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一文大起底总碱度，绝对超级干货！
总碱度——1
水体中的碱度来源于空气二氧化碳和溶解的碳酸盐矿物（主要来自石灰石和白云石）。
我们假设在大气中水蒸气刚形成水滴时，水是纯的，有部分水分子电离：
H2O→H+OH
并且[H][OH]=kW（kW≈10^-14）
则水中只有H离子和OH离子，并且：
[H]=[OH]，
（很明显，[H]=kW^1/2，所以纯水的pH是中性的，-logH=-1/2logkW=7)
当雨水与空气中的二氧化碳接触后，二氧化碳溶解于水中，部分二氧化碳与水结合产生水合二氧化碳，即碳酸，碳酸水解产生碳酸氢根和H离子，碳酸氢根再水解产生碳酸根和H离子（碳酸体系向右移）：
CO2+H2O→H2CO3→H+HCO3→2H+CO3
则此时水中除了H离子和OH离子外，还有HCO3和CO3离子，并且：
[H]=[HCO3]+2[CO3]+[OH]
很明显，[H]大于[OH]，所以雨水偏酸。此时水体中的溶解无机碳浓度为二氧化碳的溶解度，即[DIC]=[CO2]+[HCO3]+[CO3]，而此时总碱度，[TA]=[HCO3]+2[CO3]+[OH]-[H]=0。
当雨水落到地面，与石灰石（碳酸钙，CaCO3）接触，水体中的碳酸会溶解石灰石：
CaCO3+HCO3→Ca+2HCO3
与白云石[碳酸钙，CaMg(CO3)2]接触，同样，水体中的碳酸会溶解白云石：
CaMg(CO3)2+2HCO3→Ca+Mg+4HCO3
此时水体中则有
[H]+2[Ca]+2[Mg]=[HCO3]+2[CO3]+[OH]
很明显，在天然水体中，有硬度（钙+镁）才有碱度，并且2[Ca]+2[Mg]≈[HCO3]+2[CO3]，即总碱度约等于总硬度。此外，随着水体中[HCO3]和[CO3]的增加，碳酸平衡体系往左移：
2H+CO3→H+HCO3→H2CO3→CO2↑+H2O
导致水体中[HCO3]+2[CO3]2[Ca]+2[Mg]，引起[OH]增加，使得[OH]大于[H]，即随着总碱度的上升，pH逐步增加而致使水体呈弱碱性。
因此，天然无污染的水体具有一定的总碱度，并且总碱度约等于总硬度以及呈弱碱性的特征。
总碱度——2
天然水体由于水所接触的矿物质种类很复杂且多样化，因此，水的组成也是很复杂和多样化的。想简单地说明很困难。因此，我们可以简化一下，用一个简单的模型来说明水体中总碱度的大致范围。
假设我们在烧杯中装入蒸馏水，再加入碳酸钙粉末，在开放的条件下不断搅拌，使碳酸钙溶解，那么，最终的总碱度是多少？（实验装置如下图，温度为25℃，假设大气二氧化碳浓度为ppm，且不限时间）
当反应达到平衡时，有：
[H]+2[Ca]=[HCO3]+2[CO3]+[OH]
且：
[Ca][CO3]=kSP(CaCO3)
通过模拟计算，我们可以得到如下的理论数据：
平衡时，碳酸钙达到饱和，钙硬度约为50毫克碳酸钙/升
在本系统中总碱度等于钙硬度，即总碱度接近50毫克碳酸钙/升；
总无机碳（DIC)接近1毫摩尔/升；
请注意当钙硬度等于0时，DIC非常小，说明没有阳离子的存在，二氧化碳的溶解度非常低，水体中溶解的无机碳非常有限。
pH从二氧化碳饱和的蒸馏水的5.65上升到碳酸钙饱和的接近8.2；
从上面的数据可以看出，二氧化碳饱和的纯水是很酸的，但少量的碳酸钙就可以大幅度改善水体的可养殖属性。当然，天然水体要比这“纯水”复杂得多，尽管如此，水的活度高的水体硬度和碱度都不会很高，因为在水的活度高的情况下，碳酸钙的溶解度积很小。
总碱度——3
由于碳酸钙的溶解度积很小，所以，当水体中只有钙硬度时，限制了碱度的提高。因此，添加非钙硬度，通常为镁硬度，可以进一步提高总碱度。
