第2章-无机化学工艺学-工业用水

武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学第二章工业用水水的特性及在化学工业中重要性水的来源及其杂质水的硬度工业用水化学处理循环冷却水处理武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学一、水的特性及在化学工业生产中的用途不论化学工业、冶金、机械、电力、纺织等各行业，几乎都离不开水。尤其是化学工业是用水大户，（由于其化学反应工程、分离工程和公用工程所解决的是：加热、冷却、蒸发、冷凝、聚合、裂解等都离不开水）。如生产1吨人造纤维需500吨以上的水；生产1吨烧碱要150吨水；加工1吨石油需4吨水。21世纪用太阳能电解水H2和O2形成燃料电池的原料，也离不开水。为什么化学与水结下了不解之缘呢？这与水的性质有关。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学1、天然水的特性水在常温下呈液态存在，具有一般液体的共性。与其他液体相比，又有许多独立的特性。1）水在0～4℃范围内，不是热胀冷缩，而是冷胀热缩，即t↑v↓γ↑。2）在所有的液体中，水的比热容最大，为4.18J/g.℃，因此水可作为化工优质的热介质，用于冷却、储热、传热等方面。3）0～100℃水可以出现g、l、s三相变化。故利用水的相变的相热转换能量是很方便的。化学中可用作惰性气体或水蒸汽蒸馏（增加总压，降低沸点）。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学4）在液体中，除汞以外，水的表面能最大。5）水的溶解及反应能力极强，许多物质不但在水中有很大的溶解度，而且有最大的电离度。因此可作为溶剂、试剂、助剂、电解制H2的原料等。6）水有较好的导电性能，是随着水中含盐量的增加而增大。因此作化工过程静电的消除剂（增湿法）。对水的特性认识后，即可理解化学工业中水的用途。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学2、化学工业中水的主要用途1）原料：即前述的起始原料，作为制氢气、水煤气和有机合成等的原料。2）溶剂（吸附剂）：固体物质的溶解、气体的吸收。3）稀释剂：造纸纸浆、酿酒勾兑。4）冷却剂：间、直冷却水，作为冷却介质，用于几乎所有的化工厂。5）热载体：蒸汽或作为蒸汽透平机的动力。（风机、蒸汽泵等），水蒸汽蒸馏。可见，水已是拟建化工厂外部的极其重要的条件。西部开发首先完成基础设施、基础教育建设，然后有了水才能开发附加值高的化学工业产品。（水是外部条件投资环境的重要部分）武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学3、对水质的要求化工工业用水，按以上所讲大体可分为两大种：直接用水、间接用水。直接用水：系水与产品直接接触，或用于生产产品，对产品质量有很大的影响，故要求优良的水质。（浊度、悬浮物、pH和杂质等要求严格）间接用水：对产品质量一般无影响，出于防腐和防垢的要求，而需要采用不同的水质。（对温度、pH和硬度有要求）因此，生产对象不同，对水质的要求不同。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学1）原料用水：直接作为原料或作为原料的一部分而使用的水。例如电解水、饮料、食品加工、酿造，水质对产品的影响较大，最好的水质：无色、无浊、无味、盐类含量适当（pH）、氨氮和亚硝酸盐、细菌等指标符合生产要求。酿酒工业要求更严，一些名酒除了它的独特酿造技术外，都是因选用当地的优质井水而著称。合成纤维、电解、医药都要求优质的纯水。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学2）产品处理用水这种水在水产过程中作为洗涤、漂染、打浆等用水，故也要求同上较好的水质。例如，造纸水中如有铁盐，生产高级纸张会产出斑点。3）锅炉用水（间接用水）。由于水的硬度高（即水中含有钙镁盐类），使锅炉汽包内结垢，致使传热系数↓，易使蒸汽品质恶化，局部过热引起过热爆炸。要求：锅炉用水对水的硬度、含盐量、碱度、pH值、溶解氧均有严格的指标要求。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学4）冷却用水：冷却用水量最大，作用是来冷却热介质，所以防止腐蚀、结垢、微生物危害是冷却水处理的三大任务。