第2章无机化学工艺学-工业用水.ppt

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,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。,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04范围内，不是热胀冷缩，而是冷胀热缩，即tv。 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）0100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）。,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。,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）,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。,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。,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。,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。,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3000 m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。,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。,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）。,2.工业用水的来源及水质,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70100mg/L，硬度一般在1.08.0 mmol/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。,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100500mg / L，硬度在210 mmol / 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。,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。,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。,1)、悬浮物和胶体物 悬浮物指颗粒直径在1050m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。,胶体物：指10-6105m,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。,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： CO2 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,O2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)2 Fe(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。,O,O2,H2S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。 NH3: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。,因此水流地层不同，酸碱度不同，电离的离子亦不同。 危害 Na+、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。 Ca2+、Mg2+钙离子由地层中石灰石（CaCO3)和石膏（CaSO4·2H2O）溶解而得。,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 KspMg(OH)2=5.3×10-12KspCaCO3=4.8×10-9 KspMgCO3=1.0×10-5 所以在同等的浓度下 Mg(OH)2先、而后CaCO3。,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：,，R，Q,又因为垢使变小，即，R，Q,其中：为导热系数；F为导热面积；为壁厚；R为热阻,一般增加1mm， 热效率降低10%左右。,Fe2、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：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。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。,SO42-、Cl-腐蚀。 SO42-主要来自于矿物的溶解（CaSO42H2O）；Cl-来自地层的氯化物。 例如：Cl- MgCl2+2H2O=Mg(OH)2+2HCl Fe+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种盐类，如重碳酸盐、硫酸盐、氯化物形成。它们均是电解质。基本上以离子的形式存在于水中。对于天然水来说，主要的离子是Ca2+、Mg2+，其他的如Fe2+、Mn2+、Al3+等亦能形成硬度。但由于天然水含量较少（海水就不一样），可以不计。因此： 硬水把天然水中含有Ca2+、Mg2+离子多的水称为硬水（暂时硬水、永久硬水）; 软水把天然水中含有Ca2+、Mg2+离子较少的水称为软水,硬水分成：,1）、暂时硬水 含有Ca(HCO3)2 （碳酸氢钙）的水、含有Mg(HCO3)2（碳酸氢镁）的水当加热时分解形成Ca(HCO3)2、 Mg(HCO3)2沉淀，并从水中析出来的水称为暂时硬水。 Ca(HCO3)2CaCO3+CO2 +H2O Mg(HCO3)2=MgCO3+H2O+CO2 MgCO3+H2O=Mg(OH)2+CO2,2）、永久硬水 含有钙镁的硫酸盐、氯化物或其他盐类的水，即非碳酸盐，由于不能用加热的方法从水中除去的水称为永久硬水。 如何定量说明软水和硬水，或不硬不软的水，接下来讲软硬水的指标及单位。 2、硬度（水的） 硬度表示水质软硬程度的指标 1）暂时硬度（又称碳酸盐硬度） 指主要由钙镁离子的重碳酸盐CaO(HCO3)2、Mg(HCO3)2所形成的硬度。,2）永久硬度（非碳酸盐硬度），指主要由钙镁离子的硫酸盐和氯化物所形成的硬度。 3）总硬度 总硬度暂时硬度永久硬度 4）硬度的单位及水分类 硬度表示反方法及单位 目前我国用来表示硬度的单位为mmol/L（以 Ca为基本单元）。 由于水中并非单一的离子或盐类，为使用方便，常将其还换算为一种统一的盐类，这时可以按照当量换算的原则以CaO或CaCO3的质量浓度表示。 即：1mmol/L=28mg/L(CaO) =50mg/L(CaCO3),例：测得水中含Ca2+150 mg/L,求硬度 用CaO表示 相当于CaO含量X=150× =210 mg =7.5 mmol/L(硬度） 用CaCO3表示 X150× 374.55 mg 7.5 mmol/L 结果一样的。,有的国家用“度”来表示硬度： 例：1德国度10 mg/L(CaO)为1德国度 1法国度10 mg/L(CaCO3)为1法国度 1美国度10 mg/L(CaCO3)为1美国度 这些单位在我国已慢慢不采用了。从而可见： 1mmol/L硬度2.8德国度5法国度50美国度 天然水的分类 天然水可以按其含盐量或硬度分类。按硬度分为五类：,极软水硬度为1.0mmol/L以下 软水硬度为1.03.0mmol/L之间 中等硬度硬度为3.06.0mmol/L之间 硬水硬度为6.09.0mmol/L之间 极硬水硬度9.0mmol/L,四、工业用水化学处理,化学工业用水化学处理的主要任务（4个）： 混凝除悬浮物； 软化以消除生成锅垢和深沉的可能性； 中和并除掉气体、盐类和有机物质，以避免金属的腐蚀，水在加热时起泡产生汽水，产生共沸及蒸汽品质变坏； 消除那些对工艺操作过程进行及对最后产品的质量产生不良影响的杂质。,水处理方法,物理方法：包括沉淀法、过滤法。 化学方法 这里只介绍软化、除铁、除氯,混凝加入混凝剂,软化离子交换,除铁,除氯,1、软化,软化有四种方法 暂时硬度石灰石膏法 永久硬度石灰纯碱软化法 碱度高的硬水则采用石灰石膏法 磷酸盐法,水的碱度 水的碱度指水能够与强度进行中和反应的那些物质的总量。通常天然水中指HCO3-，CO32- 和OH-离子浓度的总和。,虽然是总和，但是这些物质不能共同存在， OH-单独存在 CO32-单独存在 HCO3-单独存在 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 负硬水：指碱度硬度，即HCO3-Ca2+Mg2+时水为负硬水。