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一站式了解酸碱度、碱度

发布时间：

2025-03-10

一、酸碱度pH

酸碱度描述的是水溶液酸碱性的强弱程度，用符号pH表示，无量纲。pH范围在0~14之间，pH=7时，水溶液呈中性；pH＜7时，水溶液呈酸性，数值越小，酸性越强；pH＞7时，水溶液呈碱性，数值越大，碱性越强。当pH值超出6~9的范围时，会对人畜、环境造成危害，并对污水的物理、化学及生物处理产生不利影响。尤其是pH值低于6的酸性污水，会对管道、污水处理构筑物及设备产生腐蚀作用。故pH值为6~9也是污水排放标准的限值（《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002）。

pH又称为氢离子浓度指数，等于氢离子浓度的负对数，水中氢离子浓度与水分子的电离程度密切相关。如① 25℃时，1L纯水中只有1×10^-7mol的水分子发生电离，其C[H⁺]=C[OH^-]=1×10^-7mol/L，即纯水pH=7；② 实验室常用的0.1mol/L的盐酸，其C[H⁺]=C[HCl]=0.1mol/L（盐酸是强电解质，全部电离），经计算，其pH=1（部分强酸及弱酸在水溶液中不会完全电离，其pH值需根据实际溶液中氢离子的浓度进行计算）；③ 0.1mol/L的氢氧化钠溶液，其C[OH^-]=C[NaOH]=0.1mol/L（全部电离），其pH=14-log₁₀(1/0.1)=13。

值得一提的是，pH指标只适用于稀的水溶液。非水溶液，pH=7可能并不代表溶液呈中性；氢离子或氢氧根离子浓度大于1mol/L的溶液，其酸碱度不可用pH来表示，可直接用浓度表示（C[H⁺]=1mol/L时，pH=0；C[OH^-]=1mol/L时，pH=14）。故浓硫酸、氢氧化钠固体等，其酸碱性不可用pH来表示。

溶液的pH值一般采用pH试纸、pH指示剂、pH计等来测定。

二、碱度

碱度是指水中含有的、能与强酸产生中和反应的物质，即能接受H⁺的物质总量，主要有强碱（如氢氧化钠）、弱碱（如氨）、强碱弱酸盐（如碳酸盐、磷酸盐）等。在自然水体中，氨、磷酸盐等碱性物质很少，故一般认为水中的碱度主要由以下三类物质组成：① 氢氧化物碱度，即OH^-离子含量；② 碳酸盐碱度，即CO₃^2-离子含量；③ 重碳酸盐碱度，即HCO₃^-离子含量。

以消耗（接受）H⁺的摩尔量计算，根据化学方程式可知：碱度（mmol/L）= [OH^-]+[HCO₃^-]+2[CO₃^2-]（mmol/L）。

在实际应用中，碱度是以标准酸溶液滴定确定的，其结果以碳酸钙CaCO₃计，单位mg/L（详细测定与计算见下文--碱度的测定）。若已知某溶液碱度为1mmol/L（消耗H⁺的摩尔量），换算为碳酸钙，根据化学方程式CaCO₃+2H⁺→H₂CO₃+Ca²⁺，则其碱度为100×（1mmol/L×1g/moL）/2=50mg/L（以CaCO₃计）。（1g/moL为H⁺的摩尔质量）

市政污水通常呈碱性，其碱度源自给水水源、地下水及家庭使用时所添加的物质。污水所含的碱度，对外加的酸、碱有一定的缓冲作用，可使污水的pH维持在适宜好氧菌或厌氧菌生长繁殖的范围内。

三、pH与碱度的关系

pH与碱度之间并没有很明确的对应关系，pH直接反映水中H⁺或OH^-的含量，而碱度除了OH^-外，还包括CO₃^2-、HCO₃^-等碱性物质的含量，pH是酸碱性的直接表现，而碱度反映的是水的缓冲能力。此外，pH为无量纲值，碱度通常表征为相当于碳酸钙CaCO₃的浓度值，单位mg/L。因此碱度相同的水溶液，pH值不一定相同；pH值相同的水溶液，其碱度不一定相同。

虽然碱度与pH在数值上没有明确的对应关系，但在实践中，碱度越高，相应的pH也越高；碱度越低，相应的pH也越低。碱度越高，对溶液的缓冲帮助越大；碱度越低，溶液的缓冲能力越低。