假设我们在烧杯中装入蒸馏水，再加入碳酸钙镁粉末代替碳酸钙粉，在开放的条件下不断搅拌，使碳酸钙镁溶解，理论上我们可以得到如下结果：
平衡时，钙硬度从碳酸钙粉的接近50毫克碳酸钙/升降低到碳酸钙镁粉接近40毫克碳酸钙/升；
钙的降低为总碱度的提高留下空间。虽然钙硬度降低，但总硬度提高。因为碳酸钙镁中含有与钙等当量的镁。总硬度为钙硬度的两倍。
总碱度由碳酸钙粉的接近50毫克碳酸钙/升增加到碳酸钙镁粉接近80毫克碳酸钙/升；
总无机碳由碳酸钙粉的接近1毫摩尔/升上升到碳酸钙镁粉的1.5毫摩尔/升。
pH与碳酸钙粉大致相同：
说明用碳酸钙镁（白云石粉）改良池塘环境对pH的影响与碳酸钙差不多。
因此，在钙能满足养殖动物作为生理机能需要的前提下，适当提高镁硬度可以有效地提高池塘的总碱度和总硬度。
总碱度——4
如果水体中只有钙和碳酸两种离子，那么，这两种离子“相遇”的概率就很高，容易成双成对地牵手——沉淀。如果水体中有许许多多其它离子存在，钙离子和碳酸离子要“见面”就难一些，这样，想成双成对就不容易，沉淀的概率就小一些。离子之间的这种“见面”概率我们称为离子的“活度”。水体中离子的浓度越高，离子的活度就越低。
在盐度为零的稀溶液中，碳酸钙的饱和溶解度积为3.31·10^-9（钙离子和碳酸离子的活度高），而在盐度为3.5%的海水中，碳酸钙的饱和溶解度积为4.27·10^-7（钙离子和碳酸离子的活度低），后者是前者的.97倍！可见，降低离子活度可以提高总碱度和总硬度。
假设我们在烧杯中装入的是0.5%的盐水，再加入碳酸钙粉末，在开放的条件下不断搅拌，使碳酸钙溶解，那么，最终的总碱度是多少？
饱和度从蒸馏水的接近50毫克碳酸钙/升提高到0.5%盐水的接近80毫克碳酸钙/升。
同样，总碱度也从蒸馏水的接近50毫克碳酸钙/升提高到0.5%盐水的接近80毫克碳酸钙/升。
溶解无机碳从蒸馏水的接近1毫摩尔/升提高到0.5%盐水的1.5毫摩尔/升。
pH则与蒸馏水的差不多。
很明显，少量的盐度有利于提高总碱度，即有利于提高池塘天然生产力。
总碱度——5
生石灰清塘的思考（1）
传统上池塘灌注后都会用大剂量的生石灰“清塘”和“消毒”。许多资料介绍都是按每亩多少公斤生石灰（如有的资料为75～公斤/亩，有的资料为～公斤/亩）大多数资料要么来自经验，要么就是从其它资料上转抄过来的。如果生石灰用于“清除”野杂鱼和“消毒”杀死病原菌，就需要一个相对明确的浓度。由于不同的池塘底部土壤的性质与水的属性不同，加上水体的体积差异，生石灰的用量是不一样的。但是，必须给出一个最终标准。
查找过我国科技文献数据库，对使用生石灰有这么一段比较像样的描述：“泼洒生石灰后使池水的pH达11以上，并保持2h不下降，就能达到杀死病原体和敌害生物的目的。”（陆军“浅议使用生石灰清塘方法中的误区”水产科技情报：,37(5)：-）。
也就是说，使用生石灰的目标是水的pH达11以上，并保持2h不下降。至于需要多少剂量，那就要根据你的池塘底质、水质和深度来确定，而不是简单地“75～公斤/亩”或“～公斤/亩”。
假设此时水体中的pH完全由氢氧化钙控制，那么，残余钙离子的浓度应该为：
[Ca]=（kW/10^-pH）/2=10^-14/10^-11/2=0.(摩尔/升)或20毫克钙/升（不同温度、不同盐度下kW有所差异）：
当温度为25℃、盐度等于～0‰时，残余钙离子浓度为0.(摩尔/升)或20.毫克钙/升；
当温度为25℃、盐度等于0.5‰时，残余钙离子浓度为0.68(摩尔/升)或27.毫克钙/升；
当温度为25℃、盐度等于1.0‰时，残余钙离子浓度为0.77(摩尔/升)或30.毫克钙/升；
当温度为25℃、盐度等于2.0‰时，残余钙离子浓度为0.92(摩尔/升)或36.毫克钙/升；
当温度为25℃、盐度等于3.0‰时，残余钙离子浓度为0.(摩尔/升)或41.毫克钙/升。
总碱度——5