其差值总硬度总碱度=负硬度（主要为K、Na的重碳酸盐）因为有多少Ca2+和Mg2+，有多少HCO3-碱，多出来的是K、Na的重碳酸盐。,以各种形式存在,（1）石灰软化法（暂硬高）,为避免加生石灰（CaO）产生灰尘污染，先制成消石灰Ca(OH)2 CaO+H2O=Ca(OH)2 消石灰投入水中的反应如下 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，同时除去CO2。 Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O,但是水中的永硬和负硬（K、Na的重碳酸盐）却不能用石灰处理的方法除去，因为镁的永硬与负硬和消石灰会产生下列反应。 MgSO4+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaSO4 MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2 负硬：NaHCO3+Ca(OH)2=CaCO3+NaOH+H2O 所以镁永硬转化为等量的溶解度较大的钙的永硬。负硬转化为等量的NaOH，碱度，所以水中的碱度没有除去。,永硬,（2）石灰纯碱软化法（永硬高的水）,软化剂：消石灰（除暂硬），纯碱Na2CO3（除永硬）。 除永硬加Na2CO3反应如下：（生成碳酸盐沉淀物） CaSO4+Na2CO3=CaCO3+Na2SO4 CaCl2+Na2CO3=CaCO3+2NaCl MgSO4+Na2CO3=MgCO3+Na2SO4 MgCl2+Na2CO3=MgCO3+2NaCl MgCO3+Ca(OH)2=CaCO3+MgCO3 经此方法处理的水，其硬度可以下降0.150.2 mmol/L。 此外，永硬也可以直接用离子交换法除去。,（3）石灰石膏处理法（碱度高的负硬水，即K、Na的重碳酸盐含量高）,此水的总碱度总硬度，水中多余的总碱度常以NaHCO3或KHCO3的形式存在。这些多余的碱以石灰石膏（CaSO4）法除去。 反应： 2NaHCO3+CaSO4+Ca(OH)2=2CaCO3+Na2SO4 +2H2O 2KHCO3+CaSO4+Ca(OH)2=2CaCO3+K2SO4 +2H2O,（4）磷酸盐法（同时除去永硬和暂硬）,软化剂磷酸三钠Na3PO4：是较好的软化高压锅炉用水的软化剂，可以同时除去暂硬和永硬，可以处理到极软水，即1mmol/L以下。 除暂硬反应如下： 3Ca(HCO3)2+2Na3PO4=Ca3(PO4)2+6NaHCO3 3Mg(HCO3)2+2Na3PO4=Mg3(PO4)2+6NaHCO3 除永硬反应如下： 3CaSO4+2Na3PO4=Ca3(PO4)2+3Na2SO4 3MgSO4+2Na3PO4=Mg3(PO4)2+3Na2SO4 3CaCl2+2Na3PO4=Ca3(PO4)2+6NaCl 3MgCl2+2Na3PO4=Mg3(PO4)2+6NaCl,（5）几种方法比较：,（6）基本工艺（一般石灰软化系统）,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.离子交换法离子交换软化水处理,离子交换法是软化水的一种比较好的方法，操作简单，效率高，又便于实现自动化。目前，凡是需水量大、水质要求高的企业都采用此法，或与其他方法配套组成净化水处理系统。 （1）离子交换法机理：利用某些难溶于水中的固体物质能够自水中吸收阳离子或阴离子，而本身同时放出其他离子以代替它所吸收的离子，将水中的Ca2+、Mg2+离子交换出来，使原水软化。而固体物质的结构并不发生实质性变化的水处理方法，称为离子交换法。把这些固体物质称为离子交换剂。,（2）离子交换剂（通常为离子交换树脂）,离子交换剂有： 天然沸石：Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O 海绿石：(K·Na)2O·(Al·Fe)2O3·nSiO 人造泡沸石人造铝代硅酸盐 Na2SiO3+Na3AlO3胶状干燥而成 有机物质人造树脂或磺化煤 离子交换剂的通常分类,阳离子交换树脂 阴离子交换树脂,按交换的离子,交换Na+钠型阳离子交换树脂 交换H+氢型阳离子交换树脂 交换K+钾型阳离子交换树脂,按树脂交换的反应的离子不同,反应中分别用RNa表示：R表示树脂中交换以外的成分。 （3）钠型阳离子交换过程（除去硬度） 碳酸盐硬度（暂硬）的软化。反应为： Ca(HCO3)2+2RNa=R2Ca+2NaHCO3 Mg(HCO3)2+2RNa=R2Mg+2NaHCO3 非碳酸盐硬度（永硬）的软化。