无机化学工艺学工业用水省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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第二章 工业用水工业用水水特征及在化学工业中主要性水特征及在化学工业中主要性水起源及其杂质水起源及其杂质水硬度水硬度工业用水化学处理工业用水化学处理循环冷却水处理循环冷却水处理第1页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学一、水特征及在化学工业生产中用途一、水特征及在化学工业生产中用途不论化学工业、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，（因为其化学反应工程、分离工程和公用工程所解决是：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吨以上水；生产1吨烧碱要150吨水；加工1吨石油需4吨水。二十一世纪用太阳能电解水 H2和O2形成燃料电池原料，也离不开水。为什么化学与水结下了不解之缘呢？这与水性质有关。第2页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学1、天然水特征水在常温下呈液态存在，含有普通液体共性。与其水在常温下呈液态存在，含有普通液体共性。与其它液体相比，又有许多它液体相比，又有许多独立特征独立特征。1 1）水在）水在0 044范围内，不是热胀冷缩，而是冷胀热范围内，不是热胀冷缩，而是冷胀热缩，即缩，即tvtv。2 2）在全部液体中，水比热容最大，为）在全部液体中，水比热容最大，为4.18J/g.4.18J/g.，所以水可作为化工优质热介质，用于冷却、储热、所以水可作为化工优质热介质，用于冷却、储热、传热等方面。传热等方面。3 3）0 0100100水能够出现水能够出现g g、l l、s s三相改变。故利用水三相改变。故利用水相变相热转换能量是很方便。化学中可用作惰性气相变相热转换能量是很方便。化学中可用作惰性气体或水蒸汽蒸馏（体或水蒸汽蒸馏（增加总压，降低沸点增加总压，降低沸点）。）。第3页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学4 4）在液体中，除汞以外，水）在液体中，除汞以外，水表面能最大表面能最大。5 5）水）水溶解及反应能力极强，许多溶解及反应能力极强，许多物质不但在水中物质不但在水中有很大溶解度，而且有最大电离度。所以可作为有很大溶解度，而且有最大电离度。所以可作为溶剂、试剂、助剂、电解制溶剂、试剂、助剂、电解制H H2 2原料等。原料等。6 6）水有很好导电性能，是伴随水中含盐量增加而）水有很好导电性能，是伴随水中含盐量增加而增大。所以作化工过程增大。所以作化工过程静电消除剂静电消除剂（增湿法）。（增湿法）。对水特征认识后，即可了解对水特征认识后，即可了解化学工业中水用途。化学工业中水用途。第4页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学2、化学工业中水主要用途、化学工业中水主要用途1 1）原料原料：即前述起始原料，作为制氢气、：即前述起始原料，作为制氢气、水煤气水煤气和有机合成和有机合成等原料。等原料。2 2）溶剂溶剂（吸附剂）：固体物质溶解、（吸附剂）：固体物质溶解、气体吸收气体吸收。3 3）稀释剂稀释剂：造纸纸浆、酿酒勾兑。：造纸纸浆、酿酒勾兑。4 4）冷却剂冷却剂：间、直冷却水，作为冷却介质，用于几乎全部化：间、直冷却水，作为冷却介质，用于几乎全部化工厂。工厂。5 5）热载体热载体：蒸汽或作为蒸汽透平机动力。（风机、蒸汽泵等）：蒸汽或作为蒸汽透平机动力。（风机、蒸汽泵等），水蒸汽蒸馏。，水蒸汽蒸馏。可见，可见，水已是拟建化工厂外部极其主要条件水已是拟建化工厂外部极其主要条件。西部开发首先。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化学工业产品。（高化学工业产品。（水是外部条件投资环境主要部分）水是外部条件投资环境主要部分）第5页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学3 3、对水质要求、对水质要求化工工业用水，按以上所讲大致可分为两大种：化工工业用水，按以上所讲大致可分为两大种：直接用水、间接用水直接用水、间接用水。直接用水直接用水：系水与产品直接接触，或用于生产产：系水与产品直接接触，或用于生产产品，对产品质量有很大影响，故要求优良水质。品，对产品质量有很大影响，故要求优良水质。