無(wú)機(jī)化學(xué)工藝學(xué)-工業(yè)用水.ppt

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1、第二章 工業(yè)用水,,,水的特性及在化學(xué)工業(yè)中重要性 水的來(lái)源及其雜質(zhì) 水的硬度 工業(yè)用水化學(xué)處理 循環(huán)冷卻水處理,一、水的特性及在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中的用途,不論化學(xué)工業(yè)、冶金、機(jī)械、電力、紡織等各行業(yè)，幾乎都離不開(kāi)水。尤其是化學(xué)工業(yè)是用水大戶，（由于其化學(xué)反應(yīng)工程、分離工程和公用工程所解決的是：加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝、聚合、裂解等都離不開(kāi)水）。 如生產(chǎn)1噸人造纖維需500噸以上的水；生產(chǎn)1噸燒堿要150噸水；加工1噸石油需4噸水。21世紀(jì)用太陽(yáng)能電解水 H2和O2形成燃料電池的原料，也離不開(kāi)水。 為什么化學(xué)與水結(jié)下了不解之緣呢？這與水的性質(zhì)有關(guān)。,,1、天然水的特性,水在常溫下呈液態(tài)存在，具有

2、一般液體的共性。與其他液體相比，又有許多獨(dú)立的特性。 1）水在04范圍內(nèi)，不是熱脹冷縮，而是冷脹熱縮，即tv。 2）在所有的液體中，水的比熱容最大，為4.18J/g.，因此水可作為化工優(yōu)質(zhì)的熱介質(zhì)，用于冷卻、儲(chǔ)熱、傳熱等方面。 3）0100水可以出現(xiàn)g、l、s三相變化。故利用水的相變的相熱轉(zhuǎn)換能量是很方便的。化學(xué)中可用作惰性氣體或水蒸汽蒸餾（增加總壓，降低沸點(diǎn)）。,,4）在液體中，除汞以外，水的表面能最大。 5）水的溶解及反應(yīng)能力極強(qiáng)，許多物質(zhì)不但在水中有很大的溶解度，而且有最大的電離度。因此可作為溶劑、試劑、助劑、電解制H2的原料等。 6）水有較好的導(dǎo)電性能，是隨著水中含鹽量的增加而增大。因

3、此作化工過(guò)程靜電的消除劑（增濕法）。 對(duì)水的特性認(rèn)識(shí)后，即可理解化學(xué)工業(yè)中水的用途。,2、化學(xué)工業(yè)中水的主要用途,1）原料：即前述的起始原料，作為制氫氣、水煤氣和有機(jī)合成等的原料。 2）溶劑（吸附劑）：固體物質(zhì)的溶解、氣體的吸收。 3）稀釋劑：造紙紙漿、釀酒勾兌。 4）冷卻劑：間、直冷卻水，作為冷卻介質(zhì)，用于幾乎所有的化工廠。 5）熱載體：蒸汽或作為蒸汽透平機(jī)的動(dòng)力。（風(fēng)機(jī)、蒸汽泵等），水蒸汽蒸餾。 可見(jiàn)，水已是擬建化工廠外部的極其重要的條件。西部開(kāi)發(fā)首先完成基礎(chǔ)設(shè)施、基礎(chǔ)教育建設(shè)，然后有了水才能開(kāi)發(fā)附加值高的化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品。（水是外部條件投資環(huán)境的重要部分）,3、對(duì)水質(zhì)的要求,化工工業(yè)用水，按

4、以上所講大體可分為兩大種：直接用水、間接用水。 直接用水：系水與產(chǎn)品直接接觸，或用于生產(chǎn)產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響，故要求優(yōu)良的水質(zhì)。（濁度、懸浮物、pH和雜質(zhì)等要求嚴(yán)格） 間接用水：對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量一般無(wú)影響，出于防腐和防垢的要求，而需要采用不同的水質(zhì)。（對(duì)溫度、pH和硬度有要求） 因此，生產(chǎn)對(duì)象不同，對(duì)水質(zhì)的要求不同。,,1）原料用水：直接作為原料或作為原料的一部分而使用的水。 例如電解水、飲料、食品加工、釀造，水質(zhì)對(duì)產(chǎn)品的影響較大，最好的水質(zhì)：無(wú)色、無(wú)濁、無(wú)味、鹽類(lèi)含量適當(dāng)（pH）、氨氮和亞硝酸鹽、細(xì)菌等指標(biāo)符合生產(chǎn)要求。 釀酒工業(yè)要求更嚴(yán)，一些名酒除了它的獨(dú)特釀造技術(shù)外，都是因選用當(dāng)?shù)氐膬?yōu)

5、質(zhì)井水而著稱(chēng)。 合成纖維、電解、醫(yī)藥都要求優(yōu)質(zhì)的純水。,,2）產(chǎn)品處理用水 這種水在水產(chǎn)過(guò)程中作為洗滌、漂染、打漿等用水，故也要求同上較好的水質(zhì)。 例如，造紙水中如有鐵鹽，生產(chǎn)高級(jí)紙張會(huì)產(chǎn)出斑點(diǎn)。 3）鍋爐用水（間接用水）。由于水的硬度高（即水中含有鈣鎂鹽類(lèi)），使鍋爐汽包內(nèi)結(jié)垢，致使傳熱系數(shù)，易使蒸汽品質(zhì)惡化，局部過(guò)熱引起過(guò)熱爆炸。 要求：鍋爐用水對(duì)水的硬度、含鹽量、堿度、pH值、溶解氧均有嚴(yán)格的指標(biāo)要求。,,4）冷卻用水：冷卻用水量最大，作用是來(lái)冷卻熱介質(zhì)，所以防止腐蝕、結(jié)垢、微生物危害是冷卻水處理的三大任務(wù)。因此冷卻水(循環(huán)）的水質(zhì)。要求：硬度、懸浮物、溶解氣體、油、其他有機(jī)物、藻類(lèi)、微生

