锅炉水处理(一)

锅炉水处理（一）第一节天然水中的杂质及其特点一．我国天然水分布的特点我国年均降雨量为648.2mm(1956—1976年平均值)，水资源总量为2.8142×1.12m3/年。其中河川年径流量为2.71l5×1012m3/年。年径流量约占全球的5.8%，居世界第六位。由于我国大部分降雨的来源是太平洋，所以形成东南多雨而西北较干旱的特点，大部地区的降雨集中在夏秋两季，而各年的变化较大，容易引起旱涝。全国总的可分为四个水化学区域,这是由气候、地形、土壤、地质等各种条件决定的，它们的降水和经流水量、含沙量、含盐量、离子组成等水质特征都有各自不同的特点。(1)潮湿区包括东南沿海地区，降水量丰富而蒸发量小，因而径流量大，土壤层薄，多花岗岩地层，故河水含沙量低，混浊度也低，相当时间内混浊度不过数十mg/L甚至不到lOmg/L。土壤经多年淋溶，可溶化盐已流失。所以，潮湿区水的矿化度低、含盐量少、硬度相应也低，为极软水。(2)湿润区包括长江流域及其以南地区，黑龙江和松花江流域之间的地区。降水量充足而蒸发量不大，故径流量较多。矿化度一般在200mg/L左右。湿润区水的硬度属软水。(3)过度区包括黄河流域及其以北地区，到辽河流域。降水量较少而蒸发量较大，故径流量较少，水资源贫乏。由于径流量少，相对有较大矿化度和硬度，过渡区的水为适度硬水。(4)干旱区包括内蒙古和西北地区，面积很大，降水量少而蒸发量强烈，造成径流量很低的干旱地带。矿化度时常达到l000mg/L升以上，硬度也高，属于硬水或极硬水。水化学分区只能反映大致概况，实际上各局部地区水质的变化情况是复杂的。二．天然水中的杂质天然水中，雨、雪最为纯洁。但在下降过程中与大气中混有的各种杂质相遇，如氧、二氧化碳、氮、硫化氢和灰尘等，使水质受到污染。天然水中杂质的种类很多，但在一般情况下，它们都是由一些常见元素组成的酸、碱、盐之类的化合物，只有少量是呈单质或复杂化合物盼形态。我们通常按这些杂质的分散态进行分类，水中杂质分类如表3-1。表3—1水中杂质分类粒径(mm)lO-7lO-610-510-410-310-2lO-1llO分散体系真溶液胶体溶液悬浮液外观透明光照下浑浊浑浊肉眼可见显徽镜观测工具电子显徽镜运动特点布朗运动重力沉降常用处理法离子交换超滤精密过滤自然沉降与过滤电渗析混凝、澄清与过滤反渗透根据此种分类法，天然水中的杂质可相应地分成悬浮物、胶体和溶解物质。以下介绍这些物质的概况。（1）悬浮物悬浮物的颗粒较大，一般在10-4mm以上。所以，它们在水中是不稳定的，在重力或浮力的作用下易于分离出来。比水重的悬浮物，如沙子和粘土之类的无机化合物，当水静置时或流速较慢时会下沉；比水轻的悬浮物，如动植物生存过程中产生的物质或死亡后腐败的产物，当水静置时会上浮。（2）胶体胶体是指颗粒直径约为10-6～10-4mm之间的微粒。胶体颗粒在水中有布朗运动，它们不能靠静置的方法自水中分离出来。而且，胶体表面常因带电荷，使同类胶体之间存在同性电荷的斥力，不易相互粘合成较大的颗粒，所以，胶体的水溶液比较稳定。胶体大都是由许多不溶于水的分子所组成的集合体。有些溶于水的高分子化合物也被看作胶体，因为它们的分子较大，具有与胶体相同的性质。在天然水中，属于前一种胶体的主要是铁、铝和硅的化合物。属于后一种的多是因动植物腐烂而成的有机胶体，其中主要是腐殖质。（3）溶解物质溶解物质是指颗粒直径小于10-6mm微粒，它们大都以离子或溶解的气体状态存在于水中，现概述如下。①离子态杂质天然水中含有的离子种类甚多，但在一般的情况下，它们总是一些常见的离子。如按含量多少来分，可以将这些离子归纳为表3—2中的三类。其中第一类杂质的含量常最多，是工业水处理中需要净化的主要离子。下面重点介绍天然水中主要离子的来源。