（浊度、悬浮物、浊度、悬浮物、pHpH和杂质等要求严格和杂质等要求严格）间接用水间接用水：对产品质量普通无影响，出于防腐和：对产品质量普通无影响，出于防腐和防垢要求，而需要采取不一样水质。（防垢要求，而需要采取不一样水质。（对温度、对温度、pHpH和硬度有要求）和硬度有要求）所以，生产对象不一样，对水质要求不一样。所以，生产对象不一样，对水质要求不一样。第6页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学1 1）原料用水原料用水：直接作为原料或作为原料一部分而使：直接作为原料或作为原料一部分而使用水。用水。比如电解水、饮料、食品加工、酿造，水质对产品比如电解水、饮料、食品加工、酿造，水质对产品影响较大，最好水质：影响较大，最好水质：无色、无浊、无味、盐类含无色、无浊、无味、盐类含量适当（量适当（pHpH）、氨氮和亚硝酸盐、细菌）、氨氮和亚硝酸盐、细菌等指标符合等指标符合生产要求。生产要求。酿酒工业要求更严酿酒工业要求更严，一些名酒除了它独特酿造技术，一些名酒除了它独特酿造技术外，都是因选取当地优质井水而著称。外，都是因选取当地优质井水而著称。合成纤维、电解、医药都要求合成纤维、电解、医药都要求优质纯水优质纯水。第7页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学2 2）产品处理用水）产品处理用水这种水在水产过程中作为这种水在水产过程中作为洗涤、漂染、打浆洗涤、漂染、打浆等用水，等用水，故也要求同上很好水质。故也要求同上很好水质。比如，造纸水中如有铁盐，生产高级纸张会产出斑比如，造纸水中如有铁盐，生产高级纸张会产出斑点。点。3 3）锅炉用水）锅炉用水（间接用水间接用水）。因为水硬度高（即水中）。因为水硬度高（即水中含有钙镁盐类），使锅炉汽包内结垢，致使含有钙镁盐类），使锅炉汽包内结垢，致使传热系传热系数数，易使蒸汽品质恶化，局部过热引发过热爆炸。易使蒸汽品质恶化，局部过热引发过热爆炸。要求：锅炉用水对水要求：锅炉用水对水硬度、含盐量、碱度、硬度、含盐量、碱度、pHpH值、值、溶解氧溶解氧都有严格指标要求。都有严格指标要求。第8页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学4 4）冷却用水）冷却用水：冷却用水量最大，作用是来冷却热介：冷却用水量最大，作用是来冷却热介质，所以质，所以预防腐蚀、结垢、微生物危害预防腐蚀、结垢、微生物危害是冷却水处是冷却水处理三大任务。所以冷却水理三大任务。所以冷却水(循环）水质。要求：循环）水质。要求：硬硬度、悬浮物、溶解气体、油、其它有机物、藻类、度、悬浮物、溶解气体、油、其它有机物、藻类、微生物都应控制微生物都应控制。例：煤化工厂、石油化工厂循环水，要进行杀菌除藻例：煤化工厂、石油化工厂循环水，要进行杀菌除藻及除垢处理。（投加杀菌灭藻阻垢剂）。及除垢处理。（投加杀菌灭藻阻垢剂）。另外，另外，工业废水、有毒物工业废水、有毒物，要求经处理后到达我国，要求经处理后到达我国三废排放制度标准后方可外排。三废排放制度标准后方可外排。第9页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学二、水起源及其杂质二、水起源及其杂质1 1、水资源及其分布、水资源及其分布 水是自然界中分部最广一个资源，它以气液固水是自然界中分部最广一个资源，它以气液固三种状态存在，三种状态存在，自然界水主要指海洋、河流、湖泊、自然界水主要指海洋、河流、湖泊、地下水、冰川、积雪、土壤水和大气水分等水体，地下水、冰川、积雪、土壤水和大气水分等水体，其总量为其总量为1.4101.4101919m m3 3,假如将其平铺在地球表面上，假如将其平铺在地球表面上，水层深度可到达约水层深度可到达约3000 m3000 m深，不过大部分是咸海水，深，不过大部分是咸海水，加上内陆地表咸水湖，地下加上内陆地表咸水湖，地下咸水约占总水量咸水约占总水量98%98%。而而冰川、积雪约占总水量冰川、积雪约占总水量1.7%1.7%，当前尚难以利用开当前尚难以利用开发发。第10页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学水资源及其分布水资源及其分布实际上可供开发利用淡水只占总水量实际上可供开发利用淡水只占总水量0.3%0.3%，约为约为4 410101616m m3 3。所以，。所以，淡水是有限宝淡水是有限宝贵资贵资源源。从我国情况看：我国淡水从我国情况看：我国淡水资资源比源比较较丰富，居世界第丰富，居世界第五位，但人均水五位，但人均水资资源量与世界源量与世界许许多国家相比，相关多国家相比，相关很大，很大，排列排列8888位位。所以我。所以我们们是一个富水国，也是一是一个富水国，也是一个缺水国。个缺水国。