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        三種化合物對海水pH值、堿度和硬度的調節(jié)效果比較

        2020-11-30 08:43:19王充
        江西水產科技 2020年5期
        關鍵詞:劑量實驗

        王充

        摘要:本實驗選用Na2CO3、NaOH和Ca(OH)2三種化合物作為水質調節(jié)劑,進行海水pH值、堿度和硬度的調節(jié)實驗,通過比較不同化合物的調節(jié)效果,篩選出對pH值、堿度和硬度具有良好調節(jié)效果且經濟的化合物,為水產養(yǎng)殖生產的水質調控提供參考依據。實驗結果表明: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pH單位需使用Na2CO3 196.84 g/m3,而且Na2CO3價格相對比較高,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,但是隨著作用時間的延長,效果不如Ca(OH)2。NaOH使用劑量為100 g/m3時,水體硬度下降7.74%。

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

        中圖分類號:S959? ? ? ?文獻標識碼:B

        1? 材料與方法

        1.1? 實驗對象選擇

        實驗于2020年7月到2020年9月在海南昱海藍科生物科技有限公司翁田育苗基地進行。天然海水經過24h沉淀、砂濾后作為實驗海水。分別采用碳酸鈉[Na2CO3]、氫氧化鈉[NaOH]和氫氧化鈣[Ca(OH)2]三種化合物進行海水pH值、堿度和硬度的調節(jié)實驗。

        1.2? 實驗材料

        1.2.1? 實驗試劑

        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)標準緩沖溶液(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)混合標準緩沖溶液(pH=6.86,25℃)、四硼酸鈉(Na2B4O7)標準緩沖溶液(pH=9.18,25℃)、甲基紅-次甲基藍混合指示劑、EDTA二鈉標準溶液、氨性緩沖溶液、鉻黑T指示劑、HCl溶液(1+1)、氨水(1+1)、標準鋅溶液。

        1.2.2? 實驗儀器

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

        1.3? 實驗設計

        實驗根據化合物種類的不同設置為三個批次進行。結合生產上各種實驗材料的用量,每一種化合物設置6個劑量梯度(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2個重復。將12個塑料桶(60 L)分成6組,分別加入實驗用水40 L;加入不同劑量的化合物,充分攪勻,微充氣,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定其pH值、堿度和硬度,進行化合物劑量對海水pH值、堿度和硬度影響效果分析。每隔8 h測定一次,連續(xù)監(jiān)測3天,進行化合物作用時間對海水pH值、堿度和硬度的影響效果分析。實驗期間海水鹽度30‰~33‰,水溫變化范圍為27.0℃~29.5℃。

        1.4? 實驗數據的處理與分析

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

        2? 結果與分析

        2.1? 三種化合物對海水pH值的影響

        2.1.1? 化合物劑量對海水pH值的影響

        不同劑量的化合物對海水pH值的影響。三種化合物對海水pH值上升的幅度和使用劑量呈正相關。化合物劑量相同時,pH值上升幅度從高到底依次為NaOH>Ca(OH)2>Na2CO3,說明NaOH和Ca(OH)2有較強的提高海水pH值能力,而海水中加入Na2CO3后pH值上升幅度比較小。化合物劑量為100 g/m3時,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值的幅度為應變量(Y),進行曲線擬合,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X=196.84時Y=1,說明在本實驗的條件下當Na2CO3加入量為196.84 g/m3時,能提升pH一個單位。方程(2)中而當X=56.72時Y=1,說明當NaOH加入量為56.72 g/m3時,能提升pH一個單位。方程(3)中當X=78.53時Y=1,說明當Ca(OH)2加入量為78.53 g/m3時,能提升pH一個單位。

        2.1.2? 化合物作用時間對海水pH值的影響

        從圖1可以看出,本實驗中三種化合物劑量為100 g/m3的情況下,隨著作用時間的增加,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,達到1.31個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。未加入化合物的對照組pH值穩(wěn)定在8.23~8.31。

        2.2? 三種化合物對海水堿度的影響

        2.2.1? 化合物使用劑量對海水堿度的影響

        加入不同劑量的化合物后,測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NaOH處理實驗組的堿度上升幅度最大,而Na2CO3處理實驗組的堿度上升幅度低于NaOH和Ca(OH)2。從圖3可以看出,三種化合物對海水堿度上升幅度和使用劑量正相關,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,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變量(Y,mmol/L),進行曲線擬合,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X=67.73時Y=1 mmol/L,說明在本實驗的條件下只有當加入的Na2CO3使用劑量為67.73 g/m3時,能提升堿度1 mmol/L。方程(5)中當X=49.75時Y=1 mmol/L,說明當加入的NaOH使用劑量為49.75 g/m3時,能提升堿度1 mmol/L。方程(6)中當X=52.63時Y=1 mmol/L,說明當加入的Ca(OH)2使用劑量為52.63 g/m3時,能提升堿度1 mmol/L。