反应： CaCl2+2RNa=R2Ca+2NaCl CaSO4+2RNa=R2Ca+Na2SO4 CaSiO3+2RNa=R2Ca+Na2SiO3 MgCl2+2RNa=R2Ca+2MgCl MgSO4+2RNa=R2Ca+Mg2SO4 MgSiO3+2RNa=R2Ca+Mg2SiO3,上式可综合表示为： Ca2+2RNa=R2Ca+2Na2+ Mg2+2RNa=R2Mg+2Na2+ 从而可见，Ca2+、Mg2+被RNa型树脂中的Na+置换出来以后，使树脂由RNa转化为R2Ca/R2Mg。 交换后水质变化情况： 硬度大大降低或基本消除，降至0.03mmol/L以下。 碱度基本不变：因为是阳离子的交换， HCO3-没有变。因为HCO3-+H+CO2+H2O，消耗H+所以有碱性。 软水中含盐量稍有增加。,1个Ca换出2个Na。1mol钙离子（40.08克）与2mol的钠（45.98克）进行交换反应，使水的含盐量增加。 当与1mmol/L硬度交换时，钙硬水含盐增加2.95mg/L；当与1mmol/L硬度交换时，镁硬水含盐增加10.84mg/L。 G=2.95HCa+10.84HMg 可见碱度未解决，因此，对硬度高、碱度高的原水，单靠离子交换处理后，仍达不到锅炉用水的标准，因此必须与前叙的方式相结合，才能达到满意的效果。,再生过程,由RNa交换后变R2Ca或R2Mg，交换树脂软化效率降低，失效，不再起软化作用，需再生。 再生方法：用（8%10%）工业食盐水溶液，将树脂中吸附的钙、镁离子置换出来。反应： R2Ca+2NaCl=2RNa+CaCl2 R2Mg+2NaCl=2RNa+MgCl2 树脂又成了RNa型，重新起软化水的作用。 单靠Na型树脂只软化水，不脱碱，那么为达到要求，必须采用软化和脱碱联合处理。方法有H-Na离子交换，铵-Na离子交换。,4）氢型强酸性阳离子交换树脂,主要用于软化及脱碱联合水处理。 氢型强酸性阳离子交换树脂的交换过程： 与碳酸盐硬度的交换反应（暂硬） Ca(HCO3)2+2RH=R2Ca+2H2O+2CO2 Mg(HCO3)2+2RH=R2Mg+2H2O+2CO2 与非碳酸盐硬度的交换反应（永硬） CaSO4+2RH=R2Ca+H2SO4 CaCl2+2RH=R2Ca+2HCl MgSO4+2RH=R2Mg+H2SO4 MgCl2+2RH=R2Mg+2HCl,与钠盐交换反应 NaHCO3+RH=RNa+H2O+CO2 NaCl+RH=RNa+HCl Na2SO4+2RH=2RNa+H2SO4 Na2SiO3+2RH=2RNa+H2SiO3 上叙反应可概括为离子式： Ca2+2RH=R2Ca+2H+ Mg2+2RH=R2Mg+2H+ Na+RH=RNa+H+,氢钠离子交换联合软化脱碱反应 氢型强酸性阳离子交换出水中的游离酸，呈酸性水，而钠型树脂交换出现是含碱度的水，若两水相混合，将发生中和反应。 HCl+NaHCO3=NaCl+H2O+CO2 H2SO4+2NaHCO3=Na2SO4+2H2O+2CO2 即除去硬度，又降低碱度，且使水的含盐量有所降低（3mol变2mol） 。这就是联合处理的原理。 当然要彻底除盐还必须有离子交换除盐的方法，如H型强酸性阳离子树脂与OH型阴离子树脂的联合处理，在此不一一讲了。, 氢型树脂再生：用HCl、H2SO4 用HCl R2Ca+2HCl=2RH+CaCl2 R2Mg+2HCl=2RH+MgCl2 RNa+HCl=RH+NaCl 用H2SO4 R2Ca+NaCl=2RH+NaCl 请注意：Na离子树脂的水碱度不变，是含碱的水。,（6）基本工艺组合 一般工艺上采用固定床的型式：将树脂固定在交换器内。,固定床 移动床（提升床）（树脂送出再生） 浮动床,单级离子交换器1 多级离子交换器2 复合离子交换器3、4 混合离子交换器5 双层离子交换器6 双流离子交换器7,1 2 3,4 5 6 7,单级,多级,复合,复合,混合,双层,双滤,例如，上叙的HNa并联离子交换软化和脱碱系统工艺。,水,交换器,除CO2器,风机,中间水箱,泵,混合,3.除铁,我国地下水含铁量在430mg/L左右，Fe2+存在：对造纸和纺织用水不利，会留下斑点； 同时Fe2+极易污染离子交换树脂，使树脂中毒，而降低交换能力。 在锅炉中使用易结铁垢影响传热。 当铁浓度大于0.5mg/L时，做冷却水或循环水，会在管道上沉淀铁，会促使铁细菌的繁殖，产生粘泥，堵塞管道。 除铁的方法有两种：氯气除铁和锰砂过滤除铁。 （1）氯气除铁 Fe2+极易被O2、Cl2和高锰酸钾氧化成Fe3+。 