求数据,建立统一的数据平台。 压力-状态-响应(PSR)模型的动态校正: 引入机器学习算法,实时调整模型参数,以应对突发污染事件或极端天气对水资源系统的冲击。 水资源配置的优化算法: 探讨基于多目标线性规划(MOP)和进化算法(如NSGA-II)的调度策略,平衡农业灌溉、工业冷却和生态基流需求。 1.2 非常规水源的深度开发与安全回用 本章是全书的重点之一,系统阐述了非常规水源(包括再生水、苦咸水和雨水)转化为可靠供水来源的技术路径与风险控制。 再生水深度处理: 详述了膜生物反应器(MBR)技术的升级迭代,特别是针对难降解有机物(NDOM)和微量污染物(PPCPs)的处理效率优化。重点介绍了臭氧氧化、高级氧化工艺(AOPs,如 $ ext{UV}/ ext{H}_2 ext{O}_2$ 和芬顿反应)在去除新兴污染物中的机理与工程应用。 苦咸水脱盐技术的经济性分析: 对反渗透(RO)和正渗透(FO)技术在不同盐度梯度下的能耗特性进行深入对比。特别讨论了膜污染的控制策略,如超声波辅助清洗和新型抗污染膜材料的设计。 雨水收集与利用的系统集成: 探讨了“海绵城市”理念下的分布式雨水管理系统,从集水效率到最终回用(如绿化和非饮用水补给)的全流程水质保障技术。 --- 第二部分:复杂水体污染控制与水环境修复工程 本部分着重于识别和控制现代水体面临的复杂污染源,并提供针对性的、具有长期稳定性的修复技术。 2.1 微量污染物与内源污染的控制 针对传统污水处理厂难以完全去除的微量有机污染物、抗生素、激素类物质以及重金属,本章提供了系统的控制方案。 活性炭吸附与再生成本控制: 详细分析了不同类型活性炭(粉末状PAC、颗粒状GAC)对特定污染物(如内分泌干扰物)的吸附动力学,并探讨了在实际工程中实现经济高效的定期热再生或化学再生工艺。 生物脱氮除磷的瓶颈突破: 介绍了厌氧氨氧化(Anammox)技术在低碳源条件下的应用潜力,以及如何通过精确控制污泥龄和溶解氧梯度,实现污泥产量的显著降低和氮负荷的高效去除。 沉积物-水体界面污染释放控制: 深入探讨了富营养化水体中磷、氮和重金属的内源释放机制。重点介绍了原位修复技术,如投加化学稳定剂(如铝盐、铁盐)封存技术,以及生物反应屏障技术在控制污染物扩散中的应用。 2.2 水生态系统功能恢复与健康评估 本部分将视角从纯粹的工程处理转向水体的生态功能恢复,强调生物多样性与水质的协同改善。 人工湿地系统的优化设计与长期稳定性: 阐述了不同类型人工湿地(表面流、潜流、混合流)对不同污染负荷的净化效率。重点讨论了植被选择、水力负荷与基质材料(如陶粒、火山岩)的孔隙率设计对持久性的影响。 水生态系统健康指标体系构建: 提出了基于生物多样性指数、群落结构完整性和关键生态化学指标(如溶解氧动态、营养盐比率)的综合健康评估框架。 河流廊道与景观水体的生态化修复: 讨论了如何通过河道形态的自然化改造、生物栖息地的重建,以及引入自净能力强的水生植物群落,实现河流的自我净化能力的恢复。 --- 第三部分:水系统运行安全、风险评估与韧性建设 面对日益频繁的水环境安全威胁,本部分提供了从风险识别到系统韧性提升的综合管理方法。 3.1 水处理设施的系统性风险评估 本章聚焦于水处理流程中的潜在失效点和外部威胁,尤其关注网络化运行的脆弱性。 失效模式与影响分析(FMEA)在水厂中的应用: 详细指导如何对关键单元操作(如膜过滤、消毒单元、在线监测系统)进行系统性的故障分析,识别“单点故障”并制定冗余措施。 网络化水务系统的网络安全(Cybersecurity): 探讨了针对SCADA系统、远程控制模块的攻击风险,以及如何构建工业控制系统(ICS)的安全防护体系,确保供水和废水处理不被恶意干扰。 极端事件下的应急响应与恢复: 基于情景模拟(如洪水、大规模化学泄漏),建立了快速评估水厂受损程度和预测下游水质影响的快速响应模型。 3.2 饮用水安全保障与新兴消毒副产物控制 本章直接关系到公众健康,详细论述了提高饮用水安全性的前沿技术。 新型消毒技术与毒理学考量: 除了传统的氯消毒,深入分析了紫外线(UV)消毒在灭活隐孢子虫和贾第鞭毛虫方面的效能。重点探讨了臭氧消毒在提高水质的同时,如何通过优化接触时间、pH值和前体物去除,来最小化三卤甲烷(THMs)和溴酸盐等消毒副产物(DBPs)的生成。 TOC的精细化去除策略: 论述了混凝沉淀过程中的助凝剂选择、快速絮凝技术,以及为后续深度处理(如活性炭或膜过滤)提供稳定、低浊度水质的工程控制指标。 管网二次污染的长期监测与控制: 结合水质模型和驻留时间分布(RTD)分析,预测管网中残余消毒剂的衰减规律,并引入生物稳定化处理技术,抑制生物膜的生长和重金属的再释放。 --- 本书的特点在于其高度的工程应用导向性、对前沿研究成果的精准捕捉以及对系统性风险管理的强调。它不仅仅是一本技术手册,更是一部面向未来可持续水管理挑战的综合性参考指南。