6、物都應(yīng)控制。 例：煤化工廠、石油化工廠的循環(huán)水，要進(jìn)行殺菌除藻及除垢處理。（投加殺菌滅藻阻垢劑）。 另外，工業(yè)廢水、有毒物，要求經(jīng)處理后達(dá)到我國(guó)三廢排放制度標(biāo)準(zhǔn)后方可外排。,二、水的來(lái)源及其雜質(zhì),1、水的資源及其分布 水是自然界中分部最廣的一種資源，它以氣液固三種狀態(tài)存在，自然界的水主要指海洋、河流、湖泊、地下水、冰川、積雪、土壤水和大氣水分等水體，其總量為1.41019m3,如果將其平鋪在地球表面上，水層深度可達(dá)到約3000 m深，但是大部分是咸的海水，加上內(nèi)陸地表咸水湖，地下咸水約占總水量的98%。而冰川、積雪約占總水量的1.7%，目前尚難以利用開(kāi)發(fā)。,水的資源及其分布,實(shí)際上可供開(kāi)發(fā)利

7、用的淡水只占總水量的0.3%，約為41016m3。因此，淡水是有限的寶貴資源。 從我國(guó)情況看：我國(guó)的淡水資源比較豐富，居世界第五位，但人均水資源量與世界許多國(guó)家相比，相關(guān)很大，排列88位。因此我們是一個(gè)富水國(guó)，也是一個(gè)缺水國(guó)。每年缺水500億m3,目前水荒覆蓋幾乎遍及全國(guó)，水荒已是工農(nóng)業(yè)業(yè)發(fā)展面臨的較嚴(yán)峻的問(wèn)題。從而可見(jiàn)化工節(jié)水，治理廢水，已刻不容緩。,,人均水資源：加拿大145900m3/人均，美國(guó)14280m3/人均，中國(guó)2380m3/人均。 水是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中重要的原料之一，沒(méi)有合格的水源，任何工業(yè)都難以為繼，作為工業(yè)用水的淡水水源主要來(lái)自地表的江河水，湖泊水和水庫(kù)水及地下水（井水）。,

8、2.工業(yè)用水的來(lái)源及水質(zhì),地表水：稱(chēng)地上水，指江、河、湖泊及水庫(kù)中的水。 其水質(zhì)一般為：含鹽量及硬度比較低，含鹽量一般在70100mg/L，硬度一般在1.08.0 mmol/L； 特點(diǎn)：隨季節(jié)變化較大。春冬兩季枯水期，含鹽、硬度，濁度；豐水期，含鹽、硬度，濁度。水溫隨溫度變化大。,,地下水：地下水主要來(lái)源是通過(guò)地層過(guò)濾雨水和雪水滲入地下而形成。 因此水中溶入較多的礦物鹽類(lèi)。其水質(zhì)：含鹽量在100500mg / L，硬度在210 mmol / L，懸浮物少，濁度低。 特點(diǎn)：硬度大，溫度變化小，溫度低，是很好的冷卻劑。,,有這么一種說(shuō)法：南方水，要解決水溫和濁度的問(wèn)題；北方水，要解決水量和硬度問(wèn)題

9、。各有各的問(wèn)題，我們就是要解決這個(gè)問(wèn)題。 值得一提的是，上述二種水或者說(shuō)自然界中的水都是通過(guò)太陽(yáng)和不斷蒸發(fā)、凝結(jié)和再降落等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)的，在此循環(huán)中不會(huì)增加，也不會(huì)減少。只有污染和破壞后才會(huì)改變。,3.水中的雜質(zhì)及其危害,天然水，不管來(lái)自什么水源，通常都含有各種溶解物（鹽類(lèi)、氣體)和不溶解物（懸浮物和不溶的有機(jī)物）。 這些雜質(zhì)與水接觸的物質(zhì)的過(guò)程有關(guān)，其數(shù)量又與接觸雜質(zhì)的時(shí)間有關(guān)。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)，區(qū)域及水的流動(dòng)方向狀態(tài)等的不同，水中混有的雜質(zhì)也不盡相同。 雜質(zhì)大體可分為四類(lèi)：懸浮物和膠體物、微生物、可溶氣體及溶解的鹽類(lèi)。,,1)、懸浮物和膠體物 懸浮物指顆粒直徑在1050m之間的微粒（主要來(lái)

10、自礦物質(zhì)的砂礫、細(xì)泥和粘土）、浮游生物（主要指藻類(lèi)）及腐敗的動(dòng)植物。 它的危害：堵塞輸送管道、降低傳熱效率、某些有機(jī)物易使鍋爐起泡產(chǎn)生汽水共騰、影響產(chǎn)品質(zhì)量（用作原料）、電化學(xué)腐蝕。,,膠體物：指10-6105m,分子或離子的集合體。其比表面積大，具有不同程度的表面活性吸附能力。常常吸附了大量離子而帶負(fù)電荷。主要來(lái)自有機(jī)膠體物(動(dòng)植物殘骸分解而生成的腐殖質(zhì))；無(wú)機(jī)膠體物(主要是鐵、鋁、硅的化合物和膠體硅)。 它的危害：膠體硅鍋爐內(nèi)產(chǎn)生沉積，易產(chǎn)生汽水共沸現(xiàn)象;鐵鋁化合物爐內(nèi)（設(shè)備內(nèi)）清垢產(chǎn)生垢下腐蝕；有機(jī)膠體物污染產(chǎn)品、影響質(zhì)量，易使?fàn)t水起泡，使蒸汽品質(zhì)變壞。 2）微生物 危害：對(duì)釀造、食品工

11、業(yè)影響較大，使水產(chǎn)生色度，并有不愉快的臭味。,,3）可溶氣體（危害是對(duì)金屬的腐蝕） 主要來(lái)自大氣和環(huán)境中的CO2、O2、H2S、NH3。 危害： CO2 CO2溶于水中呈弱酸，對(duì)金屬水管有腐蝕作用，是因?yàn)樵诘偷膒H和缺氧情況下，它可以將鐵溶解，生成碳酸亞鐵Fe(HCO3)2,,O2的存在，引起金屬的電化學(xué)腐蝕，在做電池中: 陽(yáng)極區(qū)Fe-2e = Fe2+ 陰極區(qū)O2+2H2O+4e=4OH- Fe2++2OH-=Fe(OH)2 Fe(OH)2 Fe(OH)3 這些反應(yīng)促使微電池中的陽(yáng)極區(qū)的金屬不斷溶解而被腐蝕。,O,O2,,,H2S是有機(jī)質(zhì)腐敗后所生成的酸性物質(zhì)，水中含量很少，對(duì)金屬有

