三種化合物對(duì)海水pH值、堿度和硬度的調(diào)節(jié)效果比較

王充

摘要：本實(shí)驗(yàn)選用Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2三種化合物作為水質(zhì)調(diào)節(jié)劑，進(jìn)行海水pH值、堿度和硬度的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比較不同化合物的調(diào)節(jié)效果，篩選出對(duì)pH值、堿度和硬度具有良好調(diào)節(jié)效果且經(jīng)濟(jì)的化合物，為水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的水質(zhì)調(diào)控提供參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Ca（OH）2提高pH值、堿度和硬度效果比較理想。每增加1個(gè)pH單位需使用Ca（OH）2 78.53 g/m3;而提升堿度1 mmol/L，需使用Ca（OH）2 52.63 g/m3。Na2CO3提升pH值和堿度的能力比較低，必須高劑量使用，每增加1個(gè)pH單位需使用Na2CO3 196.84 g/m3，而且Na2CO3價(jià)格相對(duì)比較高，不適合作為提高pH和堿度的試劑。NaOH雖然能迅速提高pH和堿度，但是隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，效果不如Ca（OH）2。NaOH使用劑量為100 g/m3時(shí)，水體硬度下降7.74%。

關(guān)鍵詞：Na2CO3;NaOH;Ca（OH）2;pH值;堿度;硬度;海水

中圖分類(lèi)號(hào)：S959? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1? 材料與方法

1.1? 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇

實(shí)驗(yàn)于2020年7月到2020年9月在海南昱海藍(lán)科生物科技有限公司翁田育苗基地進(jìn)行。天然海水經(jīng)過(guò)24h沉淀、砂濾后作為實(shí)驗(yàn)海水。分別采用碳酸鈉[Na2CO3]、氫氧化鈉[NaOH]和氫氧化鈣[Ca（OH）2]三種化合物進(jìn)行海水pH值、堿度和硬度的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。

1.2? 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1? 實(shí)驗(yàn)試劑

工業(yè)碳酸鈉[Na2CO3]（山東?；?，2.4元/kg）、工業(yè)氫氧化鈉[NaOH]（天津銀橋，3.0元/kg）和農(nóng)用熟石灰[氫氧化鈣，Ca（OH）2]（廣州拓羽，0.5元/kg）;鄰苯二鉀酸氫鉀（KHC8H4O4）標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液（pH=6.86，25℃），磷酸二氫鉀（KH2PO4，0.25 mmol/L）和磷酸氫二鈉（Na2HPO4，0.25 mmol/L）混合標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液（pH=6.86，25℃）、四硼酸鈉（Na2B4O7）標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液（pH=9.18，25℃）、甲基紅-次甲基藍(lán)混合指示劑、EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、氨性緩沖溶液、鉻黑T指示劑、HCl溶液（1+1）、氨水（1+1）、標(biāo)準(zhǔn)鋅溶液。

1.2.2? 實(shí)驗(yàn)儀器

分析天平（LA230S，Sartorius）、pHS-3C型酸度計(jì)、鹽度計(jì)、可見(jiàn)分光光度計(jì)（722S，上海棱光）、振蕩搖床（ZD-9560，太倉(cāng)華利達(dá)）、溫度計(jì)等。

1.3? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)根據(jù)化合物種類(lèi)的不同設(shè)置為三個(gè)批次進(jìn)行。結(jié)合生產(chǎn)上各種實(shí)驗(yàn)材料的用量，每一種化合物設(shè)置6個(gè)劑量梯度（0 g/m3、20 g/m3、40 g/m3、60 g/m3、80 g/m3、100 g/m3），每一劑量梯度設(shè)2個(gè)重復(fù)。將12個(gè)塑料桶（60 L）分成6組，分別加入實(shí)驗(yàn)用水40 L;加入不同劑量的化合物，充分?jǐn)噭颍⒊錃?，待化合物在水中完全溶解后，分別從不同梯度組中取水樣測(cè)定其pH值、堿度和硬度，進(jìn)行化合物劑量對(duì)海水pH值、堿度和硬度影響效果分析。每隔8 h測(cè)定一次，連續(xù)監(jiān)測(cè)3天，進(jìn)行化合物作用時(shí)間對(duì)海水pH值、堿度和硬度的影響效果分析。實(shí)驗(yàn)期間海水鹽度30‰～33‰，水溫變化范圍為27.0℃～29.5℃。

1.4? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

采用Excel 2003對(duì)不同劑量Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2使用后的作用效果進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 三種化合物對(duì)海水pH值的影響