因此冷却水(循环）的水质。要求：硬度、悬浮物、溶解气体、油、其他有机物、藻类、微生物都应控制。例：煤化工厂、石油化工厂的循环水，要进行杀菌除藻及除垢处理。（投加杀菌灭藻阻垢剂）。另外，工业废水、有毒物，要求经处理后达到我国三废排放制度标准后方可外排。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学二、水的来源及其杂质1、水的资源及其分布水是自然界中分部最广的一种资源，它以气液固三种状态存在，自然界的水主要指海洋、河流、湖泊、地下水、冰川、积雪、土壤水和大气水分等水体，其总量为1.4×1019m3,如果将其平铺在地球表面上，水层深度可达到约3000m深，但是大部分是咸的海水，加上内陆地表咸水湖，地下咸水约占总水量的98%。而冰川、积雪约占总水量的1.7%，目前尚难以利用开发。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学水的资源及其分布实际上可供开发利用的淡水只占总水量的0.3%，约为4×1016m3。因此，淡水是有限的宝贵资源。从我国情况看：我国的淡水资源比较丰富，居世界第五位，但人均水资源量与世界许多国家相比，相关很大，排列88位。因此我们是一个富水国，也是一个缺水国。每年缺水500亿m3,目前水荒覆盖几乎遍及全国，水荒已是工农业业发展面临的较严峻的问题。从而可见化工节水，治理废水，已刻不容缓。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学人均水资源：加拿大145900m3/人均，美国14280m3/人均，中国2380m3/人均。水是化学工业生产中重要的原料之一，没有合格的水源，任何工业都难以为继，作为工业用水的淡水水源主要来自地表的江河水，湖泊水和水库水及地下水（井水）。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学2.工业用水的来源及水质①地表水：称地上水，指江、河、湖泊及水库中的水。其水质一般为：含盐量及硬度比较低，含盐量一般在70～100mg/L，硬度一般在1.0～8.0mmol/L；特点：随季节变化较大。春冬两季枯水期，含盐、硬度↑，浊度↓；丰水期，含盐、硬度↓，浊度↑。水温随温度变化大。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学②地下水：地下水主要来源是通过地层过滤雨水和雪水渗入地下而形成。因此水中溶入较多的矿物盐类。其水质：含盐量在100～500mg/L，硬度在2～10mmol/L，悬浮物少，浊度低。特点：硬度大，温度变化小，温度低，是很好的冷却剂。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学有这么一种说法：南方水，要解决水温和浊度的问题；北方水，要解决水量和硬度问题。各有各的问题，我们就是要解决这个问题。值得一提的是，上述二种水或者说自然界中的水都是通过太阳和不断蒸发、凝结和再降落等环节实现自然循环的，在此循环中不会增加，也不会减少。只有污染和破坏后才会改变。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学3.水中的杂质及其危害天然水，不管来自什么水源，通常都含有各种溶解物（盐类、气体)和不溶解物（悬浮物和不溶的有机物）。这些杂质与水接触的物质的过程有关，其数量又与接触杂质的时间有关。由于地质结构，区域及水的流动方向状态等的不同，水中混有的杂质也不尽相同。杂质大体可分为四类：悬浮物和胶体物、微生物、可溶气体及溶解的盐类。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学1)、悬浮物和胶体物悬浮物指颗粒直径在10～50μm之间的微粒（主要来自矿物质的砂砾、细泥和粘土）、浮游生物（主要指藻类）及腐败的动植物。它的危害：堵塞输送管道、降低传热效率、某些有机物易使锅炉起泡产生汽水共腾、影响产品质量（用作原料）、电化学腐蚀。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学胶体物：指10-6～10－5μm,分子或离子的集合体。其比表面积大，具有不同程度的表面活性吸附能力。常常吸附了大量离子而带负电荷。主要来自有机胶体物(动植物残骸分解而生成的腐殖质)；无机胶体物(主要是铁、铝、硅的化合物和胶体硅)。