12、腐蝕作用，并能與金屬鹽類(lèi)發(fā)生反應(yīng)，生成有色沉淀影響產(chǎn)品質(zhì)量。 NH3:含量極少，它是由蛋白質(zhì)腐敗分解而來(lái)的，它對(duì)鋼容器腐蝕作用較強(qiáng)。 4）溶解的鹽類(lèi) 水中溶解的鹽類(lèi)一般有Na、K、Ca、Mg、Al、Fe、Mn等鹽。這些鹽大多為強(qiáng)電解質(zhì)。這些鹽主要是由于流經(jīng)地層時(shí)溶解某些礦物所致。,,因此水流地層不同，酸堿度不同，電離的離子亦不同。 危害 Na+、K+（稱(chēng)為堿金屬離子，它們的鹽類(lèi)非常易溶于水，主要來(lái)自巖石和土壤中），引起鍋爐水起泡，蒸汽夾帶水。用這種蒸汽作為蒸汽透平機(jī)的動(dòng)力，在高速離心下，局部結(jié)晶，損壞透平機(jī)葉輪。 Ca2+、Mg2+鈣離子由地層中石灰石（CaCO3)和石膏（CaSO42H2O）

13、溶解而得。,,CaCO3的溶解度很小，當(dāng)水中有CO2時(shí)，容易轉(zhuǎn)化而溶解。 CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2 Mg主要由含CO2的水溶解地層中的白云石（MgCO3CaCO3)所致:MgCO3CaCO3+2CO2+H2O=Mg(HCO3)2+Ca(HCO3)2 在化工中，當(dāng)水受熱后分解為碳酸鹽，溶解度下降，過(guò)飽和的Ca、Mg鹽和氫氧化物沉淀下來(lái)。 Ca(HCO3)2=CaCO3+H2O+CO2 Mg(HCO3)2=MgCO3+H2O+CO2 MgCO3+H2O=Mg(OH)2+CO2 KspMg(OH)2=5.310-12

14、O3=1.010-5 所以在同等的濃度下 Mg(OH)2先、而后CaCO3。,,,,,又由于一般天然水中，Mg鹽和其氫氧化物的含量比較低，主要的垢是CaCO3。Ca2+、Mg2+結(jié)垢后，設(shè)備的熱傳導(dǎo)降低，影響最大，這是化工單元中最不希望的。由化工原理知：,，R，Q,又因?yàn)楣甘棺冃?，即，R，Q,,,其中：為導(dǎo)熱系數(shù)；F為導(dǎo)熱面積；為壁厚；R為熱阻,一般增加1mm， 熱效率降低10%左右。,,Fe2、Mn2這二種離子地下水含量比地面水高。兩者常相伴。錳的含量占鐵的含量的十分之一左右。這兩種元素都是人體中的微量元素，飲用水含有一定含量對(duì)人的健康有益。標(biāo)準(zhǔn)飲用水中鐵要求0.3mg/L。 在化學(xué)工業(yè)中危

15、害主要是：著色。 鐵化合物是常見(jiàn)礦物，是天然水中鐵是常見(jiàn)雜質(zhì)，地表水中由于氧充足，以Fe3形式存在。地下水Fe2存在，易生成Fe(OH)2或Fe(OH)2 膠體微粒著色，影響質(zhì)量。 錳與鐵特性相近，以Mn2存在。相氧化成膠體狀的有機(jī)錳化物。例如：高級(jí)紙張，紡織廠，印染廠，人造絲，電鍍等對(duì)鐵和錳的要求較高，最好不含有。使紙張變黃，顏色不艷，沒(méi)有光澤等。同時(shí)：鐵主要引起鐵沉積細(xì)菌繁殖，嚴(yán)重地堵塞管道和設(shè)備。因此水要?dú)⒕濉?,SO42-、Cl-腐蝕。 SO42-主要來(lái)自于礦物的溶解（CaSO42H2O）；Cl-來(lái)自地層的氯化物。 例如：Cl- MgCl2+2H2O=Mg(OH)2+2HCl Fe

16、+2HCl=FeCl2+H2 FeCl2+Mg(OH)2=Fe(OH)2+MgCl2 Fe(OH)2=Fe(OH)3,三、水的硬度,水的硬度主要是由于水中含有各種鹽類(lèi)，如重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物形成。它們均是電解質(zhì)?；旧弦噪x子的形式存在于水中。對(duì)于天然水來(lái)說(shuō)，主要的離子是Ca2+、Mg2+，其他的如Fe2+、Mn2+、Al3+等亦能形成硬度。但由于天然水含量較少（海水就不一樣），可以不計(jì)。因此： 硬水把天然水中含有Ca2+、Mg2+離子多的水稱(chēng)為硬水（暫時(shí)硬水、永久硬水）; 軟水把天然水中含有Ca2+、Mg2+離子較少的水稱(chēng)為軟水,硬水分成：,1）、暫時(shí)硬水 含有Ca(HCO3)2 （碳酸氫

17、鈣）的水、含有Mg(HCO3)2（碳酸氫鎂）的水當(dāng)加熱時(shí)分解形成Ca(HCO3)2、 Mg(HCO3)2沉淀，并從水中析出來(lái)的水稱(chēng)為暫時(shí)硬水。 Ca(HCO3)2CaCO3+CO2 +H2O Mg(HCO3)2=MgCO3+H2O+CO2 MgCO3+H2O=Mg(OH)2+CO2,,2）、永久硬水 含有鈣鎂的硫酸鹽、氯化物或其他鹽類(lèi)的水，即非碳酸鹽，由于不能用加熱的方法從水中除去的水稱(chēng)為永久硬水。 如何定量說(shuō)明軟水和硬水，或不硬不軟的水，接下來(lái)講軟硬水的指標(biāo)及單位。 2、硬度（水的） 硬度表示水質(zhì)軟硬程度的指標(biāo) 1）暫時(shí)硬度（又稱(chēng)碳酸鹽硬度） 指主要由鈣鎂離子的重碳酸鹽CaO(HCO3)

