液冷：水化学的基础知识

引言

弗吉尼亚理工大学的一项研究表明，数据中心位居美国十大耗水行业之列，2018 年用水量约为 5.13 亿立方米。研究人员表示，一个大型数据中心每天可以消耗 100 万至 500 万加仑的水，相当于一个拥有 10,000 至 50,000 人的城镇的用水量。

水的高热容量和高导热性使其成为数据中心冷却的绝佳选择，但如何精准利用水，关注水资源的有效循环和节省利用，成为数据中心业者思考的重大问题。下面，让我们从了解水化学的基础知识开始：

水资源

水是我们最重要的资源之一。所有动植物的生命都离不开它。因此，地球 70% 的面积被水覆盖也就不足为奇了。地球上有 326 立方英里的水。然而，97% 的水供应都包含在含盐的海洋中。只有 3% 的水是淡水。而在淡水供应总量中，有 90% 封存在南极洲和格陵兰岛的冰盖和冰川中。从这个角度来看，淡水供应是一种宝贵的商品。

美国人每人每天的家庭用水量约为 70 加仑。然而，工业和商业用水量最大。制造工厂每天用水约 1400 亿加仑。幸运的是，这些水只有 2% 被消耗掉，其余的 98% 都作为工业废水返回到水源中。生产一吨钢大约需要 270 吨水，生产一吨纸大约需要 250 吨水，提炼一加仑汽油大约需要 10 加仑水。

在本节 "水化学基础 "中，我们将回顾以下内容：

水作为一种资源

典型工业水源

基本水质分析

报告水质分析结果的方法

水化学术语

酸和碱

pH

电导率

光学和电子光谱学

典型工业水源

工业用水来自地表水、地下水和市政供水。地表水来自溪流、池塘、湖泊和水库。地下水来自水井、矿井和泉水。与地表水相比，地下水通常含有更高浓度的溶解物，因为地下水已渗入岩石和土壤层。在流经地下时，会将矿物质沉积溶解到水中。然而，由于地下水的过滤作用，地下水的悬浮物质含量低于地表水。相比之下，地表水的悬浮物、颜色和径流污染物含量较高。

地下水的化学特性受周围地层地质的影响。这些地层包括石灰石（碳酸钙）、砂岩（二氧化硅）和石膏（硫酸镁）。地下水还可能含有铁、锰、硫酸盐还原菌和铁细菌。

地壳上层含有残留的植物和动物物质，以及细菌和其他微生物。因此，地表水中含有一些有机物和微生物。地表水的成分会因降雨和污染而迅速变化。地表水中最麻烦的杂质是胶体物质。这是通常不溶于水的物质的极小颗粒，如悬浮的二氧化硅、氧化铝和铁的水合氧化物。要清除水中的这些杂质，需要进行混凝、沉淀和过滤。

气味和味道通常来自硫化物、微生物或工业污染。颜色则来自天然有机污染物，如木质素、腐殖酸和单宁酸。

微生物包括细菌、藻类、淤泥、硅藻、原生动物和软体动物。这些微生物是造成供水和冷却水系统沉积和腐蚀的原因。

市政当局从地表水和地下水中取水。例如，芝加哥市在密歇根湖畔运营着世界上最大的净水厂。它每天处理超过 17.5 亿加仑的水。典型的市政处理包括过滤以去除悬浮固体和氯化以杀死有害细菌。其他处理还包括控制腐蚀的锌和磷酸盐以及减少龋齿的氟化处理。

基本水质分析

普通人根据水的味道、颜色和气味来判断水的质量。如果自来水口感好、无色无味，就可以认为水质 "良好"，适合人类饮用。工业或商业用水的水质也必须合格。然而，正如我们所看到的，除了味道、颜色和气味之外，还需要了解更多有关水质的信息。水会在换热设备中形成水垢吗？是否会导致系统金属腐蚀？或者水中是否含有会污染工厂设备的微生物？要回答这些问题，我们需要了解基本的水质分析和化学知识。

以下是典型的水质分析数据示例：

◆硬度关系

硬度是指水中的钙和镁含量。我们之所以关注水的硬度，是因为这些杂质会导致设备结垢。在本例中，钙硬度为 90 ppm，镁硬度为 52 ppm。综合硬度或总硬度为 142 ppm。

在实际操作中，总硬度是通过直接滴定 EDTA 标准溶液来测量的。钙硬度也通过直接滴定法测定。镁硬度是根据总硬度和钙硬度之差计算得出的。

◆碱度关系

水的碱度定义为碳酸氢盐 (HCO3)、碳酸盐 (CO3) 和氢氧化物 (OH) 浓度的总和。在实际操作中，碱度的测定方法是用 N/50 硫酸滴定 pH 值为 8.3 的酚酞或 "P "碱度终点和 pH 值为 4.3 的甲基紫（或甲基橙）指示剂终点。P 碱度和 M 碱度已在水质分析报告中标明。根据下图所示的关系，这些信息可用于计算比碱度。