每年缺水每年缺水500500亿亿m m3 3,当前水荒覆盖几乎遍当前水荒覆盖几乎遍布全国，布全国，水荒已是工水荒已是工农业业发农业业发展面展面临较严临较严峻峻问题问题。从而可从而可见见化工化工节节水，治理水，治理废废水，已刻不容水，已刻不容缓缓。第11页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人均水资资源源：加拿大：加拿大145900m145900m3 3/人均，美国人均，美国14280m14280m3 3/人均，中国人均，中国2380m2380m3 3/人均。人均。水是化学工业生产中主要原料之一，水是化学工业生产中主要原料之一，没有合格没有合格水源，任何工业都难认为继，水源，任何工业都难认为继，作为工业用水淡作为工业用水淡水水源主要水水源主要来自地表江河水，湖泊水和水库水来自地表江河水，湖泊水和水库水及地下水（井水）及地下水（井水）。第12页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学2.2.工业用水起源及水质工业用水起源及水质地表水地表水：称地上水，指江、河、湖泊及水库：称地上水，指江、河、湖泊及水库中水。中水。其其水质水质普通为：含盐量及硬度比较低，含盐量普通为：含盐量及硬度比较低，含盐量普通在普通在7070100mg/L100mg/L，硬度普通在，硬度普通在1.01.08.0 8.0 mmol/Lmmol/L；特点特点：随季节改变较大。春冬两季：随季节改变较大。春冬两季枯水期枯水期，含，含盐、硬度盐、硬度，浊浊度度；丰水期丰水期，含，含盐盐、硬度、硬度，浊浊度度。水温随温度改。水温随温度改变变大。大。第13页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学地下水地下水：地下水主要起源是经过地层过滤雨水：地下水主要起源是经过地层过滤雨水和雪水渗透地下而形成。和雪水渗透地下而形成。所以水中溶入较多矿物盐类。其所以水中溶入较多矿物盐类。其水质水质：含盐量：含盐量在在100100500mg/L500mg/L，硬度在，硬度在2 210 mmol/L10 mmol/L，悬浮物少，浊度低悬浮物少，浊度低。特点特点：硬度大，温度改变小，温度低，是很好：硬度大，温度改变小，温度低，是很好冷却剂。冷却剂。第14页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有这么一个说法一个说法：南方水，要处理水温和浊度：南方水，要处理水温和浊度问题；北方水，要处理水量和硬度问题。各有问题；北方水，要处理水量和硬度问题。各有各问题，我们就是要处理这个问题。各问题，我们就是要处理这个问题。值得一提是值得一提是，上述二种水或者说自然界中水都，上述二种水或者说自然界中水都是经过太阳和不停蒸发、凝结和再降落等步骤是经过太阳和不停蒸发、凝结和再降落等步骤实现实现自然循环自然循环，在此循环中不会增加，也不会，在此循环中不会增加，也不会降低。只有降低。只有污染和破坏后才会改变污染和破坏后才会改变。第15页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学3.3.水中杂质及其危害水中杂质及其危害天然水，不论来自什么水源，通常都含有各种天然水，不论来自什么水源，通常都含有各种溶解溶解物（盐类、气体物（盐类、气体)和不溶解物（悬浮物和不溶有机和不溶解物（悬浮物和不溶有机物）物）。这些杂质与水这些杂质与水接触物质过程接触物质过程相关，其数量又与相关，其数量又与接触接触杂质时间杂质时间相关。因为地质结构，区域及水流动方向相关。因为地质结构，区域及水流动方向状态等不一样，水中混有杂质也不尽相同。状态等不一样，水中混有杂质也不尽相同。杂质大致可分为杂质大致可分为四类四类：悬浮物和胶体物、微生物、悬浮物和胶体物、微生物、可溶气体及溶解盐类可溶气体及溶解盐类。第16页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学1)1)、悬浮物和胶体物、悬浮物和胶体物悬浮物悬浮物指颗粒直径在指颗粒直径在10105050mm之间之间微粒（主要来微粒（主要来自矿物质砂砾、细泥和粘土自矿物质砂砾、细泥和粘土）、）、浮游生物浮游生物（主要指（主要指藻类）及藻类）及腐败动植物腐败动植物。它危害它危害：堵塞堵塞输送管道、输送管道、降低降低传热效率、一些有机传热效率、一些有机物易使锅炉起泡产生汽水物易使锅炉起泡产生汽水共腾共腾、影响产品、影响产品质量质量（用（用作原料）、电化学作原料）、电化学腐蚀腐蚀。第17页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胶体物：指：指1010-6-610105 5m,m,分子或离子集合体分子或离子集合体。其。