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第三章 天然水的气—液溶解作用 第一节 气—液溶解基本理论 一、双膜理论 气体溶解速率的“双膜理论”认为：在气、液界面两侧，分别存在稳定的气膜和液膜，即使气相、液相呈湍流状态，这两层膜内仍然保持层流状态(层流是指流体质点的运动迹线相互平行、有条不紊的流动。湍流是指流体质点的运动迹线极其紊乱，流向随时改变的一种流动。无论以何种方式扰动气体或液体，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4个步骤（图3-1）： 气相主体 P2 (湍流区) P2 ___________________________ 气膜顶面 气膜 P1 ___________________________ 气液界面 液膜 C1 ___________________________ 液膜底面 液相主体 C2 (湍流区) C2 图3-1 气体向液体溶解示意图 也就是气体通过以下4个过程溶入液体： 靠湍流从气体主体内部达到气膜 靠扩散穿过气膜到达气—液界面，并溶于液相 靠扩散穿过液膜 靠湍流离开液膜进入液相内部 当气体分子在气相主体与液相主体中迁移时，靠的是湍流，运动速度快，混合均匀，可认为在气相主体与液相主体中都不存在浓度梯度。而在气膜和液膜内只存在层流，气体分子只能靠扩散通过。 据扩散定律（通过截面积A的扩散速率dG/dt与被扩散物质的浓度梯度dc/dl成正比）,空气中的氧气进入水体表面的液相界面膜的扩散速率与界面膜中溶解氧的浓度梯度的关系为： 　＝　 这是假定气体到达界面后瞬间即能达到溶解平衡，并符合亨利定律关系。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。 二、溶解度及其影响因素 1、气体在水中的溶解度 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。用毫升来表示时是指标准状态下(0℃、101.3kPa )的体积。对于难溶气体，由于溶入水中的气体量很少，不会显著改变水的体积，1L纯水溶解的气体的毫克数也可以看作就是溶解了气体后的1L水中所含该气体的毫克数。对于易溶气体，水中溶解大量气体后，体积有较大的变化，就不能把溶解度与浓度等同起来了。空气中含量较高的氮气和氧气在水中的溶解度都不大，可以不考虑溶解气体后水的体积的改变。 2、影响气体在水中溶解度的因素 气体在水中溶解度，首先取决于气体本身的性质。通常极性分子气体在水中的溶解度大，非极性分子气体在水中的溶解度小；能与水发生化学作用的气体溶解度大，不能与水发生化学作用的气体溶解度小。例如NH3、HCl在水中的溶解度就很大，而N2、H2、O2在水中的溶解度就很小。表3-1列出了部分气体压强为101.3kPa时在水中的溶解度。 表3-1各种气体压强为101.3kPa时在纯水中的溶解度(ml/L) 温度（℃） 0 10 20 30 O2 49.22 38.42 31.45 26.73 N2 23.59 18.95 15.98 13.98 Ar 57.8 45.3 37.9 32.6 He 9.7 9.9 9.9 10.0 Nr 11.4 11.8 14.7 15.4 Kr 110.5 81.0 62.5 50.9 Xe 242 174 123 98 CO2 1713 1194 878 665 H2 24.48 19.55 18.19 16.99 CH4 55.63 41.77 33.08 27.62 除气体本身的性质外，影响气体在水中溶解度的因素还有水的温度、含盐量和气体的分压力。 ⑴、温度 随着温度升高气体在水中的溶解度降低。表3-1列出了各种气体为101.3kPa 时于纯水中的溶解度。从表中可以看出气体在水中的溶解度随着水温的升高而下降。 ⑵、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。 海水的含盐量很高，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。因而氧气在大洋海水中的溶解度大约只有在淡水中的80~82%。对于淡水来说含盐量低，且变化幅度很小，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。 ⑶、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