表3—2天然水中溶有离子的概况阳离子阴离予类别名称符号名称符号含量说明I钙离子Ca2+重碳酸根HCO3-几个mg/L至几十mg/L镁离子Mg2+氯离子Cl-钠离子Na+硫酸根SO42-钾离子K+Ⅱ铁离子Fe3+氟离子F-十分之几mg/L至几个mg/L锰离子Mn2+硝酸根NO3-铵离子NH4+碳酸根CO32-Ⅲ铜离子Cu2+硫氢酸根HS-小于十分之一mg∕L锌离子Zn2+硼酸根BO2-镍离子Ni2+亚硝酸根NO2¯钴离子CO2+溴离子Br¯铝离子Al3+碘离子I¯a.钙离子(Ca2+)钙离子是大多数天然淡水的主要陌离子，是火成岩、变质岩和沉积岩的基本组分。当水与这些矿物质接触时，、这些矿物质会慢慢溶解，使水中含有钙离子，如石灰石(CaCO3)和石膏(CaSO4·2H20)的溶解。CaCO3在水中的溶解度虽然很小，但当水中含有游离的CO2时，CaC03被转化为较易溶解的Ca(HCO3)2而易于溶解水中，其反应为：CaC03+C02+H20=Ca2++2HCO3-(3—1)CaS04·2H20=Ca2++2H20+SO42-(3—2)上述反应说明，当天然水溶解方解石和白云石时，水中Ca2+、Mg2+的含量随大气中CO2含量的增加丽增加。在土壤与岩石中，由于植物根系的呼吸作用或微生物对死亡植物体的分解作用，使CO2的分压比地面大气中CO2的分压高10--100倍，所以地下水中Ca2+的浓度一般比地表水高。天然水体中含有较多的H+离子时，可使CaCO3、CaSO4·2H20、CaSO4同时溶解，使水中钙离子浓度大大超过HCO3-的浓度。水中Ca2+不仅能与有机阴离子形成络合物，而且能与HCO3-生成Ca(HCO3)2离子对。当水中SO42-的含量超过1000mg/L时。可有50%以上的Ca2+与SO42-生成CaSO4离子对。不同天然水中钙离子的含量相差很大，一般在潮湿地区的河水中Ca2+漓子的含量比其它任何离子都高，在20mg/L左右。在干旱地区的河水中，水中Ca2+含量也较高。在封闭式的湖泊中，由于蒸发浓缩作用，可能会出现CaC03沉淀或CaSO4沉淀，从而使水的类型由碳酸型变为硫酸型或氧化物型。b．镁离子(Mg2+)镁离子几乎存在于所有的天然水中，是火成岩镁矿物和次生矿及沉积岩的典型组分。当水遇到这些矿物质时，镁离子进入水中，如，MgCO3会被游离的CO2溶解，其反应为：MgC03+C02+H20=Mg2++2HCO3-(3—3)一般在天然水Mg2+的含量较Ca2+小，很少见到以Mg2+为主要阳离子的天然水体。在淡水中Ca2+是主要阳离子，在咸水中Na+是主要阳离子。在大多数天然水体中，Mg2+的含量一般在1～40mg/L。c．钠离子(Na+)钠主要存在于火成岩的风化产物和蒸发岩中，钠几乎占地壳矿物组分的25%，其中以钠长石中的含量最高，这些矿物在风化过程中易于分解，释放出Na+，所以在与火成岩接触的地表水与地下水中普遍含有Na+，在干旱地区岩盐是天然水中Na+的主要来源，被岩盐饱和的水中Na+含量可达1509/L。大部分钠盐的溶解度很高，所以，在自然环境中一般不存在Na+的沉淀反应，也就不存在使水中钠离子含量降低的情况，Na+在水中的含量在不同条件下相差非常悬殊，在咸水中Na+离子含量可高达100000mg/L以上，在大多数河水中只有几mg/L至几十mg/L，在赤道附近的河水中可低至1mg/L左右。所以，在高含盐量的水中Na+是主要阳离子，如海水中Na+含量按重量计占全部阳离子的81%。d．钾离子(K+)在天然水中k+的含量远远低于Na+，一般为Na+含量的4%～10%，由于含钾的矿物比含钠的矿物抗风化能力大，所以，Na+容易转移到天然水中来，而钾则不易从硅酸矿物中释放出来，即使释放出来也会迅速结合于粘土矿物中。K+在一般天然水中的含量不高，而且化学性质与Na+相似。因此，在水质分析中常以磷酸氢根HPO42-磷酸二氢根H2PO4-(Na++K+)之和表示它们的含量，并取其加权平均值25作为两者的摩尔系数。e．亚铁离子(Fe2+)在天然水中除了以上四种阳离子之外，在一部分地下水中还含有Fe2+。当含有CO2的水与菱铁矿FeSO4或FeO的地层接触时，发生以下化学反应：FeSO4＝Fe2++SO42-FeO+2C02+H20=Fe2++2HCO2-从而使地下水中含有一定数量的二价铁离子。