第三章溶解气体

• 例已知青海湖水含盐量为12.5g/L,湖面海拔3195m,试计算 20℃时青海湖水溶解氧为8.50mg/L时的饱和度? 解:采取直线内插法求得海拔3195m处的平均大气压为 68270Pa 查附表得20℃,盐度为12.5g/L时氧气溶解度为5.90mol/L 求压力为68270Pa时大气中氧的溶解度: C2=C1×[(PT2-PW0) ÷ ( PT1-PW0) ] =5.90 ×[(68270-2337) ÷ (101325-2337) ] =5.62mg/L 饱和度=8.50 ÷5.62×100% =151%
气体在水中的溶解速率
• 双膜理论 定义:——在气、液界面两侧，分别存在相对稳定的气膜和液 膜；即使气相、液相呈湍流状态,这两层膜内仍保持层流 状态。无论如何扰动气体或液体,都不能将这两层膜消除， 只能改变膜的厚度。 • 气体主体内的分子溶入液体主体中的过程有以下4个步骤： （1）靠湍流从气体主体内部到达气膜； （2）靠扩散穿过气膜到达气—液界面，并溶于液相； （3）靠扩散穿过液膜； （4）靠湍流离开液膜进入液相内部。 通常易溶气体主要受气膜扩散限制，难溶气体主要受液膜 扩散限制。
计算不同压力下氧气的溶解度和饱和度
• 例 计算淡水湖面大气压为85200Pa水温15℃时氧气的溶解度? 解:求氧分压:(101325Pa,P1和85200Pa,P2条件下的氧分压)
P1= (PT1-PW0) ×20.95% P2= (PT2-PW0) ×20.95% 查表可知15℃时, PW0=1707Pa C1/C2=P1/P2 =[ (PT1-PW0) ×20.95%] ÷[(PT2-PW0) ×20.95%] =( PT1-PW0) ÷(PT2-PW0) C2=C1×[(PT2-PW0) ÷ ( PT1-PW0) ] =10.07×[(85200-1707) ÷ (101325-1707) ] =8.44mg/L 注:PW0表示纯水的饱和水蒸汽压
=15239Pa
• 例25℃淡水中溶解氮气达到饱和,求水中氧气需达多少时 可能产生气泡病?假定产生气泡病时要求水中气压分压总 和在水中流体静压力的120%以上,水面压力为101325Pa.
解:由题意知: PN2+PO2+PW0≧101325×120%Pa
已知25℃, PW0=3166Pa,N2达饱和时分压 PN2 =(101325-3166) ×79.02=77565Pa ∴PO2≧101325×1.20-PN2-PW0 ≧121590-77565-3166 ≧40859Pa 25℃时氧气的溶解度为8.25mg/L,标准分压力 PO20=(101325-3166) ×20.95% =20564Pa 对应于分压为40859Pa的溶解氧含量为: CO2 ≧8.25×(40859÷20564) ≧ 8.25×1.99 ≧16.4mg/L
• 扰动状况 增加液相内部的扰动作用，把已溶有较多 气体靠近界面的水移向深部，把深处含溶 解气体较少的水移向界面，可加快溶解速 度。增加气相内部的扰动作用，也可以加 快溶解速度。
• 通过学习影响气体溶解速度的因素,谈谈它 对养殖生产有何意义?(或如何利用影响气 体溶解速度的因素于养殖生产中?)
• 试从影响气体溶解速度的因素方面来分析 叶轮式增氧机是如何增氧的?