它的危害：胶体硅——锅炉内产生沉积，易产生汽水共沸现象;铁铝化合物——炉内（设备内）清垢产生垢下腐蚀；有机胶体物——污染产品、影响质量，易使炉水起泡，使蒸汽品质变坏。2）微生物危害：对酿造、食品工业影响较大，使水产生色度，并有不愉快的臭味。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学3）可溶气体（危害是对金属的腐蚀）主要来自大气和环境中的CO2、O2、H2S、NH3。危害：①CO2CO2溶于水中呈弱酸，对金属水管有腐蚀作用，是因为在低的pH和缺氧情况下，它可以将铁溶解，生成碳酸亚铁［Fe(HCO3)2］－武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学②O2的存在，引起金属的电化学腐蚀，在做电池中:阳极区Fe-2e=Fe2+阴极区O2+2H2O+4e=4OH-Fe2++2OH-=Fe(OH)2Fe(OH)2Fe(OH)3↓这些反应促使微电池中的阳极区的金属不断溶解而被腐蚀。OO2武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学③H2S是有机质腐败后所生成的酸性物质，水中含量很少，对金属有腐蚀作用，并能与金属盐类发生反应，生成有色沉淀影响产品质量。④NH3:含量极少，它是由蛋白质腐败分解而来的，它对钢容器腐蚀作用较强。4）溶解的盐类水中溶解的盐类一般有Na、K、Ca、Mg、Al、Fe、Mn等盐。这些盐大多为强电解质。这些盐主要是由于流经地层时溶解某些矿物所致。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学因此水流地层不同，酸碱度不同，电离的离子亦不同。危害①Na+、K+（称为碱金属离子，它们的盐类非常易溶于水，主要来自岩石和土壤中），引起锅炉水起泡，蒸汽夹带水。用这种蒸汽作为蒸汽透平机的动力，在高速离心下，局部结晶，损坏透平机叶轮。②Ca2+、Mg2+——钙离子由地层中石灰石（CaCO3)和石膏（CaSO4·2H2O）溶解而得。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学CaCO3的溶解度很小，当水中有CO2时，容易转化而溶解。CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2Mg主要由含CO2的水溶解地层中的白云石（MgCO3·CaCO3)所致:MgCO3·CaCO3+2CO2+H2O=Mg(HCO3)2+Ca(HCO3)2在化工中，当水受热后分解为碳酸盐，溶解度下降，过饱和的Ca、Mg盐和氢氧化物沉淀下来。Ca(HCO3)2=CaCO3↓+H2O+CO2↑Mg(HCO3)2=MgCO3+H2O+CO2↑MgCO3+H2O=Mg(OH)2↓+CO2↑Ksp[Mg(OH)2]=5.3×10-12Ksp[CaCO3]=4.8×10-9Ksp[MgCO3]=1.0×10-5所以在同等的浓度下Mg(OH)2先↓、而后CaCO3↓。∆∆武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学又由于一般天然水中，Mg盐和其氢氧化物的含量比较低，主要的垢是CaCO3。Ca2+、Mg2+结垢后，设备的热传导降低，影响最大，这是化工单元中最不希望的。由化工原理知：）（＝（＝传导2121F)FttttQR)F21ttRQ（＝传导δ↑，R↑，Q↓又因为垢使λ变小，即λ↓，R↑，Q↓其中：λ为导热系数；F为导热面积；δ为壁厚；R为热阻一般δ增加1mm，热效率降低10%左右。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学③Fe2＋、Mn2＋——这二种离子地下水含量比地面水高。两者常相伴。锰的含量占铁的含量的十分之一左右。这两种元素都是人体中的微量元素，饮用水含有一定含量对人的健康有益。标准饮用水中铁要求0.3mg/L。在化学工业中危害主要是：①着色。铁化合物是常见矿物，是天然水中铁是常见杂质，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胶体微粒——着色，影响质量。锰与铁特性相近，以Mn2＋存在。相氧化成胶体状的有机锰化物。例如：高级纸张，纺织厂，印染厂，人造丝，电镀等对铁和锰的要求较高，最好不含有。使纸张变黄，颜色不艳，没有光泽等。②同时：铁主要引起铁沉积细菌繁殖，严重地堵塞管道和设备。因此水要杀菌除藻。武汉科技大学化学工