其比表面积大比表面积大，含有不一样程度表面活性吸附能力。，含有不一样程度表面活性吸附能力。经常吸附了大量离子而经常吸附了大量离子而带负电荷带负电荷。主要来自。主要来自有机胶有机胶体物体物(动植物残骸分解而生成腐殖质动植物残骸分解而生成腐殖质)；无机胶体物无机胶体物(主要是铁、铝、硅化合物和胶体硅主要是铁、铝、硅化合物和胶体硅)。它危害它危害：胶体硅：胶体硅锅炉内产生锅炉内产生沉积沉积，易产生汽水，易产生汽水共沸共沸现象现象;铁铝化合物铁铝化合物炉内（设备内）清垢产炉内（设备内）清垢产生垢下生垢下腐蚀腐蚀；有机胶体物；有机胶体物污染污染产品、影响质量，产品、影响质量，易使炉水起泡，使蒸汽品质变坏。易使炉水起泡，使蒸汽品质变坏。2 2）微生物）微生物危害危害：对酿造、食品工业影响较大，使水产生：对酿造、食品工业影响较大，使水产生色度色度，并有不愉快并有不愉快臭味臭味。第18页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学3 3）可溶气体）可溶气体（危害是对金属腐蚀危害是对金属腐蚀）主要来自大气和环境中主要来自大气和环境中COCO2 2、O O2 2、H H2 2S S、NHNH3 3。危害危害：COCO2 2COCO2 2溶于水中呈弱酸，对金属水管有溶于水中呈弱酸，对金属水管有腐蚀腐蚀作用，作用，是因为在低是因为在低pHpH和缺氧情况下，它能够将铁溶和缺氧情况下，它能够将铁溶解，生成碳酸亚铁解，生成碳酸亚铁Fe(HCOFe(HCO3 3)2 2第19页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学O O2 2存在存在，引发金属，引发金属电化学腐蚀电化学腐蚀，在做电池中，在做电池中:阳极区阳极区Fe-2e=FeFe-2e=Fe2+2+阴极区阴极区O O2 2+2H+2H2 2O+4e=4OHO+4e=4OH-Fe Fe2+2+2OH+2OH-=Fe(OH)=Fe(OH)2 2 Fe(OH)Fe(OH)2 2 Fe(OH)Fe(OH)3 3这些反应促使微电池中阳极区金属不停溶解而被这些反应促使微电池中阳极区金属不停溶解而被腐蚀腐蚀。OO2第20页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学H H2 2S S是有机质腐败后所生成酸性物质是有机质腐败后所生成酸性物质，水中含量极，水中含量极少，对金属有腐蚀作用，并能与金属盐类发生反应，少，对金属有腐蚀作用，并能与金属盐类发生反应，生成生成有色沉淀有色沉淀影响产品质量。影响产品质量。NHNH3 3:含量极少含量极少，它是由蛋白质腐败分解而来，它对，它是由蛋白质腐败分解而来，它对钢容器钢容器腐蚀腐蚀作用较强。作用较强。4 4）溶解盐类）溶解盐类水中溶解盐类普通有水中溶解盐类普通有NaNa、K K、CaCa、MgMg、AlAl、FeFe、MnMn等盐。这些盐大多为强电解质。这些盐主要是因为等盐。这些盐大多为强电解质。这些盐主要是因为流经地层时溶解一些矿物所致流经地层时溶解一些矿物所致。第21页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学所以水流地层不一样，酸碱度不一样，电离离子亦所以水流地层不一样，酸碱度不一样，电离离子亦不一样。不一样。危害危害NaNa+、K K+（称为碱金属离子，它们盐类非常易溶于称为碱金属离子，它们盐类非常易溶于水，主要水，主要来自岩石和土壤来自岩石和土壤中），引发锅炉水起泡，中），引发锅炉水起泡，蒸汽夹带水。用这种蒸汽作为蒸汽透平机动力，在蒸汽夹带水。用这种蒸汽作为蒸汽透平机动力，在高速离心下，局部结晶，损坏透平机叶轮高速离心下，局部结晶，损坏透平机叶轮。CaCa2+2+、MgMg2+2+钙离子由地层中石灰石（钙离子由地层中石灰石（CaCOCaCO3 3)和和石膏（石膏（CaSOCaSO4 42H2H2 2O O）溶解而得。）溶解而得。第22页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学CaCOCaCO3 3溶解度溶解度很小，当水中有很小，当水中有COCO2 2时，轻易转化而溶解。时，轻易转化而溶解。CaCO CaCO3 3+CO+CO2 2+H+H2 2O=Ca(HCOO=Ca(HCO3 3)2 2MgMg主要由含主要由含COCO2 2水溶解地层中白云石（水溶解地层中白云石（MgCOMgCO3 3CaCOCaCO3 3)所致所致:MgCO:MgCO33CaCOCaCO3 3+2CO+2CO2 2+H+H2 2O=Mg(HCOO=Mg(HCO3 3)2 2+Ca(HCO+Ca(HCO3 3)2 2在化工中，当水受热后分解为碳酸盐，溶解度下降，过饱和在化工中，当水受热后分解为碳酸盐，溶解度下降，过饱和CaCa、MgMg盐和氢氧化物沉淀下来。