18、2、Mg(HCO3)2所形成的硬度。,,2）永久硬度（非碳酸鹽硬度），指主要由鈣鎂離子的硫酸鹽和氯化物所形成的硬度。 3）總硬度 總硬度暫時(shí)硬度永久硬度 4）硬度的單位及水分類(lèi) 硬度表示反方法及單位 目前我國(guó)用來(lái)表示硬度的單位為mmol/L（以 Ca為基本單元）。 由于水中并非單一的離子或鹽類(lèi)，為使用方便，常將其還換算為一種統(tǒng)一的鹽類(lèi)，這時(shí)可以按照當(dāng)量換算的原則以CaO或CaCO3的質(zhì)量濃度表示。 即：1mmol/L=28mg/L(CaO) =50mg/L(CaCO3),,例：測(cè)得水中含Ca2+150 mg/L,求硬度 用CaO表示 相當(dāng)于CaO含量X=150 =210 mg =7.5

19、mmol/L(硬度） 用CaCO3表示 X150 374.55 mg 7.5 mmol/L 結(jié)果一樣的。,,有的國(guó)家用“度”來(lái)表示硬度： 例：1德國(guó)度10 mg/L(CaO)為1德國(guó)度 1法國(guó)度10 mg/L(CaCO3)為1法國(guó)度 1美國(guó)度10 mg/L(CaCO3)為1美國(guó)度 這些單位在我國(guó)已慢慢不采用了。從而可見(jiàn)： 1mmol/L硬度2.8德國(guó)度5法國(guó)度50美國(guó)度 天然水的分類(lèi) 天然水可以按其含鹽量或硬度分類(lèi)。按硬度分為五類(lèi)：,,極軟水硬度為1.0mmol/L以下 軟水硬度為1.03.0mmol/L之間 中等硬度硬度為3.06.0mmol/L之間 硬水硬度為6.09.0mmol

20、/L之間 極硬水硬度9.0mmol/L,四、工業(yè)用水化學(xué)處理,化學(xué)工業(yè)用水化學(xué)處理的主要任務(wù)（4個(gè)）： 混凝除懸浮物； 軟化以消除生成鍋垢和深沉的可能性； 中和并除掉氣體、鹽類(lèi)和有機(jī)物質(zhì)，以避免金屬的腐蝕，水在加熱時(shí)起泡產(chǎn)生汽水，產(chǎn)生共沸及蒸汽品質(zhì)變壞； 消除那些對(duì)工藝操作過(guò)程進(jìn)行及對(duì)最后產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響的雜質(zhì)。,水處理方法,物理方法：包括沉淀法、過(guò)濾法。 化學(xué)方法 這里只介紹軟化、除鐵、除氯,混凝加入混凝劑,軟化離子交換,,除鐵,除氯,,1、軟化,軟化有四種方法 暫時(shí)硬度石灰石膏法 永久硬度石灰純堿軟化法 堿度高的硬水則采用石灰石膏法 磷酸鹽法,,水的堿度 水的堿度指水能夠與強(qiáng)度進(jìn)行

21、中和反應(yīng)的那些物質(zhì)的總量。通常天然水中指HCO3-，CO32- 和OH-離子濃度的總和。,,雖然是總和，但是這些物質(zhì)不能共同存在， OH-單獨(dú)存在 CO32-單獨(dú)存在 HCO3-單獨(dú)存在 OH-和CO32-共同存在 HCO3-和CO32-共同存在 OH-和HCO3-不能共存，OH-+HCO3-=CO32-+H2O 負(fù)硬水：指堿度硬度，即HCO3-Ca2++Mg2+時(shí)水為負(fù)硬水。其差值總硬度總堿度=負(fù)硬度（主要為K、Na的重碳酸鹽）因?yàn)橛卸嗌貱a2+和Mg2+，有多少HCO3-堿，多出來(lái)

22、的是K、Na的重碳酸鹽。,,,以各種形式存在,（1）石灰軟化法（暫硬高）,為避免加生石灰（CaO）產(chǎn)生灰塵污染，先制成消石灰Ca(OH)2 CaO+H2O=Ca(OH)2 消石灰投入水中的反應(yīng)如下 Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3+2H2O 2Ca(OH)2+Mg(HCO3)2=2CaCO3+Mg(OH)2+2H2O 形成CaCO3和Mg(OH)2沉淀而析出，同時(shí)除去CO2。 Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O,,但是水中的永硬和負(fù)硬（K、Na的重碳酸鹽）卻不能用石灰處理的方法除去，因?yàn)殒V的永硬與負(fù)硬和消石灰會(huì)產(chǎn)生下列反應(yīng)。

23、 MgSO4+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaSO4 MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2 負(fù)硬：NaHCO3+Ca(OH)2=CaCO3+NaOH+H2O 所以鎂永硬轉(zhuǎn)化為等量的溶解度較大的鈣的永硬。負(fù)硬轉(zhuǎn)化為等量的NaOH，堿度，所以水中的堿度沒(méi)有除去。,永硬,,（2）石灰純堿軟化法（永硬高的水）,軟化劑：消石灰（除暫硬），純堿Na2CO3（除永硬）。 除永硬加Na2CO3反應(yīng)如下：（生成碳酸鹽沉淀物） CaSO4+Na2CO3=CaCO3+Na2SO4 CaCl2+Na2CO3=CaCO3+2NaCl MgSO4+Na2CO3=MgC