2.1.1? 化合物劑量對(duì)海水pH值的影響

不同劑量的化合物對(duì)海水pH值的影響。三種化合物對(duì)海水pH值上升的幅度和使用劑量呈正相關(guān)。化合物劑量相同時(shí)，pH值上升幅度從高到底依次為NaOH>Ca（OH）2>Na2CO3，說(shuō)明NaOH和Ca（OH）2有較強(qiáng)的提高海水pH值能力，而海水中加入Na2CO3后pH值上升幅度比較小?；衔飫┝繛?00 g/m3時(shí)，Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2處理組pH值上升幅度分別為：0.49，1.54和1.16。以加入海水中Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2的劑量為自變量（X，g/m3），以化合物溶解后提升海水pH值的幅度為應(yīng)變量（Y），進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得出方程（1）、（2）和（3）：

Na2CO3：Y=-0.00001652X2 + 0.006823X + 8.21607 （R2 = 0.962，P<0.01）…（1）

NaOH：Y=-0.00006964X2 + 0.023293X + 8.18571 （R2 = 0.951，P<0.01）…（2）

Ca（OH）2：Y=-0.00005536X2 + 0.017079X + 8.22572（R2 = 0.979，P<0.01）…（3）

方程（1）中當(dāng)X=196.84時(shí)Y=1，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)的條件下當(dāng)Na2CO3加入量為196.84 g/m3時(shí)，能提升pH一個(gè)單位。方程（2）中而當(dāng)X=56.72時(shí)Y=1，說(shuō)明當(dāng)NaOH加入量為56.72 g/m3時(shí)，能提升pH一個(gè)單位。方程（3）中當(dāng)X=78.53時(shí)Y=1，說(shuō)明當(dāng)Ca（OH）2加入量為78.53 g/m3時(shí)，能提升pH一個(gè)單位。

2.1.2? 化合物作用時(shí)間對(duì)海水pH值的影響

從圖1可以看出，本實(shí)驗(yàn)中三種化合物劑量為100 g/m3的情況下，隨著作用時(shí)間的增加，pH值逐漸降低?；衔镒饔? h后，NaOH處理組的pH值由9.77下降至9.26，Ca（OH）2處理組的pH值由9.39下降至9.13;而Na2CO3處理組pH值由8.73下降至8.64?；衔镒饔?2 h后，NaOH、Ca（OH）2和Na2CO3處理組pH值分別下降至8.46、8.54和8.42。其中，NaOH處理組pH值下降幅度最大，達(dá)到1.31個(gè)pH值單位;其次是Ca（OH）2處理組，為0.85;Na2CO3處理組的pH值下降幅度最小，僅為0.31。未加入化合物的對(duì)照組pH值穩(wěn)定在8.23～8.31。

2.2? 三種化合物對(duì)海水堿度的影響

2.2.1? 化合物使用劑量對(duì)海水堿度的影響

加入不同劑量的化合物后，測(cè)得各處理組中堿度的變化情況。海水中加入Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2后堿度有明顯的變化，經(jīng)NaOH處理實(shí)驗(yàn)組的堿度上升幅度最大，而Na2CO3處理實(shí)驗(yàn)組的堿度上升幅度低于NaOH和Ca（OH）2。從圖3可以看出，三種化合物對(duì)海水堿度上升幅度和使用劑量正相關(guān)，堿度上升幅度從高到底依次為NaOH>Ca（OH）2>Na2CO3。化合物劑量為100 g/m3時(shí)，Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2處理組堿度上升幅度分別為：1.62 mmol/L，1.94 mmol/L和1.89 mmol/L。

以加入海水中Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2的劑量為自變量（X，g/m3），以化合物溶解后提升海水堿度幅度為應(yīng)變量（Y，mmol/L），進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得出方程（4）、（5）和（6）：

Na2CO3：Y=0.00000727X2 + 0.0154605X + 2.222642 （R2=0.981，P<0.01）…（4）

NaOH：Y=-0.00003451X2 + 0.0235211X + 2.190607 （R2=0.966，P<0.01）…（5）

Ca（OH）2：Y=0.00001350X2 + 0.017697X + 2.218525 （R2=0.978，P<0.01）…（6）

方程（4）中當(dāng)X=67.73時(shí)Y=1 mmol/L，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)的條件下只有當(dāng)加入的Na2CO3使用劑量為67.73 g/m3時(shí)，能提升堿度1 mmol/L。方程（5）中當(dāng)X=49.75時(shí)Y=1 mmol/L，說(shuō)明當(dāng)加入的NaOH使用劑量為49.75 g/m3時(shí)，能提升堿度1 mmol/L。方程（6）中當(dāng)X=52.63時(shí)Y=1 mmol/L，說(shuō)明當(dāng)加入的Ca（OH）2使用劑量為52.63 g/m3時(shí)，能提升堿度1 mmol/L。