生石灰清塘的思考（2）
添加生石灰导致pH上升，必然引起水体中碳酸缓冲系统向右移动而导致碳酸钙沉淀：
CaO+H2O—Ca+2OH
CO2+OH→HCO3
HCO3+OH→CO3+H2O
CO3+Ca→CaCO3↓
要使池塘水体中的残余钙离子浓度超过5.0·10^-4(摩尔/升)，则碳酸的浓度应该小于：
[CO3]kSPCaCO3/[Ca]
根据总溶解无机碳（DIC）与碳酸的关系：
[DIC]=([CO2]+[HCO3]+[CO3]=[CO3](H^2+Hk1+k1k2)/（k1k2)
我们可以计算出生石灰水处理前后的DIC变化。即每减少一个DIC，必然伴随着一个钙离子被沉淀。因此，将水体用氧化钙处理使pH达到11以上需要的石灰的量大概可以按下列方程估计：
[CaO]=[(处理前DIC–处理后DIC)–处理前钙离子浓度+残余钙浓度]·56·0(克生石灰/立方米)。
由于不同盐度、温度下，k1、k2、kW、kSPCaCO3都有所差异，因此，可以编写一个简单的软件，根据每个池塘的具体盐度、温度、钙硬度、总碱度，计算出相对精准的生石灰的用量。
利用几组水质参数来计算（暂时未考虑其他物质如碳酸镁、氢氧化镁的沉淀）：
例1。总碱度（TA），10；钙硬度（HCa），10；盐度(S)～0‰；温度(t)，25℃。计算结果：33.81克生石灰/立方米。
例2。TA，50；HCa，10；S，0.1‰；t，25℃。计算结果：82.03克生石灰/立方米。
例3。TA，；HCa，10；S，0.5‰；t，25℃。计算结果：.03克生石灰/立方米。
例4。TA，10；HCa，40；S，0.5‰；t，25℃。计算结果：26.93克生石灰/立方米。
例5。TA，40；HCa，40；S，1‰；t，25℃。计算结果：64.72克生石灰/立方米。
例6。TA，；HCa，60；S，5‰；t，25℃。计算结果：.6克生石灰/立方米。
以上是假设两个小时内，水体与空气和底泥未发生反应，但在实际操作上很难做到。而且也假设氧化钙为纯品。因此，要达到两小时内pH高于11，生石灰的用量一定要大于上述这些理论值。根据上述计算结果，很明显，总碱度越高，生石灰的用量越大，钙离子浓度越高，生石灰用量越小。本文的数据只是用来说明问题的范例，与实际池塘还有一定的误差，希望有研究院所能够进行精确研究。
总碱度——5
生石灰清塘的思考（3）
由于使用生石灰处理，水体的pH非常高，大量的无机碳以碳酸的形式被沉淀，导致水体中的可溶解无机碳(DIC)非常低，从纯淡水的8.·10^-6(摩尔/升)到盐度为5‰的水体9.·10^-5(摩尔/升)。此时水体中溶解无机碳中的二氧化碳[CO2]组分几乎为0。在后续的时间内(大多数文献认为大约需要一周左右)，吸收二氧化碳、pH回落到可放鱼虾苗的8.2前后（严格来讲是回到pH原点前后）。
在空气二氧化碳和底泥有机物质分解产生的二氧化碳的作用下，被沉淀的碳酸钙又溶解。假设pH降低到8.2时有n摩尔的碳酸钙被溶解，同时，羟离子由于吸收二氧化碳而减少，水电离产生氢离子和羟离子，这些羟离子也会吸收二氧化碳产生碳酸氢根，并且碳酸钙也处于饱和状态，则水体中的钙离子浓度应该为（n+残余钙）(摩尔/升)，DIC应该在原来的基础上增加2n+（原来羟离子–现有羟离子+现有氢离子-原来氢离子）(摩尔/升)。
根据[Ca][CO3]=kSPCaCO3以及［CO3］=［DIC］k1k2/（10^-2pH+10^-pHk1+k1k2）
有[Ca][CO3]=kSPCaCO3=([Ca]0+n)([DIC]0+10^-pH1–10^-pH0+kW/10^-pH0-kW/10^-pH1+2n)k1k2/(10^-2pH1+10^-pH1k1+k1k2)