• 对于混合气体中某组分气体在水中的溶解 度，上述各式中的P则是指该组分气体的分 压力，与混合气体的总压力无关。由几种 气体组成的混合气体中组分B的分压力PB 等于混合气体的总压力PT乘以气体B的分压 系数，这就是道尔顿分压定律： 见P65页
• 道尔顿分压定律和亨利定律，只有理想气 体才能严格相符。对于不与水发生化学反 应的真实气体，如N2、O2、CH4等，只要 压力不是很大都可以用道尔顿分压定律和 亨利定律进行有关计算。
• 藻类进行光合作用的最终结果是合成藻体的有机质，浮游 植物的平均元素组成可用(CH2O)106(NH3)16H3PO4来表 示，光合作用的各元素的计量关系可用下式来反应： 106CO2 + 16NO-3 + HPO2-4 + 122H2O = (CH2O)106(NH3)16H3PO4 + 138O2 由此式可计算出浮游植物光合作用对P、N、C的需求及释 放 O2的比例 P：N：P：O2 = 1：16：106：138 (摩尔比) 或 P：N：P：O2 = 1：7.2：41：142 (质量比) 由此式可以得出：浮游植物光合作用释放1mgO2产生有机 碳的量为0.289mg，这对研究水体的初级生产力有重要的 意义。
第二节 溶解氧
• 水体中氧平衡由: 增氧作用 耗氧作用
1.增氧作用 （1）空气中氧气的溶解 （2）植物光合作用 （3）补水与机械作用 2.耗氧作用 （1）水呼吸 （2）水生生物呼吸 （3）底泥耗氧作用
（4） 化学试剂
（4）逸出
增氧作用
• （1）空气中氧气的溶解 若没有风力或人为地搅动，空气溶解增氧速率 很慢，远不能满足池塘对氧气的需求。缺氧时可 开动增氧机。中午前后开动增氧机，不能促进氧 气的溶解，只能加速水中溶氧的逸出，但能改善 下午光合作用的产氧效率，从而改善晚上的溶氧 状况。 空气中氧气溶解的速率与水中溶氧的不饱和程 度成正比，还与水面扰动状况及单位体积的表面 积有关，也就与风力和水深有关。氧气在水中的 不饱和程度大，水面风力大和水较浅时，空气溶 解的作用就大
影响气体溶解度的因素
• • • • 气体本身的性质 温度 含盐量 气体分压力
1.气体本身的性质 • 气体的溶解遵循相似相溶原理——极性分 子气体在水中的溶解度大，非极性气体分 子在水中的溶解度小。 • 能与水发生化学反应的气体溶解度大，不 能与水发生化学反应的气体溶解度小。例 如NH3、HCL在水中的溶解度很大，而N2、 H2、O2在水中的溶解度很小。
有关亨利定律的计算
• 例1已知20℃氧气在纯水中溶解的亨利常数KH =31.0molL1atm-1,试计算压力为161325Pa的干燥空气中氧气在水中 的溶解度?已知干燥空气中氧气的体积分数为20.95%. 解:∵ PT= 161325Pa,体积分数为20.95%
∴PO2=161325×20.95%=33798Pa
• （2）植物光合作用 • 水生植物进行光合作用释放氧气，是养鱼水体氧气的重要来源。 水生植物光合作用释放氧气，是池塘中氧气的主要来源。一 般河流、湖泊表层水夏季光合作用产氧速率为0.5-10g/ m2· d-1。 • 光合作用产氧速率与光照条件、水温、水生植物种类和数量、营 养元素供应情况等因素有关。 光合作用产氧速率与光照条件、水温、水生植物种类和数量、 营养元素供给状况等因素有关。气温较高的夏季产氧速率较大， 冬季温度较低产氧速率要低一些。 • 各水层光合作用产氧速率随深度的增加而变化。 各水层光合作用产氧速率随深度的增加而变化。浮游植物在过强 光照射下会产生光抑制效应，表层光合作用速率反而不如次表层 大，在晴天一般有光抑制现象，次表层水溶氧量最高，阴天则表 层水为最高。适当数量的浮游植物，可增加水柱产氧速率，浮游 植物生物量过高，透明度降低，植物自遮作用光照不足反而使产 氧速率下降。
• （2）温度 温度升高可使气体在水中的溶解度降低， 且温度在低温条件下变化对气体的溶解度 影响显著。
• （3）含盐量 当温度、压力一定时，水中含盐量增加，会使气体在水中 的溶解度降低。这是因为随着含盐量的增加，离子对水的 电缩作用(指离子吸引极性水分子，使水分子在其周围形 成紧密排布的水合层的现象)加强，使水可溶解气体的空 隙减少。因此，在相同温度和分压力下，气体在海水中的 溶解度比在淡水中小得多。 例如氧气在大洋海水中的溶解度大约只有在淡水中的8082%。对于淡水而言，含盐量的变化幅度很小，对气体在 水中的溶解度影响不大，一般不考虑含盐量的影响，而近 似地釆用在纯水中的溶解度值。
第三章 溶解气体
• 教学内容： 气体在水中的溶解度和溶解速率;水体中氧气的来源和消耗; 溶氧的分布及变化;溶氧在水生生态系统中作用;气体溶解 逸出与气泡病的关系 • 教学要求： 掌握气体的溶解度、溶解速率等有关概念；决定养殖水体 中氧气含量的因素，溶氧的分布及变化规律；溶氧在养殖 生产中的生态作用。初步掌握气体溶解速率的双膜理论， 亨利定律的有关计算。了解氧氮气体溶解规律与鱼类气泡 病的关系。 • 重点难点： 气体的溶解度概念；决定养殖水体中氧气含量的因素，溶 氧的分布及变化规律；亨利定律的有关计算。
计算水体溶解气体的分压力
• 例ห้องสมุดไป่ตู้16℃时溶氧含量为7.36mg/L的淡水中氧分压.已知 16℃时, PW0=1817Pa.