2.2.2? 化合物作用時(shí)間對(duì)海水堿度的影響

從圖2可以看出，本實(shí)驗(yàn)中三種化合物劑量為100 g/m3的情況下，隨著作用時(shí)間的增加，海水堿度逐漸降低?；衔镒饔? h后，NaOH處理組的堿度由4.15 mmol/L下降至3.43 mmol/L，Ca（OH）2處理組堿度由4.11 mmol/L下降至3.55 mmol/L;而Na2CO3處理組堿度由3.84 mmol/L下降至3.35 mmol/L?；衔镒饔?2 h后，NaOH、Ca（OH）2和Na2CO3處理組堿度分別下降至2.49 mmol/L、2.57 mmol/L和2.45 mmol/L。其中，NaOH處理組堿度下降幅度最大，達(dá)到1.66mmol/L;其次是Ca（OH）2處理組，為1.54 mmol/L;Na2CO3處理組的堿度下降幅度最小，僅為1.39 mmol/L。未加入化合物的對(duì)照組堿度穩(wěn)定在2.22～2.29 mmol/L。

2.3? 三種化合物對(duì)海水硬度的影響

加入不同劑量的化合物后，測(cè)得各處理組中硬度的變化情況。隨著Na2CO3和NaOH使用劑量的升高，海水中的硬度表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，化合物使用劑量最高時(shí)（100 g/m3）降幅最大。化合物使用劑量100 g/m3時(shí)，NaOH處理組下降的幅度為7.74%，而Na2CO3處理組降幅較小僅為4.04%。由于海水中的硬度很大，NaOH和Na2CO3的加入對(duì)海水硬度影響幅度相對(duì)較小。Ca（OH）2可顯著提升水體的硬度，Ca（OH）2使用劑量為100 g/m3時(shí)，實(shí)驗(yàn)水體硬度提高18.43%。

以加入海水中Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2的劑量為自變量（X，g/m3），以化合物溶解后提升海水硬度為應(yīng)變量（Y，mmol/L），進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得出方程（7）、（8）和（9）：

Na2CO3：Y=0.00004509 X2 - 0.0496946 X + 104.4612 （R2=0.953，P<0.01）…（7）

NaOH：Y=-0.00005938X2 +0.0669482X + 104.1617 （R2 =0.921，P<0.01）…（8）

Ca（OH）2：Y=-0.00104107X2 + 0.3047357 X + 104.0171（R2 =0.948，P<0.01）…（9）

方程（7）中當(dāng)X=24.75時(shí)Y=1，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)的水質(zhì)條件下只有當(dāng)加入的Na2CO3濃度為24.75 g/m3時(shí)，能降低硬度1 mmol/L。方程（8）中當(dāng)X=12.24時(shí)Y=1，說(shuō)明只有當(dāng)加入的NaOH濃度為12.24 g/m3時(shí)，能降低硬度1 mmol/L。方程（9）中當(dāng)X=8.38時(shí)Y=1，說(shuō)明只有當(dāng)加入的Ca（OH）2濃度為8.38 g/m3時(shí)，能提升硬度1 mmol/L。

3? 討論

3.1? NaOH對(duì)海水pH值、堿度和硬度的調(diào)節(jié)

氫氧化鈉[NaOH]俗稱(chēng)燒堿，分子量40，是一種強(qiáng)堿，為強(qiáng)電解質(zhì)。溶于水即發(fā)生完全水解：NaOH=Na+ + OH-。本實(shí)驗(yàn)中，三種化合物在相同使用劑量的情況下，NaOH處理組pH值和堿度的增加幅度最大，pH值增加了1.54個(gè)單位，堿度增加了1.93 mmol/L，效果明顯大于Na2CO3處理組和Ca（OH）2處理組。

然而，NaOH使用后隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)水體pH值和堿度逐漸下降。72 h后，NaOH處理組pH值下降1.31;堿度下降1.66 mmol/L。這主要是由于本實(shí)驗(yàn)?zāi)M育苗生產(chǎn)，整個(gè)過(guò)程中水體微充氣，空氣中的二氧化碳（CO2）和水體中NaOH電離出的氫氧根離子（OH-）發(fā)生反應(yīng)：CO3+OH-=HCO3-，引起水體氫氧根離子（OH-）減少。

隨著NaOH使用劑量的升高，實(shí)驗(yàn)水體的硬度表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，化合物使用劑量最高時(shí)（100 g/m3）降幅最大，為7.74%。這主要是由于NaOH電離出的氫氧根離子（OH-）可與鎂離子（Mg2+）發(fā)生反應(yīng)，生成難溶于水的氫氧化鎂：2HO- + Mg2+=Mg（HO）2。

3.2? Na2CO3對(duì)海水pH值、堿度和硬度的調(diào)節(jié)