4Fe2+O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+,工业上采用,莲蓬头曝气 跌水曝气,水,水,过滤,水台,充气池,鼓风,（2）锰砂过滤除铁 因为天然锰砂中含有MnO2，它是Fe2+氧化成Fe3+的良好催化剂，其反应为： 4MnO2+3O2=2Mn2O7 Mn2O7+6Fe2+3H2O=2MnO2+6Fe3+6OH- Fe3+ 3OH-=Fe(OH)3 经锰砂过滤后除去6Fe(OH)3（锰砂既是催化剂又是滤料）。 从反应可见水中要有足够的氧。,工业上的基本工艺是：,空气,吸水管,加气阀,水泵,锰砂过滤器,除铁水(含氯高),去用户,4.除氯,原水经过混凝、沉淀，澄清、过滤或软化后即可作工业用水，但若作为饮用水还必须进行消毒处理。通常在水中通入氯气杀菌消毒，但Cl2极易溶于水。 Cl2+H2O=HCl+HOCl HOCl=H+OCl- 氯气在水中生成的HOCl和OCl-对杀菌极好。为维持杀菌的效果，必须过量，一般在管网的末端保持0.050.1mg/L的余氯。因为余氯对交换树脂有很强的破坏作用，因此要除氯。 方法有活性炭除氯法和化学药剂除氯法。,（1）活性炭除氯法 不仅仅是物理吸附作用，还有催化作用，使氯转化为碳的氧化物。反应机理为： Cl2+H2O=HCl+HOCl HOCl=HCl+O C+O =CO C+2O =CO2 所以无吸附饱和的问题，另要损失少量碳。 （2）化学药剂除氯法 投加还原性药剂如SO2或Na2SO3，将余氯还原。,SO2+HOCl+H2O=3H+Cl-+SO42- Na2SO3+HOCl=Na2SO4+HCl SO2脱氯效果好，但水中的pH会因反应中生成强酸而下降，而亚硫酸钠要好一些，后者操作简单些。 除气 对于高压锅炉必须要除去水中的CO2、H2S、SO2等气体。方法有两种，一般方法和充气法。一般方法是升高水温；充气法是加热在冷却塔中淋洒，加压使水雾化，增加水与空气的接触面积，降低水面上的空气压力，促使气体排出。,五、循环冷却水处理,1.冷却水系统 用水来冷却工艺介质的系统称为冷却水系统。冷却水系统分为两种：直流冷却水系统和循环水冷却水系统。 （1）直流冷却水系统 冷却水仅仅通过换热设备一次，用后就排放掉（利用水的温度），因此在化学工业上用量大，排水温升小，各种矿物和离子含量不变的系统。 优点：因不需要其他 冷却水构筑物，因此投资少，操作简单。,缺点：冷却水操作费用大，而且不符合节约水资源的要求。不适用温度高的环境（因为Ca(HCO3)2=CaCO3+H2O+CO2）。 （2）循环冷却水系统 分为封闭式循环冷却水系统和敞开式循环冷却水系统。,冷水,热水外排,封闭式循环冷却水系统,封闭式循环冷却水系统又称为密闭式循环冷却水系统，冷却水用后不是立即排放掉，而是收回再用，循环不已。循环过程中冷却水不暴露于空气中，所以水量损失少。水中各种矿物质和离子含量一般不变化。而水的再冷却是在另一台换热设备用其他冷却介质来进行冷却的。缺点是能耗大，投资大。,热水,换热器,冷却器可用低温水冷却（冷冻机）,冷却器,敞开式循环冷却水系统,敞开式循环冷却水系统，冷却水用后也不是立即排放掉，而是收回循环使用，水的冷却是通过冷却塔来进行的，因此冷却水在循环中与空气接触。通过冷却塔蒸发，矿物质和离子浓度浓缩增加，为了维持各种矿物质和离子含量稳定在某一值上，所以要补充水，并排出一定量的浓缩水，即排污水。,排污,换热器,渗漏水,XX池,补充水,缺点：损失部分水；冷却的温度受大气湿球温度的限制，不可能低于当天的湿球温度，这一点不如封闭式循环系统；水质发生变化，要排污，补充水。 优点：比直接冷却水系统节水，排污水也少，操作费用比封闭系统少。因此不论从节水、环保、节能角度，尽可能推广采用敞开式循环冷却水系统。 2.敞开式循环冷却水进行化学处理 原因：敞开式循环冷却水系统产生的问题是：循环使用，水的蒸发，矿物质和离子的浓缩，灰尘杂物的进入和风吹日晒。会产生比直流系统更为严重的问题：沉积物附着，设备腐蚀，微生物大量繁殖，粘泥污垢堵塞。因此要进行化学处理。,产生的原因及危害,（1）沉积物的析出和附着（酸或碳酸盐） 主要是天然水中都溶解有多碳酸盐，这种盐是冷却水发生水垢附着的主要成分。 因为Ca(HCO3)2浓度随着蒸发浓缩而增加，当达到饱和或加热时（在换热器中） Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2+H2O 又加上经冷却塔CO2，反应向右进行。 （2）设备的腐蚀（由于与大气接触） 设备的腐蚀有多种原因：冷却水中的溶解氯引起的电化学腐蚀，微生物引起的腐蚀。,电化学腐蚀（有害气体O2） 由于水中的氯与金属碳钢接触时，金属表面的不均一性和冷却水的导电性，在碳钢的表面会形成许多腐蚀微电池，微电池的阳、阴极区分别发生氧化合还原反应。 