一般市政污水，pH值约为7时（中性附近），其碱度在70~80mg/L（以CaCO₃计）之间（pH小于7时，污水中也会有碱度）。

四、pH对生化系统的影响

一般来说，聚磷菌、反硝化细菌和硝化细菌生长的最佳pH值在中性或弱碱性范围，当pH值偏离最佳值时，反应速度会有所下降，碱度可起到缓冲作用。

硝化反应对pH值很敏感，pH值低于6.8时，硝化反应速度逐渐下降。在pH值接近5.8~6.0时，其反应速度仅为pH值为7.0时的10%~20%。最佳的硝化反应速度在pH值为8.0~8.4时（也有文献说7.5~8.0）。

反硝化脱氮反应，反硝化菌最适宜的pH值为6.5~7.5，在这个pH值的条件下，反硝化速率最高。当pH值高于8或低于6时，反硝化速率将大为下降。

五、碱度对生化系统的影响

硝化反应：

氨氮氧化为硝态氮的总反应式：NH₄⁺+2O₂→NO₃^-+2H⁺+H₂O，为完成上式的反应，需要的碱度可由下面的化学反应式估算（不考虑细胞合成）：

NH₄⁺+2HCO₃^-+2O₂→NO₃^-+2CO₂+3H₂O

根据上面的反应式，每转化1mmol的氨氮需要2mmol的碱度；每转化1g的氨氮（以N计），需要消耗的碱度（以CaCO₃计）为7.14g=（100×1）/14。（NH₄⁺~2HCO₃^-~2H⁺~CaCO₃）

由此可知，硝化反应会消耗碱度，pH值降低，碱度消耗量约7.14g CaCO₃/g NH₄-N。

反硝化反应：

异养反硝化脱氮的反应式如下（不考虑细胞合成）：

污废水（C₁₀H₁₉O₃N表示污水中可生物降解的有机物）：

C₁₀H₁₉O₃N+10NO₃^-→5N₂+10CO₂+3H₂O+NH₃+10OH^-

醋酸作为碳源：

5CH₃COOH+8NO₃^-→4N₂+10CO₂+6H₂O+8OH^-

根据上面的反应式，每还原1mmol的硝态氮可产生1mmol的碱度；每还原1g的硝态氮（以N计），可产生碱度（以CaCO₃计）3.57g=（500×1）/140。（10NO₃^-~10OH^-~10H⁺~5CaCO₃）

由此可知，反硝化反应会产生碱度，pH值升高，碱度产生量约3.57g CaCO₃/g NO₃-N。即在硝化反应中消耗的碱度可在反硝化脱氮反应中恢复一半。

一般来说，污水通过生化处理时，其碱度总体上呈下降趋势，pH值也随之下降。为保证生化系统总体上保持在中性范围，在进行设计时需注意碱度平衡，即：保持pH≈7的碱度（70~80mg/L）=进水碱度-消耗的碱度+增加的碱度。

常用于增加碱度的药剂有：碳酸钠（纯碱、苏打）、碳酸氢钠（小苏打、重碳酸钠）、氢氧化钠（烧碱、苛性钠）、氧化钙（生石灰）、氢氧化钙（熟石灰）等。

六、碱度的测定

碱度的测定一般采用酸碱指示剂滴定法，以酸滴定至pH为8.3时消耗的量（P mL），为酚酞碱度；再滴定至pH为4.4~4.5时消耗的量（M mL），为甲基橙碱度。总碱度为所消耗酸的总量（P+M）折算成CaCO₃的量。

检测方法详见《水和废水监测分析方法（第四版）》P120。可参见：https://pan.baidu.com/s/1AoAcxEok0Ea-wcpSlgGSFA?pwd=1111

七、学习多一点

水的离子积常数K_w：

水的离子积常数K_w=[H⁺]·[OH^-]，简称水的离子积，又称为水的电离常数。[H⁺]和[OH^-]是指溶液中氢离子和氢氧根离子的浓度。K_w只随温度变化而变化，是温度常数。如25℃时，纯水中[H⁺]=[OH⁻]=1×10^-7mol/L，K_w=1×10^-14，pH=7，呈中性；100℃时，纯水中[H⁺]=[OH⁻]=1×10^-6mol/L，K_w=1×10^-12，pH=6，呈中性。由此可知，pH呈中性的值是由相应的离子积常数决定的。故非水溶液，pH=7可能并不代表溶液呈中性（需先计算该溶剂在该种条件下的离子积常数）；我们通常所说的溶液pH=7呈中性、pH＜7呈酸性、pH＞7呈碱性，是指在25℃温度下的水溶液。