三种化合物对海水pH值、碱度和硬度的调节效果比较

王充

摘要：本实验选用Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2三种化合物作为水质调节剂，进行海水pH值、碱度和硬度的调节实验，通过比较不同化合物的调节效果，筛选出对pH值、碱度和硬度具有良好调节效果且经济的化合物，为水产养殖生产的水质调控提供参考依据。实验结果表明：Ca（OH）2提高pH值、碱度和硬度效果比较理想。每增加1个pH单位需使用Ca（OH）2 78.53 g/m3;而提升碱度1 mmol/L，需使用Ca（OH）2 52.63 g/m3。Na2CO3提升pH值和碱度的能力比较低，必须高剂量使用，每增加1个pH单位需使用Na2CO3 196.84 g/m3，而且Na2CO3价格相对比较高，不适合作为提高pH和碱度的试剂。NaOH虽然能迅速提高pH和碱度，但是随着作用时间的延长，效果不如Ca（OH）2。NaOH使用剂量为100 g/m3时，水体硬度下降7.74%。

关键词：Na2CO3;NaOH;Ca（OH）2;pH值;碱度;硬度;海水

中图分类号：S959       文獻标识码：B

1  材料与方法

1.1  实验对象选择

实验于2020年7月到2020年9月在海南昱海蓝科生物科技有限公司翁田育苗基地进行。天然海水经过24h沉淀、砂滤后作为实验海水。分别采用碳酸钠[Na2CO3]、氢氧化钠[NaOH]和氢氧化钙[Ca（OH）2]三种化合物进行海水pH值、碱度和硬度的调节实验。

1.2  实验材料

1.2.1  实验试剂

工业碳酸钠[Na2CO3]（山东海化，2.4元/kg）、工业氢氧化钠[NaOH]（天津银桥，3.0元/kg）和农用熟石灰[氢氧化钙，Ca（OH）2]（广州拓羽，0.5元/kg）;邻苯二钾酸氢钾（KHC8H4O4）标准缓冲溶液（pH=6.86，25℃），磷酸二氢钾（KH2PO4，0.25 mmol/L）和磷酸氢二钠（Na2HPO4，0.25 mmol/L）混合标准缓冲溶液（pH=6.86，25℃）、四硼酸钠（Na2B4O7）标准缓冲溶液（pH=9.18，25℃）、甲基红-次甲基蓝混合指示剂、EDTA二钠标准溶液、氨性缓冲溶液、铬黑T指示剂、HCl溶液（1+1）、氨水（1+1）、标准锌溶液。

1.2.2  实验仪器

分析天平（LA230S，Sartorius）、pHS-3C型酸度计、盐度计、可见分光光度计（722S，上海棱光）、振荡摇床（ZD-9560，太仓华利达）、温度计等。

1.3  实验设计

实验根据化合物种类的不同设置为三个批次进行。结合生产上各种实验材料的用量，每一种化合物设置6个剂量梯度（0 g/m3、20 g/m3、40 g/m3、60 g/m3、80 g/m3、100 g/m3），每一剂量梯度设2个重复。将12个塑料桶（60 L）分成6组，分别加入实验用水40 L;加入不同剂量的化合物，充分搅匀，微充气，待化合物在水中完全溶解后，分别从不同梯度组中取水样测定其pH值、碱度和硬度，进行化合物剂量对海水pH值、碱度和硬度影响效果分析。每隔8 h测定一次，连续监测3天，进行化合物作用时间对海水pH值、碱度和硬度的影响效果分析。实验期间海水盐度30‰～33‰，水温变化范围为27.0℃～29.5℃。

1.4  实验数据的处理与分析

采用Excel 2003对不同剂量Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2使用后的作用效果进行线性回归分析。

2  结果与分析

2.1  三种化合物对海水pH值的影响

2.1.1  化合物剂量对海水pH值的影响

不同剂量的化合物对海水pH值的影响。三种化合物对海水pH值上升的幅度和使用剂量呈正相关。化合物剂量相同时，pH值上升幅度从高到底依次为NaOH>Ca（OH）2>Na2CO3，说明NaOH和Ca（OH）2有较强的提高海水pH值能力，而海水中加入Na2CO3后pH值上升幅度比较小。化合物剂量为100 g/m3时，Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2处理组pH值上升幅度分别为：0.49，1.54和1.16。以加入海水中Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2的剂量为自变量（X，g/m3），以化合物溶解后提升海水pH值的幅度为应变量（Y），进行曲线拟合，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）中当X=196.84时Y=1，说明在本实验的条件下当Na2CO3加入量为196.84 g/m3时，能提升pH一个单位。方程（2）中而当X=56.72时Y=1，说明当NaOH加入量为56.72 g/m3时，能提升pH一个单位。方程（3）中当X=78.53时Y=1，说明当Ca（OH）2加入量为78.53 g/m3时，能提升pH一个单位。