在阳极区 Fe-2e=Fe2+ 在阴极区 1/2O2+H2O+2e=2OH- 在水中 Fe2+2OH-=Fe(OH)2 Fe(OH)2=Fe(OH)3 使阳极区的金属不断溶解而被腐蚀。,有害离子的腐蚀 主要指氯化物和硫酸盐，随着Cl-和SO42-浓度增大，会加速碳钢的腐蚀。 Cl-和SO42-会使金属保护膜保护性能降低。因为Cl-离子半径小，穿透性强，容易穿过膜层，置换氯原子形成氯化物，加速阳极过程的进行，所以它是引起点蚀的原因之一，尤其对碳钢更甚。 微生物引起的腐蚀 这是由于微生物排出的粘液与无机垢和泥沙杂物等形成沉积物附着在金属表面，形成氧的浓差电池，促使腐蚀。此外，,a.厌氧菌的腐蚀 由于金属表面和沉积物之间缺氧，厌氧菌（主要是硫酸盐还原菌）得以繁殖。在2530时，繁殖更快，它分解出来的硫酸盐产生H2S，引起碳钢腐蚀。 SO42-+8H+8e=S2-+4H2O+能量（细菌生存所需） Fe2+S2-=FeS（硫化亚铁） b.铁细菌 铁细菌是钢铁锈腐产生的主要原因，它使Fe2+氧化为Fe3+，释放出能量供细菌生存所需。 Fe2+=Fe3+能量（细菌生存所需）,（3）微生物的滋生和粘泥,冷却水中的微生物一般是指细菌和藻类。在新鲜水中，一般很少。在循环过程中由于养分的浓缩，水温升高和日照，给细菌和藻类提供了迅速繁殖的条件。大量的细菌分泌出的粘液像粘合剂一样，使水中悬浮的杂物黏附在一起，形成粘糊状的沉积物黏附在传热表面上，这种沉积物称为生物粘泥，或软垢。 危害：粘泥附在管壁上，除上叙的腐蚀外，还会使冷却水的流量减少，降低传热效率，严重时堵塞管子，这种现象时有发生。 以上三个原因要求水的处理。这种处理不同于以上所讲化学处理，将有害物质从水中除掉，而采取另一种方法，即对水质进行控制，以满足要求。,3.循环冷却水系统中有害物质的控制,（1）沉积物控制（阻垢） 沉积物主要由水垢和泥垢构成。 阻垢 A.冷却水软化。前面已讲的实惠软化法及离子交换树脂法，采用较少。 B.加酸或通CO2，降低pH，稳定住重碳酸盐。因为 CO32HHCO3 ，平衡向左移动。对有烟道气和多余CO2的厂， Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2+H2O，加入使CO2平衡向左。当然锅炉用水不能加入CO2！,C.投加阻垢剂。 从水中析出碳酸盐的过程，就是难溶性盐从溶液中结晶沉淀的过程。 按结晶的动力学观点：首先生成晶核，晶核在溶液中由于热运动（布朗运动）相互碰撞，和金属壁碰撞，碰撞提供了晶核长大的机会。然后形成覆盖在传热面的垢层。如果投入某些药剂，破坏其结晶长大，就可达到控制水垢形成的目的。 目前的阻垢剂有聚磷酸盐和有机磷酸。,聚磷酸盐包括：,n,三聚磷酸钠 六偏磷酸钠,其链较长，约含20100PO3-单位,有机磷酸： ATMP：化学名称氨基三甲叉膦酸。结构为： EDTMP：化学名称乙二胺四甲叉膦酸。结构为：,(HO)2OPCH2N,CH2PO(OH)2 CH2PO(OH)2,(HO)2OPH2C (HO)2OPH2C,CH2PO(OH)2 CH2PO(OH)2,CH2NCH2N,泥垢的控制 A.做循环水的水质处理 B.投加分散剂。分散剂将粘合在一起的泥团杂物分散于悬浮水中，经排污排掉，或者旁滤掉。目前常用的分散剂有上叙聚羧酸，除阻垢外，还有分散的作用，其机理有增溶和静电斥力作用。此外还有天然的分散剂：木质素，丹宁（从植物的皮部、木质部、叶、根或果实中提取的），淀粉和纤维素等。 （2）金属腐蚀的控制 常用的有四种： A.提高冷却水的pH,（2）金属腐蚀的控制,常用的有四种： A.提高冷却水的pH值 因为pH的增加，水中的H+减少，金属腐蚀过程中的H+到阴极反应受到抑制，碳钢表面生成氧化性保护膜的倾向增加。 B.选用耐蚀材料的换热器 C.用防腐涂料涂覆 D.添加缓蚀剂,缓蚀剂,铬酸盐：铬酸钠Na2CrO4·4H2O 钼酸盐：钼酸钠Na2MoO4·4H2O 聚磷酸盐：常用的是六偏磷酸钠和三聚磷酸钠，是线形的无机聚合物，其通式为： 有机多膦酸等。,n,其机理是： 抑制电极过程。抑制阳极反应，减少阴离子浓度；抑制阴极反应（减少阳离子的浓度）。 缓蚀。,我们知道的引起故障的微生物,细菌 真菌 藻类,产粘泥细菌，又称粘液形成菌 铁细菌（腐蚀） 硫酸盐还原菌（腐蚀） 硝化细菌（腐蚀） 霉菌 酵母菌 蓝藻 绿藻（需阳光） 硅藻,（3）微生物及其控制,它们的危害是腐蚀，粘泥，生长堵塞。 控制的主要方法是：防止阳光照射；旁流过滤；添加杀菌灭藻剂。 杀菌灭藻剂主要有：氯，铵盐洁尔灭（十二烷基二甲基苄基氯化铵），新洁尔灭（十二烷基二甲基苄基溴化铵），异噻唑啉酮（2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮）。,谢谢大家！,