即2n^2+([DIC]0-10^-pH0+10^-pH1+kW/10^-pH0-kW/10^-pH1+2[Ca]0)n+[Ca]0(([[DIC]0-10^-pH0+10^-pH1+kW/10^-pH0-kW/10^-pH1)-kSPCaCO3(10^-2pH1+10^-pH1k1+k1k2)/(k1k2)=0
其中pH0为处理后、平衡前的pH（即pH=11）；pH1为平衡后的pH（这里取pH=8.2）。
例1（低碱度、低硬度）
处理前：总碱度，10；钙硬度，10；盐度(S)～0‰；温度(t)，25℃；
处理时生石灰用量，33.81克生石灰/立方米；
处理后（pH11）：钙硬度：49.；总碱度：50.；
平衡后（pH回落到8.2）:钙硬度：48.；总碱度：48.。
例2（低硬度、碱度适中）
处理前：总碱度，50；钙硬度，10；盐度，0.1‰；温度，25℃；
处理时生石灰用量，82.克生石灰/立方米；
处理后（pH11）：钙硬度：57.；总碱度：58.；
平衡后（pH回落到8.2）:钙硬度：46.；总碱度：47.。
例3（高碱度、低硬度）
处理前：总碱度，；钙硬度，10；盐度，0.5‰；温度，25℃；
处理时生石灰用量，.03克生石灰/立方米；
处理后（pH11）：钙硬度：68.；总碱度：69.；
平衡后（pH回落到8.2）:钙硬度：48.；总碱度：49.。
例4（硬度适中、低碱度）
处理前：总碱度，10；钙硬度，40；盐度，0.5‰；温度，25℃；
处理时生石灰用量，26.93克生石灰/立方米；
处理后（pH11）：钙硬度：68.；总碱度：69.；
平衡后（pH回落到8.2）:钙硬度：48.；总碱度：49.。
例5（碱度、硬度适中）
处理前：总碱度，40；钙硬度，40；盐度，1‰；温度，25℃；
处理时生石灰用量，64.72克生石灰/立方米；
处理后（pH11）：钙硬度：77.；总碱度：79.；
平衡后（pH回落到8.2）:钙硬度：51.；总碱度：53.。
例6（高碱度、硬度适中）
处理前：总碱度，；钙硬度，60；盐度，5‰；温度，25℃；
处理时生石灰用量，.6克生石灰/立方米；
处理后（pH11）：钙硬度：.；总碱度：.；
平衡后（pH回落到8.2）:钙硬度：67.；总碱度：72.。
以上例子虽然是理想条件，但可以发现一个事实：大剂量的生石灰处理不仅仅是消毒、清杂那么简单！大剂量的生石灰处理具有矫正水质属性的作用，使水质属性全部落到A区（钙硬度约等于总碱度）！此外，当pH高达11时，镁也几乎被转化为氢氧化镁沉淀，因此镁硬度也会大幅度降低；其三，大量的钙镁沉淀也会导致许多其它离子产生共沉淀，具有重要的重金属“解毒”作用。
总碱度——5
生石灰清塘的思考（4）
凡事都有例外！用简单的数学、化学模型分析使用生石灰清塘后对水质属性的影响时发现，用生石灰处理高钙硬度低总碱度的水体时根本得不到良性结果。
首先当然是模型所考虑的只是暂时硬度而没有考虑永久硬度（非碳酸盐钙硬度），因此难以确定水体中钙离子的总量。典型的高钙硬度的水，如酸性硫酸盐池塘的水体，由于钙含量非常高，限制了碳酸缓冲系统的总量，抗pH变化的能力小。也就是说，虽然水体pH低，但少量的生石灰就可以引起这种水的pH比较大的上升幅度。
虽然高钙硬度、低总碱度的水体使用生石灰可以在短时间内引起pH有较大幅度的上升，但当水体吸收二氧化碳后，碳酸含量提高，又将钙离子沉淀。使pH回到原来的位置，俗称“返酸”现象。
因此，即使再大剂量的生石灰也难以改变高钙硬度和低总碱度水体的属性。
如果按照生石灰通过提高水体pH，将水体中的碳酸碱度转化为碳酸根将钙沉淀的原理，是否可以考虑采用碳酸钠替代生石灰，将水体的pH提高到某个高水平，如11，将水体中的非碳酸盐钙离子转化为碳酸烟盐钙离子，是否也具有相当于生石灰的作用？有兴趣的读者可以试一试。
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