2.1.2  化合物作用时间对海水pH值的影响

从图1可以看出，本实验中三种化合物剂量为100 g/m3的情况下，随着作用时间的增加，pH值逐渐降低。化合物作用8 h后，NaOH处理组的pH值由9.77下降至9.26，Ca（OH）2处理组的pH值由9.39下降至9.13;而Na2CO3处理组pH值由8.73下降至8.64。化合物作用72 h后，NaOH、Ca（OH）2和Na2CO3处理组pH值分别下降至8.46、8.54和8.42。其中，NaOH处理组pH值下降幅度最大，达到1.31个pH值单位;其次是Ca（OH）2处理组，为0.85;Na2CO3处理组的pH值下降幅度最小，仅为0.31。未加入化合物的对照组pH值稳定在8.23～8.31。

2.2  三种化合物对海水碱度的影响

2.2.1  化合物使用剂量对海水碱度的影响

加入不同剂量的化合物后，测得各处理组中碱度的变化情况。海水中加入Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2后碱度有明显的变化，经NaOH处理实验组的碱度上升幅度最大，而Na2CO3处理实验组的碱度上升幅度低于NaOH和Ca（OH）2。从图3可以看出，三种化合物对海水碱度上升幅度和使用剂量正相关，碱度上升幅度从高到底依次为NaOH>Ca（OH）2>Na2CO3。化合物剂量为100 g/m3时，Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2处理组碱度上升幅度分别为：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的剂量为自变量（X，g/m3），以化合物溶解后提升海水碱度幅度为应变量（Y，mmol/L），进行曲线拟合，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）中当X=67.73时Y=1 mmol/L，说明在本实验的条件下只有当加入的Na2CO3使用剂量为67.73 g/m3时，能提升碱度1 mmol/L。方程（5）中当X=49.75时Y=1 mmol/L，说明当加入的NaOH使用剂量为49.75 g/m3时，能提升碱度1 mmol/L。方程（6）中当X=52.63时Y=1 mmol/L，说明当加入的Ca（OH）2使用剂量为52.63 g/m3时，能提升碱度1 mmol/L。

2.2.2  化合物作用时间对海水碱度的影响

从图2可以看出，本实验中三种化合物剂量为100 g/m3的情况下，随着作用时间的增加，海水碱度逐渐降低。化合物作用8 h后，NaOH处理组的碱度由4.15 mmol/L下降至3.43 mmol/L，Ca（OH）2处理组碱度由4.11 mmol/L下降至3.55 mmol/L;而Na2CO3处理组碱度由3.84 mmol/L下降至3.35 mmol/L。化合物作用72 h后，NaOH、Ca（OH）2和Na2CO3处理组碱度分别下降至2.49 mmol/L、2.57 mmol/L和2.45 mmol/L。其中，NaOH处理组碱度下降幅度最大，达到1.66mmol/L;其次是Ca（OH）2处理组，为1.54 mmol/L;Na2CO3处理组的碱度下降幅度最小，仅为1.39 mmol/L。未加入化合物的对照组碱度稳定在2.22～2.29 mmol/L。

2.3  三種化合物对海水硬度的影响

加入不同剂量的化合物后，测得各处理组中硬度的变化情况。随着Na2CO3和NaOH使用剂量的升高，海水中的硬度表现出下降趋势，化合物使用剂量最高时（100 g/m3）降幅最大。化合物使用剂量100 g/m3时，NaOH处理组下降的幅度为7.74%，而Na2CO3处理组降幅较小仅为4.04%。由于海水中的硬度很大，NaOH和Na2CO3的加入对海水硬度影响幅度相对较小。Ca（OH）2可显著提升水体的硬度，Ca（OH）2使用剂量为100 g/m3时，实验水体硬度提高18.43%。

以加入海水中Na2CO3、NaOH和Ca（OH）2的剂量为自变量（X，g/m3），以化合物溶解后提升海水硬度为应变量（Y，mmol/L），进行曲线拟合，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）中当X=24.75时Y=1，说明在本实验的水质条件下只有当加入的Na2CO3浓度为24.75 g/m3时，能降低硬度1 mmol/L。方程（8）中当X=12.24时Y=1，说明只有当加入的NaOH浓度为12.24 g/m3时，能降低硬度1 mmol/L。方程（9）中当X=8.38时Y=1，说明只有当加入的Ca（OH）2浓度为8.38 g/m3时，能提升硬度1 mmol/L。

3  讨论

3.1  NaOH对海水pH值、碱度和硬度的调节

氢氧化钠[NaOH]俗称烧碱，分子量40，是一种强碱，为强电解质。溶于水即发生完全水解：NaOH=Na+ + OH-。本实验中，三种化合物在相同使用剂量的情况下，NaOH处理组pH值和碱度的增加幅度最大，pH值增加了1.54个单位，碱度增加了1.93 mmol/L，效果明显大于Na2CO3处理组和Ca（OH）2处理组。

