池塘里的那些事儿:总碱度(100、101、102)

发表时间:2021/01/22 12:22:13  浏览次数:38492  
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林文辉,中国水产科学研究院珠江水产研究所研究员,并担任社会经济发展咨询委员会顾问。主要研究、探索健康养殖的环境问题,大力推广健康养殖,得到了行业的广泛认可。曾参与国家兽医协会《水产执业兽医考试指南》编写,翻译美国奥本大学池塘环境经典专著《池塘养殖水质》和《池塘养殖底质》,奠定了我国池塘生态研究理论基础。

以下文章来自于林文辉的QQ空间连载文章:池塘里的那些事儿!已出版成书,内容很多,西南渔业网经少许调整后将分批转载分享!

100总碱度(1)

水体中的碱度来源于空气二氧化碳和溶解的碳酸盐矿物(主要来自石灰石和白云石)。

我们假设在大气中水蒸气刚形成水滴时,水是纯的,有部分水分子电离:

H2O → H + OH

并且[H][OH] = kW(kW≈10^-14)

则水中只有H离子和OH离子,并且:

[H]=[OH],

(很明显,[H]=kW^1/2,所以纯水的pH是中性的,-logH = -1/2 logkW = 7)

当雨水与空气中的二氧化碳接触后,二氧化碳溶解于水中,部分二氧化碳与水结合产生水合二氧化碳,即碳酸,碳酸水解产生碳酸氢根和H离子,碳酸氢根再水解产生碳酸根和H离子(碳酸体系向右移):

CO2 + H2O → H2CO3 → H + HCO3 → 2H + CO3

则此时水中除了H离子和OH离子外,还有HCO3和CO3离子,并且:

[H]= [HCO3] + 2[CO3] + [OH]

很明显,[H]大于[OH],所以雨水偏酸。此时水体中的溶解无机碳浓度为二氧化碳的溶解度,即[DIC] = [CO2] + [HCO3] + [CO3],而此时总碱度,[TA] = [HCO3]+ 2[CO3] + [OH] - [H] = 0。

当雨水落到地面,与石灰石(碳酸钙,CaCO3)接触,水体中的碳酸会溶解石灰石:

CaCO3 + HCO3 → Ca+ 2HCO3

与白云石 [碳酸钙,CaMg(CO3)2]接触,同样,水体中的碳酸会溶解白云石:

CaMg(CO3)2 + 2HCO3 → Ca+ Mg + 4HCO3

此时水体中则有

[H] + 2[Ca] + 2[Mg] = [HCO3] + 2[CO3] + [OH]

很明显,在天然水体中,有硬度(钙+镁)才有碱度,并且2[Ca] + 2[Mg] ≈ [HCO3] + 2[CO3],即总碱度约等于总硬度。此外,随着水体中 [HCO3] 和[CO3]的增加,碳酸平衡体系往左移:

2H + CO3 → H + HCO3 → H2CO3 → CO2↑ + H2O

导致水体中 [HCO3] + 2[CO3] < 2[Ca] + 2[Mg],引起 [OH]增加,使得[OH]大于[H],即随着总碱度的上升,pH逐步增加而致使水体呈弱碱性。

因此,天然无污染的水体具有一定的总碱度,并且总碱度约等于总硬度以及呈弱碱性的特征。

101总碱度(2)

天然水体由于水所接触的矿物质种类很复杂且多样化,因此,水的组成也是很复杂和多样化的。想简单地说明很困难。因此,我们可以简化一下,用一个简单的模型来说明水体中总碱度的大致范围。

假设我们在烧杯中装入蒸馏水,再加入碳酸钙粉末,在开放的条件下不断搅拌,使碳酸钙溶解,那么,最终的总碱度是多少?(实验装置如下图,温度为25℃,假设大气二氧化碳浓度为400ppm,且不限时间)

当反应达到平衡时,有:

[H] + 2[Ca] =[HCO3] + 2[CO3] + [OH]

且:

[Ca][CO3] =kSP(CaCO3)

通过模拟计算,我们可以得到如下的理论数据:

平衡时,碳酸钙达到饱和,钙硬度约为50毫克碳酸钙/升

在本系统中总碱度等于钙硬度,即总碱度接近50毫克碳酸钙/升;

总无机碳(DIC)接近 1 毫摩尔/升;

请注意当钙硬度等于0时,DIC非常小,说明没有阳离子的存在,二氧化碳的溶解度非常低,水体中溶解的无机碳非常有限。

pH 从二氧化碳饱和的蒸馏水的5.65上升到碳酸钙饱和的接近8.2;

从上面的数据可以看出,二氧化碳饱和的纯水是很酸的,但少量的碳酸钙就可以大幅度改善水体的可养殖属性。当然,天然水体要比这“纯水”复杂得多,尽管如此,水的活度高的水体硬度和碱度都不会很高,因为在水的活度高的情况下,碳酸钙的溶解度积很小。

102总碱度(3)

由于碳酸钙的溶解度积很小,所以,当水体中只有钙硬度时,限制了碱度的提高。因此,添加非钙硬度,通常为镁硬度,可以进一步提高总碱度。

假设我们在烧杯中装入蒸馏水,再加入碳酸钙镁粉末代替碳酸钙粉,在开放的条件下不断搅拌,使碳酸钙镁溶解,理论上我们可以得到如下结果:

平衡时,钙硬度从碳酸钙粉的接近50毫克碳酸钙/升降低到碳酸钙镁粉接近40毫克碳酸钙/升;

钙的降低为总碱度的提高留下空间。虽然钙硬度降低,但总硬度提高。因为碳酸钙镁中含有与钙等当量的镁。总硬度为钙硬度的两倍。

总碱度由碳酸钙粉的接近50毫克碳酸钙/升增加到碳酸钙镁粉接近80毫克碳酸钙/升;

总无机碳由碳酸钙粉的接近 1 毫摩尔/升上升到碳酸钙镁粉的 1.5 毫摩尔/升。

pH与碳酸钙粉大致相同:

说明用碳酸钙镁(白云石粉)改良池塘环境对pH的影响与碳酸钙差不多。

因此,在钙能满足养殖动物作为生理机能需要的前提下,适当提高镁硬度可以有效地提高池塘的总碱度和总硬度。


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