解:查溶解度表知Cs=10.07mg/L 饱和度=C/Cs×100%
=7.36/10.07 ×100% =73.1% 求饱和分压: PL0= (PT-PW0) ×20.95% =(101325-1717) ×20.95% =20847Pa PL = PL0 ×饱和度 =20847 ×73.1%
Pa换算为atm
∴ PO2=33798÷101325=0.3336atm CO2 = KH × PO2=31.0×0.3336=10.34mol/L 或=14.78mg/L
• 例2已知20℃时1.00atm的甲烷在水中溶解度为 23.2mg/L,若在2.1m深的池底不断释放含甲烷 40%的气泡,求20℃ 时底层水中甲烷的含量最大 可能达多少?假定2.1m深的压力为2.1atm. 解求气泡在池底时甲烷的分压力: ∵ PT= 1.2atm,体积分数为40% ∴PCH4=1.2×40%=0.48atm 求甲烷溶解度 P1=1.0atm,C1=32.2mg/L P2=1.0atm,C2=? 根据C1/C2=P1/P2得: C2=C1×P1/P2=23.2×0.48÷1=11.1mg/L
（4）气体分压力 • 在温度与含盐量一定时，气体在水中的溶解度随气体的 分压增加而增加。对于难溶气体，当气体压力不是很大时， 气体溶解度与其压力成正比，这就是享利定律。用公式表 示为： C = KH × P 式中：C——气体的溶解度； P——达到溶解平衡时某气体在液面上的压力； KH——气体吸收系数，其数值随气体的性质、温度、水的 含盐量变化而变化，也与压力(P)、溶解度(C)所釆用的单 位有关。 • 对同一种气体在同一温度下有 C1/C2=P1/P2 式中：C1----压力为P1时的溶解度; C2----压力为P2时的溶解度。
影响气体溶解速度的因素
• 气体的不饱和程度 • 水的单位体积表面积 • 扰动状况
影响气体溶解速度的因素
• 气体的不饱和程度 水中气体含量与饱和含量相差越远，气体由气相溶于液相 的速度就越快。 dc/dt ∝ (Cs – C) • 水的单位体积表面积 在同样的不饱和程度下，单位体积表面积越大，溶解速度 越快，即dc/dt与单位体积表面积(A/V)成正比。 dc/dt ∝ (A/V) 将以上两式合并，则有 dc/dt = Kg (A/V) (Cs – C) Kg称气体迁移系数，与气体的性质、温度及扰动状况有 关，单位cm/min。在这些条件一定时Kg是常数。
气体的饱和含量与饱和度
• 定义: 饱和含量——在一定的溶解条件下(温度、分压力、 水的含盐量)气体达到溶解平衡以后，1L水中所该 气体的量。对于难溶气体饱和含量就等于溶解度。 饱和度——溶解气体的现存量占所处条件下饱和含 量的百分比，即： 气体饱和度 = (现存量/饱和含量)×100% 饱和度可以反映气体在水中溶解时所达到的饱和程 度，判断气体是否达到溶解平衡及溶解趋向。
第一节 气体在水中的溶解度和溶解 速率
• 气体在水中的溶解度 定义:——在一定条件下，某气体在水中的溶解达到平 衡以后，一定量的水中溶解气体的量，称为该气体 在所指定条件下的溶解度。 一般用100g水中溶解气体的克数来表示易溶气体的 溶解度，而用1L水中溶解气体的毫克数(或毫升数)来 表示难溶气体的溶解度。 溶解度单位为ml/L或mg/L。两者之间的换算系数 f=Mr/22.4(mg/ml)，式中Mr为气体的相对分子质量。 对于氧气f=1.429mg/ml，氮气f=1.251mg/ml。