然而，NaOH使用后随着作用时间的延长，实验水体pH值和碱度逐渐下降。72 h后，NaOH处理组pH值下降1.31;碱度下降1.66 mmol/L。这主要是由于本实验模拟育苗生产，整个过程中水体微充气，空气中的二氧化碳（CO2）和水体中NaOH电离出的氢氧根离子（OH-）发生反应：CO3+OH-=HCO3-，引起水体氢氧根离子（OH-）减少。

随着NaOH使用剂量的升高，实验水体的硬度表现出下降趋势，化合物使用剂量最高时（100 g/m3）降幅最大，为7.74%。这主要是由于NaOH电离出的氢氧根离子（OH-）可与镁离子（Mg2+）发生反应，生成难溶于水的氢氧化镁：2HO- + Mg2+=Mg（HO）2。

3.2  Na2CO3对海水pH值、碱度和硬度的调节

碳酸钠[Na2CO3]俗称纯碱、苏打，分子量106，是一种强碱弱酸盐，为强电解质。溶于水即发生水解反应：Na2CO3=2Na+ + CO3-，CO32- + H2O=HCO3- + OH-。本实验中，三种化合物同等剂量的情况下，Na2CO3实验组pH值和碱度增加幅度比NaOH明显要小，这主要是由于Na2CO3分子量比较大，同时水分子（H2O）是弱电解质，不能完全电离，海水仍有部分碳酸根离子（CO32-）存在。

同NaOH相似，Na2CO3使用后随着作用时间的延长，实验水体pH值和碱度逐渐下降，然而其下降程度要比NaOH要低。碳酸钠电离后与水分子（H2O）发生反应生成碳酸氢根离子（HCO3-）：CO32- + H2O=HCO3- + OH-，而碳酸氢根离子（HCO3-）具有稳定水体酸碱度的能力，即具有一定缓冲性：HCO3- + H+=H2CO3，HCO3- + OH-=CO32-+ H2O。因此，Na2CO3的使用对稳定水体pH值具有重要作用。

随Na2CO3使用剂量的升高海水中的硬度出现下降，这主要是由于Na2CO3电离出的碳酸根（CO32-）和钙离子（Ca2+）结合，生产难溶于水的碳酸钙（CaCO3）。然而又由于碳酸根（CO32-）可与水分子（H2O）结合转化为碳酸氢根（HCO3-），导致Na2CO3处理组实验水体硬度下降幅度低于NaOH，Na2CO3使用剂量最高时（100 g/m3）降幅为4.04%。

3.3  Ca（OH）2对海水pH值、碱度和硬度的调节

氢氧化钙[Ca（OH）2]俗称熟石灰、消石灰，分子量74，是一种强碱。Ca（OH）2微溶于水（25℃，0.155 g），本实验中，Ca（OH）2最大使用剂量为100 g/m3，远小于其溶解度，可以完全溶解。Ca（OH）2为弱电解质，可在水中发生不完全电离：Ca（OH）2=Ca2+ + 2OH-，提高水体硬度。

Ca（OH）2的碱性比NaOH强（金属活动性钙>钠），然而由于Ca（OH）2为弱电解质，虽能完全溶解，但尚未完全电离，因此Ca（OH）2处理组pH值和碱度的增加幅度均小于比NaOH。

随着作用时间的延长，Ca（OH）2处理组实验水体pH值和碱度逐渐下降，但是其下降程度要比NaOH处理组要低。這主要是由于实验水体中，二氧化碳和水体中氢氧根离子（OH-）发生反应：CO2 + OH-=HCO3-，引起水体氢氧根离子（OH-）减少，pH值和碱度逐渐降低;而溶解在实验水体中未被完全电离的Ca（OH）2因氢氧根离子的减少而增加电解程度，从而导致其pH值和碱度下降程度要比NaOH要低。

3.4  三种化合物对海水pH值、碱度和硬度的调节效果比较

本实验结果表明，Ca（OH）2可以迅速提升海水pH值、碱度，稳定性好、作用效果持久，72 h后Ca（OH）2处理组最终pH值和碱度均高于NaOH和Na2CO3。同时Ca（OH）2还可以迅速提升水体硬度，价格低廉（0.5 元/kg），因此我们认为Ca（OH）2比较适合在生产上广泛使用。当Ca（OH）2加入量为78.53 g/m3，能提高1个单位pH值;加入量为52.63 g/m3时能提高碱度1 mmol/L。Na2CO3虽然可以提升海水pH值和碱度，并具有一定缓冲性，对稳定养殖水体酸碱度具有重要意义。然而，每增加一个pH值单位需使用Na2CO3 196.84 g/m3，使用剂量是Ca（OH）2的2.51倍，并且Na2CO3价格相对比较高（2.4元/kg）。NaOH瞬间提升pH值和碱度效果比Ca（OH）2和Na2CO3好，但是其效果受作用时间影响也最大，不利于维持海水pH值和碱度的稳定。同时，NaOH使用后会产生较多的白色絮状物[主要是Mg（OH）2]，对海水硬度影响比较明显，不适合在生产上使用。

参考文献

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