24、O3+Na2SO4 MgCl2+Na2CO3=MgCO3+2NaCl MgCO3+Ca(OH)2=CaCO3+MgCO3 經(jīng)此方法處理的水，其硬度可以下降0.150.2 mmol/L。 此外，永硬也可以直接用離子交換法除去。,（3）石灰石膏處理法（堿度高的負(fù)硬水，即K、Na的重碳酸鹽含量高）,此水的總堿度總硬度，水中多余的總堿度常以NaHCO3或KHCO3的形式存在。這些多余的堿以石灰石膏（CaSO4）法除去。 反應(yīng)： 2NaHCO3+CaSO4+Ca(OH)2=2CaCO3+Na2SO4 +2H2O 2KHCO3+CaSO4+Ca(OH)2=2CaCO3+K2SO4 +2H2O,

25、（4）磷酸鹽法（同時(shí)除去永硬和暫硬）,軟化劑磷酸三鈉Na3PO4：是較好的軟化高壓鍋爐用水的軟化劑，可以同時(shí)除去暫硬和永硬，可以處理到極軟水，即1mmol/L以下。 除暫硬反應(yīng)如下： 3Ca(HCO3)2+2Na3PO4=Ca3(PO4)2+6NaHCO3 3Mg(HCO3)2+2Na3PO4=Mg3(PO4)2+6NaHCO3 除永硬反應(yīng)如下： 3CaSO4+2Na3PO4=Ca3(PO4)2+3Na2SO4 3MgSO4+2Na3PO4=Mg3(PO4)2+3Na2SO4 3CaCl2+2Na3PO4=Ca3(PO4)2+6NaCl 3MgCl2+2Na3PO4=Mg3(PO4

26、)2+6NaCl,（5）幾種方法比較：,（6）基本工藝（一般石灰軟化系統(tǒng)）,1.化灰桶；2.石灰池；3.灰乳泵；4.混合池；5.平流式沉淀池；6.清水池；7.泵,2.離子交換法離子交換軟化水處理,離子交換法是軟化水的一種比較好的方法，操作簡(jiǎn)單，效率高，又便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。目前，凡是需水量大、水質(zhì)要求高的企業(yè)都采用此法，或與其他方法配套組成凈化水處理系統(tǒng)。 （1）離子交換法機(jī)理：利用某些難溶于水中的固體物質(zhì)能夠自水中吸收陽(yáng)離子或陰離子，而本身同時(shí)放出其他離子以代替它所吸收的離子，將水中的Ca2+、Mg2+離子交換出來(lái)，使原水軟化。而固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)并不發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化的水處理方法，稱(chēng)為離子交換法。把這

27、些固體物質(zhì)稱(chēng)為離子交換劑。,（2）離子交換劑（通常為離子交換樹(shù)脂）,離子交換劑有： 天然沸石：Na2OAl2O32SiO2nH2O 海綠石：(KNa)2O(AlFe)2O3nSiO 人造泡沸石人造鋁代硅酸鹽 Na2SiO3+Na3AlO3膠狀干燥而成 有機(jī)物質(zhì)人造樹(shù)脂或磺化煤 離子交換劑的通常分類(lèi),陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 陰離子交換樹(shù)脂,按交換的離子,,交換Na+鈉型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 交換H+氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 交換K+鉀型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂,,按樹(shù)脂交換的反應(yīng)的離子不同,,,反應(yīng)中分別用RNa表示：R表示樹(shù)脂中交換以外的成分。 （3）鈉型陽(yáng)離子交換過(guò)程（除去硬度） 碳酸鹽硬度（暫硬）的軟化。反應(yīng)

28、為： Ca(HCO3)2+2RNa=R2Ca+2NaHCO3 Mg(HCO3)2+2RNa=R2Mg+2NaHCO3 非碳酸鹽硬度（永硬）的軟化。反應(yīng)： CaCl2+2RNa=R2Ca+2NaCl CaSO4+2RNa=R2Ca+Na2SO4 CaSiO3+2RNa=R2Ca+Na2SiO3 MgCl2+2RNa=R2Ca+2MgCl MgSO4+2RNa=R2Ca+Mg2SO4 MgSiO3+2RNa=R2Ca+Mg2SiO3,,上式可綜合表示為： Ca2++2RNa=R2Ca+2Na2+ Mg2++2RNa=R2Mg+2Na2+

29、從而可見(jiàn)，Ca2+、Mg2+被RNa型樹(shù)脂中的Na+置換出來(lái)以后，使樹(shù)脂由RNa轉(zhuǎn)化為R2Ca/R2Mg。 交換后水質(zhì)變化情況： 硬度大大降低或基本消除，降至0.03mmol/L以下。 堿度基本不變：因?yàn)槭顷?yáng)離子的交換， HCO3-沒(méi)有變。因?yàn)镠CO3-+H+CO2+H2O，消耗H+所以有堿性。 軟水中含鹽量稍有增加。,,1個(gè)Ca換出2個(gè)Na。1mol鈣離子（40.08克）與2mol的鈉（45.98克）進(jìn)行交換反應(yīng)，使水的含鹽量增加。 當(dāng)與1mmol/L硬度交換時(shí)，鈣硬水含鹽增加2.95mg/L；當(dāng)與1mmol/L硬度交換時(shí)，鎂硬水含鹽增加10.84mg/L。 G=2.95HCa+10.

30、84HMg 可見(jiàn)堿度未解決，因此，對(duì)硬度高、堿度高的原水，單靠離子交換處理后，仍達(dá)不到鍋爐用水的標(biāo)準(zhǔn)，因此必須與前敘的方式相結(jié)合，才能達(dá)到滿意的效果。,再生過(guò)程,由RNa交換后變R2Ca或R2Mg，交換樹(shù)脂軟化效率降低，失效，不再起軟化作用，需再生。 再生方法：用（8%10%）工業(yè)食鹽水溶液，將樹(shù)脂中吸附的鈣、鎂離子置換出來(lái)。反應(yīng)： R2Ca+2NaCl=2RNa+CaCl2 R2Mg+2NaCl=2RNa+MgCl2 樹(shù)脂又成了RNa型，重新起軟化水的作用。 單靠Na型樹(shù)脂只軟化水，不脫堿，那么為達(dá)到要求，必須采用軟化和脫堿聯(lián)合處理。方法有H-Na離子交換，銨-Na離子交換