        2.2.2? 化合物作用時間對海水堿度的影響

        從圖2可以看出,本實驗中三種化合物劑量為100 g/m3的情況下,隨著作用時間的增加,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。未加入化合物的對照組堿度穩(wěn)定在2.22~2.29 mmol/L。

        2.3? 三種化合物對海水硬度的影響

        加入不同劑量的化合物后,測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,海水中的硬度表現出下降趨勢,化合物使用劑量最高時(100 g/m3)降幅最大。化合物使用劑量100 g/m3時,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的加入對海水硬度影響幅度相對較小。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,實驗水體硬度提高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變量(Y,mmol/L),進行曲線擬合,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X=24.75時Y=1,說明在本實驗的水質條件下只有當加入的Na2CO3濃度為24.75 g/m3時,能降低硬度1 mmol/L。方程(8)中當X=12.24時Y=1,說明只有當加入的NaOH濃度為12.24 g/m3時,能降低硬度1 mmol/L。方程(9)中當X=8.38時Y=1,說明只有當加入的Ca(OH)2濃度為8.38 g/m3時,能提升硬度1 mmol/L。

        3? 討論

        3.1? NaOH對海水pH值、堿度和硬度的調節(jié)

        氫氧化鈉[NaOH]俗稱燒堿,分子量40,是一種強堿,為強電解質。溶于水即發(fā)生完全水解:NaOH=Na+ + OH-。本實驗中,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使用后隨著作用時間的延長,實驗水體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。這主要是由于本實驗模擬育苗生產,整個過程中水體微充氣,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: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,實驗水體的硬度表現出下降趨勢,化合物使用劑量最高時(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,生成難溶于水的氫氧化鎂:2HO- + Mg2+=Mg(HO)2。

        3.2? Na2CO3對海水pH值、堿度和硬度的調節(jié)

        碳酸鈉[Na2CO3]俗稱純堿、蘇打,分子量106,是一種強堿弱酸鹽,為強電解質。溶于水即發(fā)生水解反應:Na2CO3=2Na+ + CO3-,CO32- + H2O=HCO3- + OH-。本實驗中,三種化合物同等劑量的情況下,Na2CO3實驗組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,同時水分子(H2O)是弱電解質,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使用后隨著作用時間的延長,實驗水體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下降,這主要是由于Na2CO3電離出的碳酸根(CO32-)和鈣離子(Ca2+)結合,生產難溶于水的碳酸鈣(CaCO3)。然而又由于碳酸根(CO32-)可與水分子(H2O)結合轉化為碳酸氫根(HCO3-),導致Na2CO3處理組實驗水體硬度下降幅度低于NaOH,Na2CO3使用劑量最高時(100 g/m3)降幅為4.04%。

        3.3? Ca(OH)2對海水pH值、堿度和硬度的調節(jié)

        氫氧化鈣[Ca(OH)2]俗稱熟石灰、消石灰,分子量74,是一種強堿。Ca(OH)2微溶于水(25℃,0.155 g),本實驗中,Ca(OH)2最大使用劑量為100 g/m3,遠小于其溶解度,可以完全溶解。Ca(OH)2為弱電解質,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(金屬活動性鈣>鈉),然而由于Ca(OH)2為弱電解質,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。

        隨著作用時間的延長,Ca(OH)2處理組實驗水體pH值和堿度逐漸下降,但是其下降程度要比NaOH處理組要低。這主要是由于實驗水體中,二氧化碳和水體中氫氧根離子(OH-)發(fā)生反應:CO2 + OH-=HCO3-,引起水體氫氧根離子(OH-)減少,pH值和堿度逐漸降低;而溶解在實驗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,從而導致其pH值和堿度下降程度要比NaOH要低。

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

        本實驗結果表明,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Ca(OH)2還可以迅速提升水體硬度,價格低廉(0.5 元/kg),因此我們認為Ca(OH)2比較適合在生產上廣泛使用。當Ca(OH)2加入量為78.53 g/m3,能提高1個單位pH值;加入量為52.63 g/m3時能提高堿度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,對穩(wěn)定養(yǎng)殖水體酸堿度具有重要意義。然而,每增加一個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價格相對比較高(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間影響也最大,不利于維持海水pH值和堿度的穩(wěn)定。同時,NaOH使用后會產生較多的白色絮狀物[主要是Mg(OH)2],對海水硬度影響比較明顯,不適合在生產上使用。

        參考文獻

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        [5] 鄭振華,董雙林,田相利. pH不同處理時間的周期性變動對凡納濱對蝦生長的影響[J]. 中國海洋大學學報,2008,38(1):45-51.

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