氧平衡的概念

从元素组成来说，炸药通常是由碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)四种元素组成的。其中碳、氢是可燃元素，氧是助燃元素，炸药是一种载氧体。炸药的爆炸过程实质上是可燃元素与助燃元素发生极其迅速和猛烈的氧化还原反应的过程。反应结果是氧和碳化合生成二氧化碳(CO2)或一氧化碳(CO)，氢和氧化合生成水(H2O)，这两种反应都放出了大量的热。每种炸药里都含有一定数量的碳、氢原子，也含有一定数量的氧原子，发生反应时就会出现碳、氢、氧的数量不完全匹配的情况。氧平衡就是衡量炸药中所含的氧与将可燃元素完全氧化所需要的氧两者是否平衡的问题。

　　所谓完全氧化，即碳原子完全氧化生成二氧化碳，氢原子完全氧化生成水。根据所含氧的多少，可以将炸药的氧平衡分为下列三种不同的情况:

　　(1)零氧平衡:系指炸药中所含的氧刚够将可燃元素完全氧化;

　　(2)正氧平衡:系指炸药中所含的氧将可燃元素完全氧化后还有剩余;

　　(3)负氧平衡:系指炸药中所含的氧不足以将可燃元素完全氧化。

　　实践表明，只有当炸药中的碳和氢都被氧化成CO2和H2O时，其放热量才最大。零氧平衡一般接近于这种情况。负氧平衡的炸药，爆炸产物中就会有 CO、H2，甚至会出现固体碳;而正氧平衡炸药的爆炸产物，则会出现 NO、NO2等气体。这两种情况，都不利于发挥炸药的最大威力，同时会生成有毒气体。如果把它们用于地下工程爆破作业，特别是含有矿尘和瓦斯爆炸危险的矿井，就更应引起注意。因为 CO、 NO、NxOy不仅都是有毒气体，而且能对瓦斯爆炸反应起催化作用，因此这样的炸药就不应用于地下矿井的爆破作业。

　　氧平衡的计算

oxygen balance 氧平衡是测定一种化合物或混合物中燃料和氧的比。它是根据化合物的实验式或分子式，以碳完全转化成CO2(或CO)和氢转化为H2O所需的氧的分子数来计算的。一种分子式为CaHbNcOd的炸药，其氧平衡计算如下:

　　简单说氧平衡的算法: (炸药中的氧原子数 - 碳全部被氧化成二氧化碳所需要的氧原子数 - 氢全部被氧化成水需要的氧原子数)* 16 / 炸药的摩尔质量。若炸药中含有卤原子(X)，例如CaHbNcOdXe，则先扣除生成HX所需要的H。

　　化合物的的氧平衡等于以碳完全转化成CO2(或CO)、氢转化为H2O所需的氧的分子数、氮转化为NO2所需的氧的分子数来计算

　　例如，计算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数和各自的氧平衡的乘积之和。

　　例如特里托纳儿(由80%TNT和20%Al组成)的氧平衡计算如下:

　　Al氧化成Al2O3时的氧平衡=1.5×16/27=-89%

　　TNT的氧平衡=-74%

　　由此得出特里托纳儿的氧平衡=0.20*(-89)+0.80*(-74)=-77.0%

　　氧平衡模式

包括含碳有机物和氨氮有机物的耗氧、生物吸收作用、吸着有机物底泥的再悬浮作用等;另一种是使溶解氧增加的复氧作用，主要是空气溶于水的作用(曝气作用)及生物的光合作用。这两种作用可当作在一个化学反应的平衡体系中发生，根据各种参数建立水中溶解氧的时空变化的数学模式。目前最常用的是河水溶解氧的一维模式。假定河流是稳定态，则河水溶解氧浓度随时间、沿程(流向)距离而变化的关系式可表示为: 式中:c为河水中溶解氧的浓度;ES为沿程距离;u为水流速度;L为BOD浓度;LN为氨氮浓度;cS为溶解氧的饱和浓度;κ1为含碳有机物的衰变系数;κN为氨氮衰变系数;κ2为复氧系数;sR为生物光合作用产生氧与呼吸、底泥耗氧等引起溶解氧的增减率。当河流稳定且为低流量时，给出边界条件(设起始河流横断面处的溶解氧浓度为( )，将上式简化得下式: 即斯特里特-菲尔普斯模式。此式的图解曲线呈悬索型(参见氧垂曲线)，表明含有机污染物的污水排入河流后，由该处向下，由于有机物耗氧气主要作用，河水溶解氧逐渐减小，达到最低值后曝气复氧转为优势，溶解氧又逐渐增大，恢复到原来含氧状况。故可用此模式预测各河段横断面上不同时刻溶解氧的浓度。但式中κ1、κ2及κN需实测或通过水文参数计算求出，在对此模式进行验证后才能应用。

氧平衡评价是水环境有机污染评价的重要内容，是水质指数的基本参数，其重要指标包括DO、COD、BOD、TOD、TOC等，详细介绍如下：

　　DO (Dissolved Oxygen)即溶解氧，是指只溶于水中的分子态氧。水中溶解氧的多少可衡量水体自净能力：水中的溶解氧被消耗后，恢复到初始状态所需时间越短，表明水体的自净能力越强，水体污染不严重。否则说明水体自净能力弱，污染严重。

　　COD(Chemical Oxygen Demand)即化学需氧量，是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。COD是评定水质污染程度的重要综合指标之一, COD的数值越大，则水体污染越严重。

　　BOD (Biochemical oxygen demand) 即生物需氧量，是在指定的温度和时间段内，在有氧条件下由微生物(主要是细菌)降解水中有机物所需的氧量.BOD数值越大,则水中含有的有机物越多，因此污染也越严重。

　　TOD(Total Oxygen Demand)即总需氧量，是指水有机物完全氧化所需氧的量. TOD反映几乎全部有机物质经燃烧后所需要的氧气的量，比COD更接近理论需氧量。