31、。,4）氫型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂,主要用于軟化及脫堿聯(lián)合水處理。 氫型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的交換過(guò)程： 與碳酸鹽硬度的交換反應(yīng)（暫硬） Ca(HCO3)2+2RH=R2Ca+2H2O+2CO2 Mg(HCO3)2+2RH=R2Mg+2H2O+2CO2 與非碳酸鹽硬度的交換反應(yīng)（永硬） CaSO4+2RH=R2Ca+H2SO4 CaCl2+2RH=R2Ca+2HCl MgSO4+2RH=R2Mg+H2SO4 MgCl2+2RH=R2Mg+2HCl,,與鈉鹽交換反應(yīng) NaHCO3+RH=RNa+H2O+CO2 NaCl+RH=RNa+HCl Na2SO4+2RH=2RNa+H2SO4 Na

32、2SiO3+2RH=2RNa+H2SiO3 上敘反應(yīng)可概括為離子式： Ca2++2RH=R2Ca+2H+ Mg2++2RH=R2Mg+2H+ Na++RH=RNa+H+,,氫鈉離子交換聯(lián)合軟化脫堿反應(yīng) 氫型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換出水中的游離酸，呈酸性水，而鈉型樹(shù)脂交換出現(xiàn)是含堿度的水，若兩水相混合，將發(fā)生中和反應(yīng)。 HCl+NaHCO3=NaCl+H2O+CO2 H2SO4+2NaHCO3=Na2SO4+2H2O+2CO2 即除去硬度，又降低堿度，且使水的含鹽量有所降低（3mol變2mol） 。這就是聯(lián)合處理的原理。 當(dāng)然要徹底除鹽還必須有離子交換除鹽的方法，如H型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂與OH型陰離子樹(shù)脂

33、的聯(lián)合處理，在此不一一講了。,, 氫型樹(shù)脂再生：用HCl、H2SO4 用HCl R2Ca+2HCl=2RH+CaCl2 R2Mg+2HCl=2RH+MgCl2 RNa+HCl=RH+NaCl 用H2SO4 R2Ca+NaCl=2RH+NaCl 請(qǐng)注意：Na離子樹(shù)脂的水堿度不變，是含堿的水。,（6）基本工藝組合 一般工藝上采用固定床的型式：將樹(shù)脂固定在交換器內(nèi)。,固定床 移動(dòng)床（提升床）（樹(shù)脂送出再生） 浮動(dòng)床,單級(jí)離子交換器1 多級(jí)離子交換器2 復(fù)合離子交換器3、4 混合離子交換器5 雙層離子交換器6 雙流離子交換器7,,,1 2 3,4 5 6

34、 7,單級(jí),多級(jí),復(fù)合,復(fù)合,混合,雙層,雙濾,,例如，上敘的HNa并聯(lián)離子交換軟化和脫堿系統(tǒng)工藝。,水,,交換器,,除CO2器,風(fēng)機(jī),中間水箱,泵,,混合,3.除鐵,我國(guó)地下水含鐵量在430mg/L左右，F(xiàn)e2+存在：對(duì)造紙和紡織用水不利，會(huì)留下斑點(diǎn)； 同時(shí)Fe2+極易污染離子交換樹(shù)脂，使樹(shù)脂中毒，而降低交換能力。 在鍋爐中使用易結(jié)鐵垢影響傳熱。 當(dāng)鐵濃度大于0.5mg/L時(shí)，做冷卻水或循環(huán)水，會(huì)在管道上沉淀鐵，會(huì)促使鐵細(xì)菌的繁殖，產(chǎn)生粘泥，堵塞管道。 除鐵的方法有兩種：氯氣除鐵和錳砂過(guò)濾除鐵。 （1）氯氣除鐵 Fe2+極易被O2、Cl2和高錳酸鉀氧化成Fe3+。 4Fe2++O2+

35、10H2O=4Fe(OH)3+8H+,,工業(yè)上采用,,蓮蓬頭曝氣 跌水曝氣,水,水,,過(guò)濾,,,水臺(tái),充氣池,鼓風(fēng),,（2）錳砂過(guò)濾除鐵 因?yàn)樘烊诲i砂中含有MnO2，它是Fe2+氧化成Fe3+的良好催化劑，其反應(yīng)為： 4MnO2+3O2=2Mn2O7 Mn2O7+6Fe2++3H2O=2MnO2+6Fe3++6OH- Fe3++ 3OH-=Fe(OH)3 經(jīng)錳砂過(guò)濾后除去6Fe(OH)3（錳砂既是催化劑又是濾料）。 從反應(yīng)可見(jiàn)水中要有足夠的氧。,,工業(yè)上的基本工藝是：,空氣,吸水管,加氣閥,水泵,錳砂過(guò)濾器,除鐵水(含氯高),去用戶,,4.除氯,原水經(jīng)過(guò)混凝、沉淀，澄清、過(guò)濾或軟化后即可作工

36、業(yè)用水，但若作為飲用水還必須進(jìn)行消毒處理。通常在水中通入氯氣殺菌消毒，但Cl2極易溶于水。 Cl2+H2O=HCl+HOCl HOCl=H++OCl- 氯氣在水中生成的HOCl和OCl-對(duì)殺菌極好。為維持殺菌的效果，必須過(guò)量，一般在管網(wǎng)的末端保持0.050.1mg/L的余氯。因?yàn)橛嗦葘?duì)交換樹(shù)脂有很強(qiáng)的破壞作用，因此要除氯。 方法有活性炭除氯法和化學(xué)藥劑除氯法。,,（1）活性炭除氯法 不僅僅是物理吸附作用，還有催化作用，使氯轉(zhuǎn)化為碳的氧化物。反應(yīng)機(jī)理為： Cl2+H2O=HCl+HOCl HOCl=HCl+O C+O =CO C+2O =CO2 所以無(wú)吸附飽和的問(wèn)題，另要損失少量碳。 （2）化