在我们的例子中，P 碱度为零，因此所有碱度都以碳酸氢盐碱度的形式存在，等于 M。可能只有碳酸氢盐、碳酸氢盐和碳酸盐、只有碳酸盐（极少出现）、碳酸盐和氢氧化物或只有氢氧化物。换句话说，P 碱度是衡量所有氢氧化物和 ½ 个碳酸盐的指标。M 碱度测量所有的氢氧化物、碳酸盐和重碳酸盐，因此 M 碱度被称为总碱度。

报告水质分析结果的方法

◆测量单位

水质分析结果有多种表达方式。最精确的是单位体积内的重量，如每升毫克（mg/l）或每加仑粒数。精度较低的测量单位是百万分率 (ppm) 或十亿分率 (ppb)，它们可以与重量或体积相关。在水分析中，一升重 1000 克，因此毫克/升和百万分之几可以互换使用。

一些城市仍在使用较早的 "每加仑粒数 "这一名称，它通常用于离子交换计算。每加仑 1 粒等于 17.12 ppm。

◆实用换算系数

每加仑粒数 x 17.12 = ppm（或 mg/l）

每加仑粒数 x 142.86 = 每百万磅磅数

美制加仑 x 1.2 = 英制加仑

1 克 = 15.43 粒

1 磅 = 7000 谷 = 453.6 克

1 加仑 = 3.785 升

1 立方英尺水 = 7.48 美制加仑

每 1000 加仑 1 磅 = 120 ppm

水化学术语

溶解在水中的物质会形成带电物种，称为离子。离子的基本组成元素是原子。每种原子都有自己的原子量，在与其他原子发生化学结合时保持不变。当一个以上的原子结合在一起时，产生的物质称为分子。

◆电离、阳离子和阴离子

当盐和其他无机化合物溶解在水中时，它们不再以化合物的形式存在。相反，它们会解离（分解）成带正电或负电的离子，从而传导电流。水的导电率是溶解离子含量的指标，导电率越高，说明溶解固体含量越高。

通过将电源与两个电极和一个灯泡串联，可以很容易地演示离子的存在、离子传导电流的能力以及溶液中盐浓度增加的影响。当电极浸入蒸馏水中时，几乎没有电流。但是，如果加入盐（如氯化钠），分子就会离解成带正电和负电的离子，从而传导电流，电灯泡就会发光。增加盐的含量会使灯更亮，因为导电能力是电解质总含量的函数。某些气体，如氨气和二氧化碳，也会在溶液中产生导电离子。

如果将放置在可电离物质溶液中的两块金属带分别连接到电池的正负极，那么进入负极（阴极）的离子就是正离子。正离子称为阳离子。带负电荷的离子称为阴离子，因为它们会被吸引到正极（阳极）。镁、钙、钠、铝和铁离子被吸引到负极阴极，因此是阳离子。碳酸根离子、硫酸根离子和氯离子被正极吸引，因此是阴离子。

化合物的原子和分子通过离子上的正负电荷的吸引力结合在一起。有些原子只带一个正电荷或负电荷，例如钠只带一个正电荷，氯只带一个负电荷。钙带有两个正电荷，碳酸盐带有两个负电荷。原子相互结合以保持化合物的电中性。因此，带两个正电荷的钙会与一个带两个负电荷的碳酸根离子或两个带一个负电荷的氯离子结合或连接在一起。这些化学键或连接称为化合价。化合价是指原子或分子上所带的正电荷或负电荷。

每个原子都有特定的原子量。原子结合在一起形成分子时，会产生具有特定分子量的物质。物质的当量是指原子量或分子量与化合价之间的关系。等效重量是分子量除以化合价。例如，氧带有两个负电荷，原子量为 16。分子量或 16 除以化合价 2 得到等效重量为 8。

碳酸钙（CaCO3）的分子量为 100。当碳酸钙溶于水时，会形成钙（Ca+2）和碳酸盐（CO3-2）。其化合价为 2，因此等价物是 100 除以 2 或 50。

由于使用分子量 100 和等效重量 50 比较方便，碳酸钙被广泛用作水化学中等效重量的参考基 础。用 CaCO3 表示的任何物质的浓度都是通过将找到的该物质的当量数乘以 50（碳酸钙的等效重 量）得出的。将原子或分子的浓度毫克/升（或 ppm）除以等效重量，即可得出任何物质的等效数。例如，镁（Mg+2）的原子量为 24.3，等效重量为 12.15。如果水样中含有 48.6 毫克/升的镁，那么就有 48.6/12.15=4 个等量的镁。用碳酸钙（CaCO3）表示的镁浓度是 4.0 等量乘以 50，即碳酸钙的等量重量。以碳酸钙表示的镁浓度为 200 毫克/升。

