华北理工水质工程学教案21第七章水的软化7-1软化的目的与方法概述7-2水的药剂软化法

课程名称：《水质工程学I》第周，第21讲次摘要授课题目（章、节）§7—1、水软化的目的与方法概述【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】属工业给水处理某些工业用水，对水质有特殊的要求：如：硬度；蒸发残渣；纯度；温度；腐蚀性；结垢的缓解等。包括：水的软化；水的淡化和除盐；水的冷却；循环水水质稳定。§7—1、水软化的目的与方法概述悬浮物胶体状物质混凝，沉淀，过滤，天然水中含菌类消毒处理。有的杂质溶解盐类—软化和除盐处理。气体(CO2、O2)—曝气，化学处理。一、天然水中溶解的盐类及其析出的规律：1、溶解于水中的盐以离子态存在，阴、阳离子当量数相同，水呈电中性。水中：阳离子：主要Ca2+Mg2+Na+K+少量Fe2+Mn2+Sr2+Fe3+Al3+阴离子：主要：HCO3－SO42－Cl－少量：CO32－SiO32－2、水中溶解离子的加热蒸发组合规律：水中的多种阴阳离子说不上结合成了那些化合物，但加热后，有析出的先后顺序。阳离子析出的顺序为：Ca2+→Mg2+→Na+→K+阴离子析出的顺序为：HCO3－→SO42－→Cl－注：HCO3－的析出是反应后析出，2HCO3－MCO3+CO2↑+H2O假设化合物——将水中各种离子加热水蒸发，按其沉淀折出的先后顺序，假想组成某些结合物。应用：（1）可以拟定水的处理方案；（2）可知物质析出的先后顺序；（3）可以写出化学方程式。注意：水质分析的阴阳离子当量数应相等，如不相等时，误差不可超过5%。二、硬度：硬度物质：Ca2+Mg2+Fe2+Mn2+Sr2+Fe3+Al3+等1、（总）硬度——把水中能生成水垢的钙、镁离子的总含量称为水的总硬度，用Ht表示。2、硬度分类：总硬度又分为：（1）碳酸盐硬度（暂时硬度）Hc：加热后可以析出CaCO3；MgCO3；Mg(OH)2沉淀的硬度。OHCOCOHCOCa22332Ca2OHCOCOHCOMg22332Mg22223Mg(OH)COOHMgCO（2）非碳酸盐硬度（永久硬度）Hn：加热后不析出沉淀物，如MgSO4按离子种类分：钙硬度：HCa镁硬度：HMg复习化学单位：一、物质的量n：1、使用物质的量n所表达的是：基于某一物系中所包含某特定种类粒子数多少而给出的一个量。2、物质的量n是SI的基本量，因而它不可能有意义。（因为一切基本量都没有定义）3、表达式：系统中有N个基本单元X，其基本单元X的量n(X)为：LXNXn)()(L—阿伏加德罗常数，L=6.0221376×1023mol－1X—基本单元，基本单元可以是原子、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的“特定组合”。如：2CO2；451MnO；e32；N；C—C（碳—碳键）……。例：n1(S)和n1(S8)n1(S)—是以1个S做基本单元。n1(S8)—是以8个S做基本单元。若:88188)()(SLNLSNLSNSn∴n1(S)=8n1(S8)通式：XznXzn11Xz1—称为当量粒子。常用：z—等于离子电荷数。二、摩尔质量M：1、摩尔质量M：是联系物质的量n与其质量m的一个量。2、定义：某一基本单元X在一物系中的总质量为m(x)，其量为n(x)，则其摩尔质量M(x)为：XnXmXM)(单位：g/mol对于给定的基本单元X，其摩尔质量M(x)是一物理常量。如：M(Ca)=40.08g/molM(H)=1.0079g/molM(H+)=1.0074g/molM(1/2Ca2+)=20.04g/mol3、摩尔质量M(X)与M(Xz1)的关系：XMzXzM11三、物质的量浓度C：1、定义：VXMXmVXnXCV—溶液的体积，常用单位升（L）或毫升（ml）。2、同一溶液，X与当量粒子Xz1的浓度关系：XzCXzC1XzCzXC113、硬度的单位与度量：（1）物质的量浓度：ⅰ法定：mｍol/L1/2Ca2+的摩尔浓度，以电子数为粒子量单位。ⅱ常用：mｍol/LCa2+摩尔浓度，以Ca2+粒子量单位。（2）当量浓度：meq/L毫克当量.（3）德国度：10mgCaO/L为一度d°（4）折算CaCO3的量浓度：美日等国用。mg(CaCO3)/L换算关系：1（Ca2+）mｍol/L=2.0(1/2Ca2+)mｍol/L=2.0meg/L=5.6d°=100mg(CaCO3)/L4、天然水据硬度分类；极软水：4d°1.5mmol(1/2Ca2+)/L软水：4～8d°1.5～3.0mmol(1/2Ca2+)/L中硬水：8～16d°3.0～6.0mmol(1/2Ca2+)/L硬水：16～30d°6.0～11.0mmol(1/2Ca2+)/L极硬水：30d°11.0mmol(1/2Ca2+)/L5、硬度与碱度的关系：两者单位相同。碱度：水中所含能与强酸发生中和作用的全部物质。①氢氧化物碱度（天然水中含量极小）OH—离子含量（2）碱度分类：②碳酸盐碱度（天然水中含量极小）CO32—③重碳酸盐碱度（天然水中含量高HCO3—（3）关系：同一水样中的碱度和硬度，ⅰ总碱度总硬度时：水中有碳酸盐和非碳酸盐硬度。则：总硬度－总碱度=非碳酸盐硬度。总碱度=碳酸盐硬度。ⅱ总碱度总硬度时：除Ca2+，Mg2+外，还有Na+，K+重碳酸盐。总碱度－总硬度=负硬度（钠盐碱度）ⅲ总碱度=总硬度时：水中只有碳酸盐硬度。