碳酸鈉[Na2CO3]俗稱(chēng)純堿、蘇打，分子量106，是一種強(qiáng)堿弱酸鹽，為強(qiáng)電解質(zhì)。溶于水即發(fā)生水解反應(yīng)：Na2CO3=2Na+ + CO3-，CO32- + H2O=HCO3- + OH-。本實(shí)驗(yàn)中，三種化合物同等劑量的情況下，Na2CO3實(shí)驗(yàn)組pH值和堿度增加幅度比NaOH明顯要小，這主要是由于Na2CO3分子量比較大，同時(shí)水分子（H2O）是弱電解質(zhì)，不能完全電離，海水仍有部分碳酸根離子（CO32-）存在。

同NaOH相似，Na2CO3使用后隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)水體pH值和堿度逐漸下降，然而其下降程度要比NaOH要低。碳酸鈉電離后與水分子（H2O）發(fā)生反應(yīng)生成碳酸氫根離子（HCO3-）：CO32- + H2O=HCO3- + OH-，而碳酸氫根離子（HCO3-）具有穩(wěn)定水體酸堿度的能力，即具有一定緩沖性：HCO3- + H+=H2CO3，HCO3- + OH-=CO32-+ H2O。因此，Na2CO3的使用對(duì)穩(wěn)定水體pH值具有重要作用。

隨Na2CO3使用劑量的升高海水中的硬度出現(xiàn)下降，這主要是由于Na2CO3電離出的碳酸根（CO32-）和鈣離子（Ca2+）結(jié)合，生產(chǎn)難溶于水的碳酸鈣（CaCO3）。然而又由于碳酸根（CO32-）可與水分子（H2O）結(jié)合轉(zhuǎn)化為碳酸氫根（HCO3-），導(dǎo)致Na2CO3處理組實(shí)驗(yàn)水體硬度下降幅度低于NaOH，Na2CO3使用劑量最高時(shí)（100 g/m3）降幅為4.04%。

3.3? Ca（OH）2對(duì)海水pH值、堿度和硬度的調(diào)節(jié)

氫氧化鈣[Ca（OH）2]俗稱(chēng)熟石灰、消石灰，分子量74，是一種強(qiáng)堿。Ca（OH）2微溶于水（25℃，0.155 g），本實(shí)驗(yàn)中，Ca（OH）2最大使用劑量為100 g/m3，遠(yuǎn)小于其溶解度，可以完全溶解。Ca（OH）2為弱電解質(zhì)，可在水中發(fā)生不完全電離：Ca（OH）2=Ca2+ + 2OH-，提高水體硬度。

Ca（OH）2的堿性比NaOH強(qiáng)（金屬活動(dòng)性鈣>鈉），然而由于Ca（OH）2為弱電解質(zhì)，雖能完全溶解，但尚未完全電離，因此Ca（OH）2處理組pH值和堿度的增加幅度均小于比NaOH。

隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，Ca（OH）2處理組實(shí)驗(yàn)水體pH值和堿度逐漸下降，但是其下降程度要比NaOH處理組要低。這主要是由于實(shí)驗(yàn)水體中，二氧化碳和水體中氫氧根離子（OH-）發(fā)生反應(yīng)：CO2 + OH-=HCO3-，引起水體氫氧根離子（OH-）減少，pH值和堿度逐漸降低;而溶解在實(shí)驗(yàn)水體中未被完全電離的Ca（OH）2因氫氧根離子的減少而增加電解程度，從而導(dǎo)致其pH值和堿度下降程度要比NaOH要低。

3.4? 三種化合物對(duì)海水pH值、堿度和硬度的調(diào)節(jié)效果比較

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ca（OH）2可以迅速提升海水pH值、堿度，穩(wěn)定性好、作用效果持久，72 h后Ca（OH）2處理組最終pH值和堿度均高于NaOH和Na2CO3。同時(shí)Ca（OH）2還可以迅速提升水體硬度，價(jià)格低廉（0.5 元/kg），因此我們認(rèn)為Ca（OH）2比較適合在生產(chǎn)上廣泛使用。當(dāng)Ca（OH）2加入量為78.53 g/m3，能提高1個(gè)單位pH值;加入量為52.63 g/m3時(shí)能提高堿度1 mmol/L。Na2CO3雖然可以提升海水pH值和堿度，并具有一定緩沖性，對(duì)穩(wěn)定養(yǎng)殖水體酸堿度具有重要意義。然而，每增加一個(gè)pH值單位需使用Na2CO3 196.84 g/m3，使用劑量是Ca（OH）2的2.51倍，并且Na2CO3價(jià)格相對(duì)比較高（2.4元/kg）。NaOH瞬間提升pH值和堿度效果比Ca（OH）2和Na2CO3好，但是其效果受作用時(shí)間影響也最大，不利于維持海水pH值和堿度的穩(wěn)定。同時(shí)，NaOH使用后會(huì)產(chǎn)生較多的白色絮狀物[主要是Mg（OH）2]，對(duì)海水硬度影響比較明顯，不適合在生產(chǎn)上使用。

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