盐和氢氧化物沉淀下来。Ca(HCO Ca(HCO3 3)2 2=CaCO=CaCO3 3+H+H2 2O+COO+CO2 2 Mg(HCO Mg(HCO3 3)2 2=MgCO=MgCO3 3+H+H2 2O+COO+CO2 2 MgCO MgCO3 3+H+H2 2O=Mg(OH)O=Mg(OH)2 2+CO+CO2 2 KspMg(OH)KspMg(OH)2 2=5.310=5.310-12-12KspCaCOKspCaCO3 3=4.810=4.810-9 -9 KspMgCO9.0mmol/L9.0mmol/L第33页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学四、工业用水化学处理四、工业用水化学处理化学工业用水化学处理化学工业用水化学处理主要任务（主要任务（4 4个）个）：混凝除悬浮物混凝除悬浮物；软化以消除生成锅垢和深沉可能性软化以消除生成锅垢和深沉可能性；中和并除掉气体、盐类和有机物质中和并除掉气体、盐类和有机物质，以防止金属腐，以防止金属腐蚀，水在加热时起泡产生汽水，产生共沸及蒸汽品蚀，水在加热时起泡产生汽水，产生共沸及蒸汽品质变坏；质变坏；消除消除那些对工艺操作过程进行及对最终产品质量产那些对工艺操作过程进行及对最终产品质量产生不良影响生不良影响杂质杂质。第34页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学水处理方法物理方法物理方法：包含：包含沉淀法、过滤法沉淀法、过滤法。化学方法化学方法这里只介绍软化、除铁、除氯这里只介绍软化、除铁、除氯混凝加入混凝剂软化离子交换除铁除氯第35页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学1、软化、软化软化有软化有四种方法四种方法暂时硬度暂时硬度石灰石膏法石灰石膏法永久硬度永久硬度石灰纯碱软化法石灰纯碱软化法碱度高硬水则采取碱度高硬水则采取石灰石膏法石灰石膏法磷酸盐法磷酸盐法第36页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学水碱度水碱度水碱度指水能够与强度进行中和反应那些物质总水碱度指水能够与强度进行中和反应那些物质总量。通常天然水中指量。通常天然水中指HCO3-，CO32-和和OH-离子离子浓度总和。浓度总和。第37页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学即使是总和，不过这些物质即使是总和，不过这些物质不能共同存在不能共同存在，OH-单独存在单独存在 CO32-单独存在单独存在 HCO3-单独存在单独存在 OH-和和CO32-共同存在共同存在 HCO3-和和CO32-共同存在共同存在OH-和和HCO3-不能共存，不能共存，OH-+HCO3-=CO32-+H2O负硬水：负硬水：指指碱度硬度碱度硬度，即，即HCO3-Ca2+Mg2+时水为负时水为负硬水。其差值总硬度总碱度硬水。其差值总硬度总碱度=负硬度（主要为负硬度（主要为K、Na重碳重碳酸盐酸盐）因为有多少）因为有多少Ca2+和和Mg2+，有多少，有多少HCO3-碱，多出来碱，多出来是是K、Na重碳酸盐。重碳酸盐。以各种形式存在第38页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学（1）石灰软化法（暂硬高）为防止加生石灰（为防止加生石灰（CaO）产生灰尘污染，先制成）产生灰尘污染，先制成消消石灰石灰Ca(OH)2CaO+H2O=Ca(OH)2消石灰投入水中消石灰投入水中反应以下反应以下Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2OCa(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3+2H2O2Ca(OH)2+Mg(HCO3)2=2CaCO3+Mg(OH)2+2H2O形成形成CaCO3和和Mg(OH)2沉淀沉淀而析出，同时除去而析出，同时除去CO2。Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O第39页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学不过水中不过水中永硬和负硬永硬和负硬（K、Na重碳酸盐）却不能用重碳酸盐）却不能用石灰处理方法除去，因为镁永硬与负硬和消石灰会石灰处理方法除去，因为镁永硬与负硬和消石灰会产生以下反应。产生以下反应。