37、學(xué)藥劑除氯法 投加還原性藥劑如SO2或Na2SO3，將余氯還原。,,SO2+HOCl+H2O=3H++Cl-+SO42- Na2SO3+HOCl=Na2SO4+HCl SO2脫氯效果好，但水中的pH會(huì)因反應(yīng)中生成強(qiáng)酸而下降，而亞硫酸鈉要好一些，后者操作簡(jiǎn)單些。 除氣 對(duì)于高壓鍋爐必須要除去水中的CO2、H2S、SO2等氣體。方法有兩種，一般方法和充氣法。一般方法是升高水溫；充氣法是加熱在冷卻塔中淋灑，加壓使水霧化，增加水與空氣的接觸面積，降低水面上的空氣壓力，促使氣體排出。,五、循環(huán)冷卻水處理,1.冷卻水系統(tǒng) 用水來(lái)冷卻工藝介質(zhì)的系統(tǒng)稱(chēng)為冷卻水系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)分為兩種：直流冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)水冷

38、卻水系統(tǒng)。 （1）直流冷卻水系統(tǒng) 冷卻水僅僅通過(guò)換熱設(shè)備一次，用后就排放掉（利用水的溫度），因此在化學(xué)工業(yè)上用量大，排水溫升小，各種礦物和離子含量不變的系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn)：因不需要其他 冷卻水構(gòu)筑物，因此投資少，操作簡(jiǎn)單。,,缺點(diǎn)：冷卻水操作費(fèi)用大，而且不符合節(jié)約水資源的要求。不適用溫度高的環(huán)境（因?yàn)镃a(HCO3)2=CaCO3+H2O+CO2）。 （2）循環(huán)冷卻水系統(tǒng) 分為封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。,冷水,熱水外排,封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng),封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)又稱(chēng)為密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻水用后不是立即排放掉，而是收回再用，循環(huán)不已。循環(huán)過(guò)程中冷卻水不暴露于空氣中，所以水量損

39、失少。水中各種礦物質(zhì)和離子含量一般不變化。而水的再冷卻是在另一臺(tái)換熱設(shè)備用其他冷卻介質(zhì)來(lái)進(jìn)行冷卻的。缺點(diǎn)是能耗大，投資大。,熱水,換熱器,冷卻器可用低溫水冷卻（冷凍機(jī)）,冷卻器,敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng),敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻水用后也不是立即排放掉，而是收回循環(huán)使用，水的冷卻是通過(guò)冷卻塔來(lái)進(jìn)行的，因此冷卻水在循環(huán)中與空氣接觸。通過(guò)冷卻塔蒸發(fā)，礦物質(zhì)和離子濃度濃縮增加，為了維持各種礦物質(zhì)和離子含量穩(wěn)定在某一值上，所以要補(bǔ)充水，并排出一定量的濃縮水，即排污水。,排污,換熱器,,滲漏水,XX池,補(bǔ)充水,,缺點(diǎn)：損失部分水；冷卻的溫度受大氣濕球溫度的限制，不可能低于當(dāng)天的濕球溫度，這一點(diǎn)不如封閉式循環(huán)

40、系統(tǒng)；水質(zhì)發(fā)生變化，要排污，補(bǔ)充水。 優(yōu)點(diǎn)：比直接冷卻水系統(tǒng)節(jié)水，排污水也少，操作費(fèi)用比封閉系統(tǒng)少。因此不論從節(jié)水、環(huán)保、節(jié)能角度，盡可能推廣采用敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。 2.敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水進(jìn)行化學(xué)處理 原因：敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)產(chǎn)生的問(wèn)題是：循環(huán)使用，水的蒸發(fā)，礦物質(zhì)和離子的濃縮，灰塵雜物的進(jìn)入和風(fēng)吹日曬。會(huì)產(chǎn)生比直流系統(tǒng)更為嚴(yán)重的問(wèn)題：沉積物附著，設(shè)備腐蝕，微生物大量繁殖，粘泥污垢堵塞。因此要進(jìn)行化學(xué)處理。,產(chǎn)生的原因及危害,（1）沉積物的析出和附著（酸或碳酸鹽） 主要是天然水中都溶解有多碳酸鹽，這種鹽是冷卻水發(fā)生水垢附著的主要成分。 因?yàn)镃a(HCO3)2濃度隨著蒸發(fā)濃縮而增加，當(dāng)達(dá)到飽

41、和或加熱時(shí)（在換熱器中） Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2+H2O 又加上經(jīng)冷卻塔CO2，反應(yīng)向右進(jìn)行。 （2）設(shè)備的腐蝕（由于與大氣接觸） 設(shè)備的腐蝕有多種原因：冷卻水中的溶解氯引起的電化學(xué)腐蝕，微生物引起的腐蝕。,,電化學(xué)腐蝕（有害氣體O2） 由于水中的氯與金屬碳鋼接觸時(shí)，金屬表面的不均一性和冷卻水的導(dǎo)電性，在碳鋼的表面會(huì)形成許多腐蝕微電池，微電池的陽(yáng)、陰極區(qū)分別發(fā)生氧化合還原反應(yīng)。 在陽(yáng)極區(qū) Fe-2e=Fe2+ 在陰極區(qū) 1/2O2+H2O+2e=2OH- 在水中 Fe2++2OH-=Fe(OH)2 Fe(OH)2=Fe(OH)

42、3 使陽(yáng)極區(qū)的金屬不斷溶解而被腐蝕。,,有害離子的腐蝕 主要指氯化物和硫酸鹽，隨著Cl-和SO42-濃度增大，會(huì)加速碳鋼的腐蝕。 Cl-和SO42-會(huì)使金屬保護(hù)膜保護(hù)性能降低。因?yàn)镃l-離子半徑小，穿透性強(qiáng)，容易穿過(guò)膜層，置換氯原子形成氯化物，加速陽(yáng)極過(guò)程的進(jìn)行，所以它是引起點(diǎn)蝕的原因之一，尤其對(duì)碳鋼更甚。 微生物引起的腐蝕 這是由于微生物排出的粘液與無(wú)機(jī)垢和泥沙雜物等形成沉積物附著在金屬表面，形成氧的濃差電池，促使腐蝕。此外，,,a.厭氧菌的腐蝕 由于金屬表面和沉積物之間缺氧，厭氧菌（主要是硫酸鹽還原菌）得以繁殖。在2530時(shí)，繁殖更快，它分解出來(lái)的硫酸鹽產(chǎn)生H2S，引起碳鋼腐蝕。 S