当量重量是评估水分析准确性的有用依据。在任何正确平衡的水分析中，当阳离子（带正电荷）和阴离子都以当量表示时，阳离子（带正电荷）必须等于阴离子（带负电荷）。要计算当量数，可将物质的浓度（毫克/升）除以当量重量。因此，以钙离子表示的 80 毫克/升的钙除以钙的等量重量（20）得到 4 个等量。以碳酸钙表示的钙浓度为 4 个等量乘以碳酸钙的等量重量 50，即碳酸钙浓度为 200 毫克/升。用这种方法将水分析中列出的所有阳离子和阴离子转换为当量。如果分析结果偏差超过 10%，请检查分析中是否有错误或遗漏。

酸和碱

酸是指任何在溶液中解离产生氢离子（H+）的化合物。碱是指任何在溶液中产生羟基离子（OH-）的化合物。强酸在溶液中产生的氢离子比弱酸多。同样，强碱比弱碱产生更多的羟基离子。

当酸与碱反应时，会生成水和盐。例如，硫酸（H2SO4）加入氢氧化钠（NaOH）会生成硫酸钠（Na2SO4）和水（H2O）。硫酸钠再溶解时会形成两个钠离子（Na+）和一个硫酸根（SO4-2）

所有无机酸都是氢离子和中性盐的组合。硝酸（HNO3）、盐酸（HCl）和硫酸（H2SO4）就是例子。

pH

水解离或电离形成 [H+] 离子和 [OH-] 离子。氢离子在酸碱滴定、沉淀反应和氧化还原平衡等许多化学反应中发挥着重要作用。此外，氢离子还会影响系统金属的腐蚀速率，决定水垢沉积的可能性，并影响废水排放对环境的影响。

在平衡状态下，氢离子浓度乘以氢氧根离子浓度是一个恒定值，称为解离常数。对于水来说，解离常数 K 是 10-14。(10-14 是 0.000 000 000 01 或 1 的科学记数法，小数点后保留 14 位）。解离方程式表示为

如果氢离子浓度为 10-7，则 OH 浓度必须为 10-7 以维持解离常数 K。如果氢离子浓度增加到 10-5，则 OH 浓度降低到 10-9。

用 10-7 或 0.000 000 1 来表示氢离子和羟基离子的浓度非常麻烦。这样，10-7 的负对数就变成了 7。氢离子浓度负对数的缩写就是 pH 值。同样，羟基离子浓度的负对数是 pOH。

pH 值以 0 到 14 的范围表示。pH 值 7 是范围的中点，表示中性。pH 值降低时，氢离子浓度增加，溶液的酸性增强。随着 pH 值的升高，氢离子浓度降低，溶液的酸性降低或碱性增强。

如 pH 值对数标度所示，pH 值变化 1 个单位代表氢离子浓度增加或减少 10 倍。两个单位的变化则代表 100 倍的变化。这些变化是由水中添加酸和碱引起的。理论上，纯水（如蒸馏水或去离子水）的 pH 值为 7.0。然而，二氧化碳气体会导致 pH 值变为 6.5 或更低。其他杂质也会对 pH 值产生或大或小的影响。

在天然水中，二氧化碳/碳酸盐/碳酸氢盐的碱度平衡决定并控制着水的 pH 值。在水化学中，这种平衡被测量并报告为 P 碱度和 M 碱度。溶液的 pH 值仅定义与 [H+] 和 [OH-] 离子有关的酸碱度，而不涉及溶液中酸或碱的总量。同样，用滴定法测定溶液的总碱度或酸度也不一定能反映酸度或碱度。因此，P 碱度和 M 碱度与 pH 值之间没有直接的数学关系。

◆测量 pH 值

酚酞和甲基紫等颜色指示剂会随着 pH 值的变化而发生明显的颜色变化。pH 指示剂溶液可用于测定缓冲水中的 pH 值，准确度相当高。在样品中加入少量指示剂，然后将结果颜色与一组已知标准进行比较。最接近的颜色匹配值就是测试溶液的 pH 值。

实验室通常使用 pH 计来测量 pH 值。简单地说，pH 计是一种毫伏计，用于测量 pH 玻璃电极和饱和甘汞参比电极对之间的电位差。毫伏 (mV) 信号与 pH 值呈线性关系，如下式所示。

在 25℃ 的理想条件下，pH 值为 7.000 时 mV 信号为 0。然而，现实生活中的电极产生的信号并不完美，在 pH 值 6.2 到 7.8 的范围内，mV = 0，斜率比 59.16 低 8%。因此，必须使用适当的 pH 标准校准 pH 计，以确定特定 pH 计和电极对的精确斜率和截距。