MgSO4+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaSO4 MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2负硬：负硬：NaHCO3+Ca(OH)2=CaCO3+NaOH+H2O所以所以镁永硬镁永硬转化为等量转化为等量溶解度溶解度较大较大钙永硬钙永硬。负硬转。负硬转化为等量化为等量NaOH，碱度，所以水中碱度没有除去。，碱度，所以水中碱度没有除去。永硬第40页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学（2）石灰纯碱软化法（永硬高水）软化剂软化剂：消石灰（除暂硬），纯碱：消石灰（除暂硬），纯碱Na2CO3（除永硬）（除永硬）。除永硬除永硬加加Na2CO3反应以下反应以下：（生成碳酸盐沉淀物：（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经此方法处理水，其硬度能够下降经此方法处理水，其硬度能够下降0.150.2 mmol/L。另外，另外，永硬也能够直接用离子交换法永硬也能够直接用离子交换法除去。除去。第41页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学（3）石灰石膏处理法（碱度高负硬水，即K、Na重碳酸盐含量高）此水此水总碱度总硬度总碱度总硬度，水中多出总碱度常以，水中多出总碱度常以NaHCO3或或KHCO3形式存在。这些多出碱以形式存在。这些多出碱以石灰石灰石膏（石膏（CaSO4）法）法除去。除去。反应：2NaHCO3+CaSO4+Ca(OH)2=2CaCO3+Na2SO4+2H2O2KHCO3+CaSO4+Ca(OH)2=2CaCO3+K2SO4+2H2O第42页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学（4）磷酸盐法（同时除去永硬和暂硬）软化剂软化剂磷酸三钠磷酸三钠Na3PO4：是很好软化高压锅炉：是很好软化高压锅炉用水软化剂，能够同时除去暂硬和永硬，能够处理用水软化剂，能够同时除去暂硬和永硬，能够处理到极软水，即到极软水，即1mmol/L以下。以下。除暂硬反应以下：除暂硬反应以下：3Ca(HCO3)2+2Na3PO4=Ca3(PO4)2+6NaHCO3 3Mg(HCO3)2+2Na3PO4=Mg3(PO4)2+6NaHCO3除永硬反应以下：除永硬反应以下：3CaSO4+2Na3PO4=Ca3(PO4)2+3Na2SO4 3MgSO4+2Na3PO4=Mg3(PO4)2+3Na2SO4 3CaCl2+2Na3PO4=Ca3(PO4)2+6NaCl 3MgCl2+2Na3PO4=Mg3(PO4)2+6NaCl第43页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学（5）几个方法比较：方法方法缺点缺点优点优点备注备注石灰软化法不能除永硬传统，成本低石灰纯碱软化法成本高（用纯碱），处理后水中钠盐使锅炉水起泡。纯碱不能过量，只能12%，多了在锅炉内变成NaOH，对锅炉有腐蚀。水硬度能够基本消除为克服缺点，采取石灰离子交换组正当石灰石膏法这种水少，是一个特殊处理磷酸盐法成本高软化效率高，可使硬度趋于0，能使之结垢疏松，所以可作为（1）、（2）方法补充第44页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学（6）基本工艺（普通石灰软化系统）1.化灰桶；化灰桶；2.石灰池；石灰池；3.灰乳泵；灰乳泵；4.混合池；混合池；5.平流式沉平流式沉淀池；淀池；6.清水池；清水池；7.泵泵第45页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学2.离子交换法离子交换软化水处理离子交换法离子交换法是软化水一个比很好方法，是软化水一个比很好方法，操作简单，操作简单，效率高效率高，又便于实现自动化。当前，凡是，又便于实现自动化。当前，凡是需水量大、需水量大、水质要求高企业都采取此法水质要求高企业都采取此法，或与其它方法配套组，或与其它方法配套组成净化水处理系统。成净化水处理系统。（1）离子交换法机理离子交换法机理：利用一些难溶于水中固体物：利用一些难溶于水中固体物质能够自水中吸收阳离子或阴离子，而本身同时放质能够自水中吸收阳离子或阴离子，而本身同时放出其它离子以代替它所吸收离子，将水中出其它离子以代替它所吸收离子，将水中Ca2+、Mg2+离子交换离子交换出来，出来，使原水软化使原水软化。而固体物质结。而固体物质结构并不发生实质性改变水处理方法，称为构并不发生实质性改变水处理方法，称为离子交换离子交换法法。把这些固体物质称为。把这些固体物质称为离子交换剂离子交换剂。