即：总硬度=总碱度=碳酸盐硬度三、软化的目的：1、硬度的危害：锅炉用水：硬度大，使锅炉结垢，水垢的传热系数是钢铁的1/50，所以造成燃料的浪费；传热不均匀时，使金属烧损，引起锅炉爆炸。冷凝器中水硬度高：会结垢，堵管，增加水管阻抗——增加能耗。印染造纸等工业对水的硬度都有一定要求（产品质量）。日常生活：洗涤费肥皂，水壶结垢，2、软化的目的：消除上述危害。3、软化与除盐的区别：（1）软化：去除或降低水中Ca2+，Mg2+离子的过程。这个过程，有可能使阴离子也降低，即含盐量相应降低。也有可能阴离子不降低，即有别的阳离子Na+，K+替代Ca2+，Mg2+。（2）除盐：是减少水中盐类总量的过程。不特别指去除某种离子，只要非H+阳离子，即去除。但只要减少阳离子，必然有Ca2+，Mg2+的减少——包含着软化。所以除盐起到了软化作用。但软化不能代替除盐。四、软化方法：1、基于溶度积原理：加入药剂，使Ca2+，Mg2+转化为难溶物质使其析出沉淀，称为药剂软化法或称沉淀法。2、基于离子交换原理：用离子交换剂，用Na+，H+离子将水中的Ca2+，Mg2+离子交换出来。称离子交换法。3、基于电渗析原理：利用离子交换膜的选择透过性，使Ca2+，Mg2+浓缩去除。称为电渗析法。4、加热法：因加热后可使碳酸盐浓度积降低，重碳酸盐分解成碳酸盐沉降，以去除Ca2+，Mg2+。（少用。）§7-2水的药剂软化法向水中加入药剂，降低水中的Ca2+Mg2+离子。1、难溶物质的溶度积（25℃）表:2、药剂软化：据溶度积原理，投加药剂（石灰，苏打等）使水中Ca2+，Mg2+离子反应生成CaCO3和Mg（OH）2沉淀物。3、工艺：投药混合，絮凝，沉淀，过滤。一、石灰软化法：1、软化原理：（1）生石灰消化：CaO+H2O=Ca(OH)2（2）Ca(OH)2→Ca2++2OH－2HCO3－+2OH－→2CO32－+2H2O+）Ca2++CO32－→CaCO3↓Ca(OH)2+2HCO3－→CaCO3↓+CO32－+2H2O↘+Ca2+→CaCO3↓加入1molCa(OH)2可去除1molCa2+石灰软化过程中其它的反应：CO2+Ca(OH)2→CaCO3+H2OCa(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2OMg(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+MgCO3+H2O+)MgCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Mg(OH)2↓Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2→2CaCO3↓+Mg(OH)2↓+H2O还有：MgSO4+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaSO4变成了永久硬度。MgCl2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCl24Fe(HCO3)2+8Ca(OH)2+O2→Fe(OH)3↓+8CaCO3↓+6H2OH2SiO3+Ca(OH)2→CaSiO3↓+2H2O主要是：生成难溶的CaCO3、Mg(OH)2沉淀，减少水中Ca2+，Mg2+。去除水中碳酸盐硬度和降低水的碱度。2、特点：（1）CO2也要消耗一定量的石灰，但对后续反应有益。2HCO3－→CO2+CO32－+H2O减少了HCO3－（2）去除重碳酸钙是等摩尔进行的；去除重碳酸镁是用2倍摩尔的石灰用量。（3）仅能去除重碳酸盐硬度，不能去除非碳酸盐硬度。因此出水水质硬度高。水的剩余碳酸盐硬度可降到：0.25~0.5mmol/L。剩余碱度：0.8~1.2mmol/L。（4）可以去除部分Fe2+和SiO32－等：硅化物可去除30～35%；铁残留量约0.1mg/L；有机物可去除25%。（5）不可投加过量，否则会增加水的硬度。3、适用条件：碳酸盐硬度高，非碳酸盐硬度低的水质，并且要求水的硬度不太高的情况下，一般用作预处理。4、石灰用量计算：（1）当HCaHc：(钙硬度碳酸盐硬度时)水中无Mg(HCO3)2仅有Ca(HCO3)2其质量浓度ρ(mol/L)ρ(CaO)=56〔C(CO2)+C(Ca(HCO3)2)+C(Fe2+)+K+α〕mg/L(2)当HCaHc：水中有Mg(HCO3)2ρ(CaO)=56〔C(CO2)+C(Ca(HCO3)2)+2C(Mg(HCO3)2)+C(Fe2+)+K+α〕mg/L式中:ρ(CaO)—氧化钙（生石灰）的质量浓度mg/L；C(CO2)—原水中游离CO2浓度；mmol/L；C(Fe2+)—原水中铁离子浓度；mmol/L；K—混凝剂投加量；mmol/L；α—CaO过剩投量，取0.1～0.2mmol/L；二、石灰—苏达软化：苏达：Na2CO31、适用条件：原水硬度大于碱度。（水中有非碳酸盐硬度）2、加苏达的目的：去除水中非碳酸盐硬度。3、反应原理：（1）CaSO4+Na2CO3→CaCO3↓+Na2SO4（2）CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaCl（3）MgSO4+Na2CO3→MgCO3+Na2SO4（4）MgCl2+Na2CO3→MgCO3+2NaCl（5）MgCO3+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓4出水剩余硬度可降到0.15~0.2mmol/L。【本讲课程的小结】【本讲课程的作业】