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本文旨在利用基础科学的研究方法和成果,认识水的结构及常见理化因素对水结构的影响规律,为从水的结构出发讨论水质进行一些基础性探索和提供有用的科学依据。
通过文献调研确定采用17ONMR和Raman光谱进行研究。前者可以了解在10-8秒左右的时间内水结构的平均变化,后者可以了解10-12秒左右时间内水结构的瞬时变化,从而对常见理化因素对水的结构的影响有较全面的了解。利用17ONMR研究了温度与水的17O化学位移和半峰宽的影响,发现温度升高,水的17O化学位移和半峰宽都减少。但温度与水的17O化学位移呈线性关系,而与半峰宽的关系比较复杂。建立了17O化学位移与水的结构的关系,即:17O化学位移与水的结构成正比关系,化学位移增加,表明水的结构加强;化学位移减少,水的结构受到破坏。
研究了常见离子、简单混凝剂、酸碱及营养盐等与水质指标密切相关的物质对水的17O化学位移和半峰宽的变化规律;并研究了碱金属氯化物、碱土金属氯化物、卤化物及其它的物质对水的17O化学位移和半峰宽的影响。发现它们的浓度与水的17O化学位移呈线性关系,而与半峰宽的关系很复杂。并分析了它们对水结构的影响。认为17O化学位移是能比半峰宽更好地作为表征水的结构的参数。
在此基础上以NH4+为参照物计算了所研究的离子的摩尔化学位移,从中可以了解单个离子对水结构的影响。利用有关水的缔合度的理论研究成果和本研究中温度与水化学位移的关系计算出化学位移与水缔合度的关系为0.9/Hz。并计算了水中常见离子Na+、K+、Mg2+、Ca2+和Cl-、HCO3-、CO32-、SO42-对水缔合度的影响。发现Na+、K+、Mg2+对会导致水的缔合度减少,其它离子会导致水缔合度增加。
利用显微共聚焦拉曼光谱研究了温度、水中常见的电解质及碱金属氯化物、碱土金属氯化物、卤化物及其它的物质对水的拉曼光谱的影响,并利用拉曼光谱五组分模型进行了高斯分峰处理,讨论所研究物质对水的结构影响。
研究指出:所有所研究的离子都对水的四面体结构有破坏作用,离子对水结构的影响与离子电荷、离子半径、离子结构等因素有关。阳离子的离子半径对水的结构影响较小。阳离子导致3051cm-1组分的增强,3628cm-1减弱,离子电荷密度越大,这种作用越强。阴离子对水的结构影响较大。能够和水形成强氢键的阴离子,对水的四面体结构影响相对较小。这些离子还会使水的拉曼光谱的3051、3628cm-1组分增强。
提出了离子与水作用的“离子的空间与静电作用”模型,认为离子在水中通过两种方式与水作用,其一是空间上的作用,其二是离子电场的作用。这两种作用都存在促进与破坏水的结构的行为。“离子的空间与静电作用”模型能够很好的解释了17O-NMR和拉曼光谱研究中所得出的离子对水结构影响规律。