第46页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学（2）离子交换剂（通常为离子交换树脂）离子交换剂离子交换剂有：有：天然沸石天然沸石：Na2OAl2O32SiO2nH2O 海绿石：海绿石：(KNa)2O(AlFe)2O3nSiO 人造泡沸石人造泡沸石人造铝代硅酸盐人造铝代硅酸盐 Na2SiO3+Na3AlO3胶状胶状干燥而成干燥而成 有机物质有机物质人造树脂或磺化煤人造树脂或磺化煤离子交换剂离子交换剂通常分类通常分类阳离子交换树脂阴离子交换树脂按交换离子交换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按树脂交换反应离子不反应离子不一样一样第47页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学反应中分别用反应中分别用RNa表示表示：R表示树脂中交换以外成表示树脂中交换以外成份。份。（3）钠型阳离子交换过程（除去硬度）钠型阳离子交换过程（除去硬度）碳酸盐硬度（暂硬）软化碳酸盐硬度（暂硬）软化。反应为：。反应为：Ca(HCO3)2+2RNa=R2Ca+2NaHCO3 Mg(HCO3)2+2RNa=R2Mg+2NaHCO3 非碳酸盐硬度（永硬）软化非碳酸盐硬度（永硬）软化。反应：。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第48页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学上式可综合表示为：上式可综合表示为：Ca2+2RNa=R2Ca+2Na2+Mg2+2RNa=R2Mg+2Na2+从而可见，从而可见，Ca2+、Mg2+被被RNa型树脂中型树脂中Na+置换出置换出来以后，使树脂由来以后，使树脂由RNa转化为转化为R2Ca/R2Mg。交换后水质改变情况交换后水质改变情况：硬度大大降低或基本消除硬度大大降低或基本消除，降至，降至0.03mmol/L以下。以下。碱度基本不变：因为是阳离子交换，碱度基本不变：因为是阳离子交换，HCO3-没有没有变。因为变。因为HCO3-+H+CO2+H2O，消耗，消耗H+所以有所以有碱性。碱性。软水中含盐量软水中含盐量稍有稍有增加。增加。第49页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学1个个Ca换出换出2个个Na。1mol钙离子（钙离子（40.08克）与克）与2mol钠（钠（45.98克）进行交换反应，使水含盐量增加。克）进行交换反应，使水含盐量增加。当与当与1mmol/L硬硬度度交换时，钙硬水含盐增加交换时，钙硬水含盐增加2.95mg/L；当与；当与1mmol/L硬硬度度交换时，镁硬水含盐交换时，镁硬水含盐增加增加10.84mg/L。G=2.95HCa+10.84HMg可见碱度未处理可见碱度未处理，所以，对硬度高、碱度高原水，所以，对硬度高、碱度高原水，单靠单靠离子交换处理后，仍达不到锅炉用水标准，所离子交换处理后，仍达不到锅炉用水标准，所以以必须与前叙方式相结合必须与前叙方式相结合，才能到达满意效果。，才能到达满意效果。第50页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学再生过程由由RNa交换后变交换后变R2Ca或或R2Mg，交换树脂软化效率交换树脂软化效率降低，失效降低，失效，不再起软化作用，需再生。，不再起软化作用，需再生。再生方法再生方法：用（：用（8%10%）工业食盐水溶液，将树）工业食盐水溶液，将树脂中吸附钙、镁离子置换出来。反应：脂中吸附钙、镁离子置换出来。反应：R2Ca+2NaCl=2RNa+CaCl2 R2Mg+2NaCl=2RNa+MgCl2 树脂又成了树脂又成了RNa型，重新起软化水作用。型，重新起软化水作用。单靠单靠Na型树脂只软化水，不脱碱，那么为到达要求，型树脂只软化水，不脱碱，那么为到达要求，必须采取软化和脱碱联合处理。方法有必须采取软化和脱碱联合处理。方法有H-Na离子交离子交换，铵换，铵-Na离子交换。离子交换。