Fe2+在地表水中含量很小，因为地下水暴露大气后Fe2+很快被水中氧氧化成Fe3+，进而形成难溶于水的Fe(OH)3胶体沉淀出来。f．碳酸氢根离子(HC03¯)和碳酸根离子(CO32-)HC03¯是淡水的主要成分，它主要来源于碳酸矿物质的溶解。HCO3-的含量也与水中CO2的含量有关。水中CO32-含量与[H+]成反比，计算表明，当水的pH8．3时，CO32-的含量也很少了，即在酸性与中性条件下不存在CO32-。g．硫酸根离子(SO42-)硫不是地壳矿物的主要成分，但它常以还原态金属硫化物的形式广泛分布在火成岩中。当硫化物与含氧的天然水接触时，硫元素被氧化成SO42-。火山喷出的SO2和地下泉水中的H2S也可被水中氧氧化成SO42-。另外，沉积岩中的无水石膏(CaSO4)和有水石膏(CaSO4·3H20，CaSO4·5H20)都是天然水中SO42-的主要来源。含有硫的动植物残体分解也会增加水中SO42-的含量。硫酸根在天然水中的含量是居中的阴离子，在一般的天然水中，[HCO3-][S042-][Cl-]。在含有Na2SO4、MgSO4的天然咸水中，SO42-的含量可高达100000mg／L。h．氯根(Cl¯)氯离子也不是地壳矿物中的主要成分，在火成岩的含氯矿物中主要是方钠石{Na8[C12(AlSiO4)]6)和氯磷灰石[Ca6(PO4)3Cl3]，所以火成岩中的氯不会使正常循环的天然水体中含有很高的氯离子。氯离子几乎存在于所有的天然水中，但其含量相差很大。在某些河水中只有几mg／L，而在海水中却高达几十g∕L。由于氯化物的溶解度大，又不参与水中任何氧化还原反应，也不与其它阳离子生成络合物及不被矿物表面大量吸附，所以氯离子在水中的化学行为最为简单。i．硅(Si)硅(SiO2)是火成岩和变质岩中大部分矿物的基本结构单元，也是天然水中硅化物的基本结构单元。在锅炉水处理中，水中的硅均以SiO2表示。由于硅化物在锅炉的金属表面上或者在汽轮机的叶片上形成沉积物后，非常难以清除，所以成为锅炉水处理中的重点清除对象。②溶解气体天然水中常见的溶解气体有氧(O2)和二氧化碳(CO2)，有时还有硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)和氨(NH3)等。天然水中O2的主要来源是大气中的O2的溶解，因为干空气中含有20.95％的氧，水与大气接触使水体具有自充氧的能力。另外，水中藻类的光合作用也产生一部分的氧：CO2→O2+C，C元素被吸收并放出氧气，消耗的CO2以HCO3-→CO2+OH-的方式不断补充，但这种光合作用并不是水体中氧的主要来源，因为在白天靠这种光合作用产生的氧却在夜间的新陈代谢过程中消耗了。由于水中微生物的呼吸、有机质的降解以及矿物质的化学反应都消耗氧，如水中氧不能及时补充，水中氧的含量可以降得很低。所以，地下水因不与大气相接触，氧的含量一般较少；而地表水的氧含量，因来源的不同而有较大的差别，天然水的氧含量一般在O～14mg／L之间。天然水中C02的主要来源为水中或泥土中有机物的分解和氧化，也有因地层深处进行的地质过程而生成的，其变化在几mg/L至几百mg/L之间。其饱和浓度可以达到14～50mg／L。地表水的CO2含量常不超过20～30mg／L，地下水的CO2含量有时很高，有时达到几百mg／L，说明水中有机质降解时，一方面消耗了氧气，另一方面也产生了CO2，使水中CO2含量远远超过了与大气接触时的平衡CO2量。③微生物在天然水中还有许多微生物，其中属于植物界的有细菌类、藻类和真菌类；属于动物界的有鞭毛虫、病毒等原生动物。另外，还有属于高等植物的苔类和属于后生动物的轮虫、绦虫、虾等。第二节锅炉用水的水源及其名称一．锅炉用水的水源低压锅炉用水通常取自以下水源。(1)大气降水大气降水是指大气圈中的水蒸气和由水蒸气冷凝并处于高度分散状态的细小水滴，它除含有