氧平衡的概念

從元素組成來說，炸藥通常是由碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)四種元素組成的。其中碳、氫是可燃元素，氧是助燃元素，炸藥是一種載氧體。炸藥的爆炸過程實質(zhì)上是可燃元素與助燃元素發(fā)生極其迅速和猛烈的氧化還原反應(yīng)的過程。反應(yīng)結(jié)果是氧和碳化合生成二氧化碳(CO2)或一氧化碳(CO)，氫和氧化合生成水(H2O)，這兩種反應(yīng)都放出了大量的熱。每種炸藥里都含有一定數(shù)量的碳、氫原子，也含有一定數(shù)量的氧原子，發(fā)生反應(yīng)時就會出現(xiàn)碳、氫、氧的數(shù)量不完全匹配的情況。氧平衡就是衡量炸藥中所含的氧與將可燃元素完全氧化所需要的氧兩者是否平衡的問題。

　　所謂完全氧化，即碳原子完全氧化生成二氧化碳，氫原子完全氧化生成水。根據(jù)所含氧的多少，可以將炸藥的氧平衡分為下列三種不同的情況:

　　(1)零氧平衡:系指炸藥中所含的氧剛夠?qū)⒖扇荚赝耆趸?

　　(2)正氧平衡:系指炸藥中所含的氧將可燃元素完全氧化后還有剩余;

　　(3)負氧平衡:系指炸藥中所含的氧不足以將可燃元素完全氧化。

　　實踐表明，只有當炸藥中的碳和氫都被氧化成CO2和H2O時，其放熱量才最大。零氧平衡一般接近于這種情況。負氧平衡的炸藥，爆炸產(chǎn)物中就會有 CO、H2，甚至會出現(xiàn)固體碳;而正氧平衡炸藥的爆炸產(chǎn)物，則會出現(xiàn) NO、NO2等氣體。這兩種情況，都不利于發(fā)揮炸藥的最大威力，同時會生成有毒氣體。如果把它們用于地下工程爆破作業(yè)，特別是含有礦塵和瓦斯爆炸危險的礦井，就更應(yīng)引起注意。因為 CO、 NO、NxOy不僅都是有毒氣體，而且能對瓦斯爆炸反應(yīng)起催化作用，因此這樣的炸藥就不應(yīng)用于地下礦井的爆破作業(yè)。

　　氧平衡的計算

oxygen balance 氧平衡是測定一種化合物或混合物中燃料和氧的比。它是根據(jù)化合物的實驗式或分子式，以碳完全轉(zhuǎn)化成CO2(或CO)和氫轉(zhuǎn)化為H2O所需的氧的分子數(shù)來計算的。一種分子式為CaHbNcOd的炸藥，其氧平衡計算如下:

　　簡單說氧平衡的算法: (炸藥中的氧原子數(shù) - 碳全部被氧化成二氧化碳所需要的氧原子數(shù) - 氫全部被氧化成水需要的氧原子數(shù))* 16 / 炸藥的摩爾質(zhì)量。若炸藥中含有鹵原子(X)，例如CaHbNcOdXe，則先扣除生成HX所需要的H。

　　化合物的的氧平衡等于以碳完全轉(zhuǎn)化成CO2(或CO)、氫轉(zhuǎn)化為H2O所需的氧的分子數(shù)、氮轉(zhuǎn)化為NO2所需的氧的分子數(shù)來計算

　　例如，計算TNT(C7H5N3O6)的氧平衡:

　　氧平衡=[6-2×7-0.5×5]16/227=-74.0%

　　混合物的氧平衡等于各成分在混合物中所占的百分數(shù)和各自的氧平衡的乘積之和。

　　例如特里托納兒(由80%TNT和20%Al組成)的氧平衡計算如下:

　　Al氧化成Al2O3時的氧平衡=1.5×16/27=-89%

　　TNT的氧平衡=-74%

　　由此得出特里托納兒的氧平衡=0.20*(-89)+0.80*(-74)=-77.0%

　　氧平衡模式

包括含碳有機物和氨氮有機物的耗氧、生物吸收作用、吸著有機物底泥的再懸浮作用等;另一種是使溶解氧增加的復(fù)氧作用，主要是空氣溶于水的作用(曝氣作用)及生物的光合作用。這兩種作用可當作在一個化學反應(yīng)的平衡體系中發(fā)生，根據(jù)各種參數(shù)建立水中溶解氧的時空變化的數(shù)學模式。目前最常用的是河水溶解氧的一維模式。假定河流是穩(wěn)定態(tài)，則河水溶解氧濃度隨時間、沿程(流向)距離而變化的關(guān)系式可表示為: 式中:c為河水中溶解氧的濃度;ES為沿程距離;u為水流速度;L為BOD濃度;LN為氨氮濃度;cS為溶解氧的飽和濃度;κ1為含碳有機物的衰變系數(shù);κN為氨氮衰變系數(shù);κ2為復(fù)氧系數(shù);sR為生物光合作用產(chǎn)生氧與呼吸、底泥耗氧等引起溶解氧的增減率。當河流穩(wěn)定且為低流量時，給出邊界條件(設(shè)起始河流橫斷面處的溶解氧濃度為( )，將上式簡化得下式: 即斯特里特-菲爾普斯模式。此式的圖解曲線呈懸索型(參見氧垂曲線)，表明含有機污染物的污水排入河流后，由該處向下，由于有機物耗氧氣主要作用，河水溶解氧逐漸減小，達到最低值后曝氣復(fù)氧轉(zhuǎn)為優(yōu)勢，溶解氧又逐漸增大，恢復(fù)到原來含氧狀況。故可用此模式預(yù)測各河段橫斷面上不同時刻溶解氧的濃度。但式中κ1、κ2及κN需實測或通過水文參數(shù)計算求出，在對此模式進行驗證后才能應(yīng)用。

氧平衡評價是水環(huán)境有機污染評價的重要內(nèi)容，是水質(zhì)指數(shù)的基本參數(shù)，其重要指標包括DO、COD、BOD、TOD、TOC等，詳細介紹如下：

　　DO (Dissolved Oxygen)即溶解氧，是指只溶于水中的分子態(tài)氧。水中溶解氧的多少可衡量水體自凈能力：水中的溶解氧被消耗后，恢復(fù)到初始狀態(tài)所需時間越短，表明水體的自凈能力越強，水體污染不嚴重。否則說明水體自凈能力弱，污染嚴重。

　　COD(Chemical Oxygen Demand)即化學需氧量，是在一定的條件下，采用一定的強氧化劑處理水樣時，所消耗的氧化劑量。COD是評定水質(zhì)污染程度的重要綜合指標之一, COD的數(shù)值越大，則水體污染越嚴重。

　　BOD (Biochemical oxygen demand) 即生物需氧量，是在指定的溫度和時間段內(nèi)，在有氧條件下由微生物(主要是細菌)降解水中有機物所需的氧量.BOD數(shù)值越大,則水中含有的有機物越多，因此污染也越嚴重。

　　TOD(Total Oxygen Demand)即總需氧量，是指水有機物完全氧化所需氧的量. TOD反映幾乎全部有機物質(zhì)經(jīng)燃燒后所需要的氧氣的量，比COD更接近理論需氧量。