43、O42-+8H++8e=S2-+4H2O+能量（細(xì)菌生存所需） Fe2++S2-=FeS（硫化亞鐵） b.鐵細(xì)菌 鐵細(xì)菌是鋼鐵銹腐產(chǎn)生的主要原因，它使Fe2+氧化為Fe3+，釋放出能量供細(xì)菌生存所需。 Fe2+=Fe3++能量（細(xì)菌生存所需）,（3）微生物的滋生和粘泥,冷卻水中的微生物一般是指細(xì)菌和藻類(lèi)。在新鮮水中，一般很少。在循環(huán)過(guò)程中由于養(yǎng)分的濃縮，水溫升高和日照，給細(xì)菌和藻類(lèi)提供了迅速繁殖的條件。大量的細(xì)菌分泌出的粘液像粘合劑一樣，使水中懸浮的雜物黏附在一起，形成粘糊狀的沉積物黏附在傳熱表面上，這種沉積物稱(chēng)為生物粘泥，或軟垢。 危害：粘泥附在管壁上，除上敘的腐蝕外，還會(huì)使冷卻水的流量減少

44、，降低傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)堵塞管子，這種現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。 以上三個(gè)原因要求水的處理。這種處理不同于以上所講化學(xué)處理，將有害物質(zhì)從水中除掉，而采取另一種方法，即對(duì)水質(zhì)進(jìn)行控制，以滿足要求。,3.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中有害物質(zhì)的控制,（1）沉積物控制（阻垢） 沉積物主要由水垢和泥垢構(gòu)成。 阻垢 A.冷卻水軟化。前面已講的實(shí)惠軟化法及離子交換樹(shù)脂法，采用較少。 B.加酸或通CO2，降低pH，穩(wěn)定住重碳酸鹽。因?yàn)?CO32HHCO3 ，平衡向左移動(dòng)。對(duì)有煙道氣和多余CO2的廠， Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2+H2O，加入使CO2平衡向左。當(dāng)然鍋爐用水不能加入CO2?。?！,,C.投加阻垢劑。 從水中析

45、出碳酸鹽的過(guò)程，就是難溶性鹽從溶液中結(jié)晶沉淀的過(guò)程。 按結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)：首先生成晶核，晶核在溶液中由于熱運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)）相互碰撞，和金屬壁碰撞，碰撞提供了晶核長(zhǎng)大的機(jī)會(huì)。然后形成覆蓋在傳熱面的垢層。如果投入某些藥劑，破壞其結(jié)晶長(zhǎng)大，就可達(dá)到控制水垢形成的目的。 目前的阻垢劑有聚磷酸鹽和有機(jī)磷酸。,,聚磷酸鹽包括：,,n,三聚磷酸鈉 六偏磷酸鈉,其鏈較長(zhǎng)，約含20100PO3-單位,,有機(jī)磷酸： ATMP：化學(xué)名稱(chēng)氨基三甲叉膦酸。結(jié)構(gòu)為： EDTMP：化學(xué)名稱(chēng)乙二胺四甲叉膦酸。結(jié)構(gòu)為：,(HO)2OPCH2N,CH2PO(OH)2 CH2PO(OH)2,,,(HO)2OPH2C (HO)2O

46、PH2C,CH2PO(OH)2 CH2PO(OH)2,CH2NCH2N,,,,,,泥垢的控制 A.做循環(huán)水的水質(zhì)處理 B.投加分散劑。分散劑將粘合在一起的泥團(tuán)雜物分散于懸浮水中，經(jīng)排污排掉，或者旁濾掉。目前常用的分散劑有上敘聚羧酸，除阻垢外，還有分散的作用，其機(jī)理有增溶和靜電斥力作用。此外還有天然的分散劑：木質(zhì)素，丹寧（從植物的皮部、木質(zhì)部、葉、根或果實(shí)中提取的），淀粉和纖維素等。 （2）金屬腐蝕的控制 常用的有四種： A.提高冷卻水的pH,（2）金屬腐蝕的控制,常用的有四種： A.提高冷卻水的pH值 因?yàn)閜H的增加，水中的H+減少，金屬腐蝕過(guò)程中的H+到陰極反應(yīng)受到抑制，碳鋼表面生

47、成氧化性保護(hù)膜的傾向增加。 B.選用耐蝕材料的換熱器 C.用防腐涂料涂覆 D.添加緩蝕劑,緩蝕劑,鉻酸鹽：鉻酸鈉Na2CrO44H2O 鉬酸鹽：鉬酸鈉Na2MoO44H2O 聚磷酸鹽：常用的是六偏磷酸鈉和三聚磷酸鈉，是線形的無(wú)機(jī)聚合物，其通式為： 有機(jī)多膦酸等。,,n,,其機(jī)理是： 抑制電極過(guò)程。抑制陽(yáng)極反應(yīng)，減少陰離子濃度；抑制陰極反應(yīng)（減少陽(yáng)離子的濃度）。 緩蝕。,,我們知道的引起故障的微生物,細(xì)菌 真菌 藻類(lèi),產(chǎn)粘泥細(xì)菌，又稱(chēng)粘液形成菌 鐵細(xì)菌（腐蝕） 硫酸鹽還原菌（腐蝕） 硝化細(xì)菌（腐蝕） 霉菌 酵母菌 藍(lán)藻 綠藻（需陽(yáng)光） 硅藻,,,,,（3）微生物及其控制,,它們的危害是腐蝕，粘泥，生長(zhǎng)堵塞。 控制的主要方法是：防止陽(yáng)光照射；旁流過(guò)濾；添加殺菌滅藻劑。 殺菌滅藻劑主要有：氯，銨鹽潔爾滅（十二烷基二甲基芐基氯化銨），新潔爾滅（十二烷基二甲基芐基溴化銨），異噻唑啉酮（2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮）。,,謝謝大家！,