电导率

溶解离子能传导电流。电导率或比电导率是衡量水传导电流能力的标准。溶液中的溶解离子越多，电导率就越高，反之亦然。

测量电导率的基本单位是 mho，现在通常称为 siemen。(西门子一词是为了纪念 19 世纪的电镀工人和实业家维尔纳-冯-西门子和威廉-西门子爵士两兄弟）。1 mho 相当于 1 siemen。比电导是电阻的倒数，以欧姆为单位。

对于大多数水分析工作来说，mho 值太大。因此，电导率以微西门子或毫西门子为单位报告。1 西门子 = 1000 毫西门子 = 1,000,000 微西门子。由于绝对纯净的水中没有溶解离子，因此电导率非常低，电阻非常高。高纯水的电导率为 0.055 微西门子/厘米。举例来说，芝加哥饮用水的电导率约为 300 微西门子/厘米，海水的电导率为 53,000 微西门子/厘米。

在这些低范围内报告高纯度水的电导率值非常麻烦。因此，去矿物质水的纯度通常以电阻率为单位进行报告。电阻率是电导率的倒数，报告单位为兆欧/厘米。1 兆欧等于 100 万欧姆。

◆测量电导率

测量电导率的方法是在浸入测试溶液的两个电导电极（板）上施加电势。电导率是根据该电导池内产生的电压和电流确定的。

这种方法测量的电导率受电池几何形状的影响。电极的尺寸和间距会影响电流。因此，使用比电导率来定义测试溶液的电导率。这样可以使电导率测量标准化，并补偿样品池几何形状的任何差异。

将测得的电导率乘以电池常数，即可确定比电导率。电池常数的计算方法是用电极间的距离长度（L）除以电极面积（A）。该值由探头制造商提供。

比电导率 = 测量电导率 x L/A

电导率受样品温度的影响。这些温度影响因测试溶液的类型而异。许多电导率仪都有自动温度补偿电路，可将读数参照 25℃ 的标准温度。

◆电导率/TDS 关系

电导率测量通常用于估算水中的总溶解固体含量。但样品中离子的浓度和活性会影响溶液的比电导率。如果测试溶液主要是氯化钠（NaCl），则总溶解固体含量将是比电导率的 50%。但如果水样由氯化物、碳酸氢盐和硫酸盐混合而成，则 TDS 将占电导率的 65% 到 80%。有不同类型的电导率标准可用于校准电导率计。通常使用氯化钠和氯化钾标准溶液，或 40% 硫酸钠、40% 碳酸氢钠和 20% 氯化钠的混合物。后者被称为 "442 溶液"。将比电导乘以 0.50 即可得出氯化钠溶液的 TDS。乘以 0.65 即可得出 442 溶液的 TDS。对于大多数水分析工作而言，0.65 的换算系数似乎是合适的。对于含有高传导性氢氧化碱的未中和锅炉水，该系数约为 0.5。

比色试验

某些水中的杂质会与特定的检测试剂发生反应，产生明显的颜色。例如，氯会与 DPD 试剂发生反应，产生特有的品红色。颜色的深浅与氯的浓度成正比，即氯浓度越高，颜色越深。同样的原理也可用于测定许多其他离子的浓度，包括铁、硅、钼、锰、磷酸盐、锌等。

样品颜色的强度是通过目测将测试样品的颜色与一系列标准进行比较来测量的。有各种测试设备可以完成这项任务。它们由色轮和比较块组成，可使样品与正确标准的匹配简单而准确。这些测试套件包括进行特定测试所需的所有试剂，以及获得准确结果的详细说明。

有些人很难将样品的颜色与标准相匹配。如果您是色盲，情况尤其如此。如果是这种情况，或者需要更精确、更准确的测量，可以使用光度计（有时称为光电色度计，或简称色度计）以电子方式测量颜色强度。这种仪器可用于吸收和发射测量，具体取决于测试方法。

用于光谱测量的其他仪器包括分光光度计。这些仪器提供多种测试方法，由制造商预先编程，并包含所有必要的测试试剂，以获得快速、可靠和准确的测量结果。

选择光学比色计、光度计或分光光度计的标准取决于被测物质、所需的精度和准确度水平以及技术人员的技能水平。在某些情况下，环保局会规定取样和测试所需的测试方法。制造商或顾问可提供进一步的指导。

总结

确定工业用水的水质不仅限于颜色、气味和味道。主要杂质包括硬度、碱度、特定阳离子和阴离子、pH 值和电导率。

分析水样的杂质含量是确定水样是否适用于预期用途的第一步。幸运的是，滴定管、pH 计、电导率计、比色计和电子光谱仪等测试设备使这项工作变得更加容易。只要稍加练习，任何人都可以通过这些简单的程序获得准确可靠的水质数据。

来源：William Harfst