第51页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学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氢型强酸性阳离子交换树脂交换过程交换过程：与碳酸盐硬度交换反应与碳酸盐硬度交换反应（暂硬）（暂硬）Ca(HCO3)2+2RH=R2Ca+2H2O+2CO2 Mg(HCO3)2+2RH=R2Mg+2H2O+2CO2与非碳酸盐硬度交换反应与非碳酸盐硬度交换反应（永硬）（永硬）CaSO4+2RH=R2Ca+H2SO4CaCl2+2RH=R2Ca+2HClMgSO4+2RH=R2Mg+H2SO4MgCl2+2RH=R2Mg+2HCl第52页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学与钠盐交换反应与钠盐交换反应NaHCO3+RH=RNa+H2O+CO2NaCl+RH=RNa+HClNa2SO4+2RH=2RNa+H2SO4Na2SiO3+2RH=2RNa+H2SiO3上叙反应可概括为离子式：上叙反应可概括为离子式：Ca2+2RH=R2Ca+2H+Mg2+2RH=R2Mg+2H+Na+RH=RNa+H+第53页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学氢氢钠离子交换联合软化脱碱反应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游离酸，氢型强酸性阳离子交换出水中游离酸，呈酸性水呈酸性水，而钠型树脂交换出现是含碱度水，若两水相混合，而钠型树脂交换出现是含碱度水，若两水相混合，将发生中和反应。将发生中和反应。HCl+NaHCO3=NaCl+H2O+CO2H2SO4+2NaHCO3=Na2SO4+2H2O+2CO2 即即除去硬度除去硬度，又，又降低碱度降低碱度，且，且使水含盐量有所降低使水含盐量有所降低（3mol变变2mol）。这就是。这就是联合处理原理联合处理原理。当然要彻底除盐还必须有离子交换除盐方法，如当然要彻底除盐还必须有离子交换除盐方法，如H型强酸性阳离子树脂与型强酸性阳离子树脂与OH型阴离子树脂联合处理型阴离子树脂联合处理，在此不一一讲了。在此不一一讲了。第54页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学 氢型树脂氢型树脂再生：用再生：用HCl、H2SO4用用HClR2Ca+2HCl=2RH+CaCl2R2Mg+2HCl=2RH+MgCl2RNa+HCl=RH+NaCl用用H2SO4R2Ca+NaCl=2RH+NaCl请注意：请注意：Na离子树脂水碱度不变，是含碱水。离子树脂水碱度不变，是含碱水。第55页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学（6）基本工艺组合）基本工艺组合普通工艺上采取固定床型式：将树脂固定在交普通工艺上采取固定床型式：将树脂固定在交换器内。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第56页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学1 2 34 5 6 7单级多级复合复合混合双层双滤第57页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学比如比如，上叙，上叙HNa并联离子交换软化和脱碱系统工并联离子交换软化和脱碱系统工艺。艺。水交换器除CO2器风机中间水箱泵混合第58页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学3.除铁我国地下水含铁量在我国地下水含铁量在430mg/L左右，左右，Fe2+存在：存在：对对造纸造纸和和纺织纺织用水用水不利不利，会留下斑点；，会留下斑点；同时同时Fe2+极易极易污染离子交换树脂，使树脂中毒污染离子交换树脂，使树脂中毒，而，而降低降低交换能力。交换能力。在锅炉中使用易结铁垢在锅炉中使用易结铁垢影响传热影响传热。当铁浓度当铁浓度大于大于0.5mg/L时，做冷却水或循环水，会时，做冷却水或循环水，会在管道上沉淀铁，会促使在管道上沉淀铁，会促使铁细菌繁殖铁细菌繁殖，产生粘泥，产生粘泥，堵塞管道堵塞管道。除铁方法有两种：氯气除铁和锰砂过滤除铁除铁方法有两种：氯气除铁和锰砂过滤除铁。（1）氯气除铁）氯气除铁 Fe2+极易被极易被O2、Cl2和高锰酸钾氧化成和高锰酸钾氧化成Fe3+。4Fe2+O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+第59页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学工业上采取莲蓬头曝气跌水曝气水水过滤水台充气池鼓风第60页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学（2）锰砂过滤除铁）锰砂过滤除铁因为天然锰砂中含有因为天然锰砂中含有MnO2，它是，它是Fe2+氧化成氧化成Fe3+良良好催化剂，其反应为：好催化剂，其反应为：4MnO2+3O2=2Mn2O7Mn2O7+6Fe2+3H2O=2MnO2+6Fe3+6OH-Fe3+3OH-=Fe(OH)3经锰砂过滤后除去经锰砂过滤后除去6Fe(OH)3（锰砂既是催化剂又是锰砂既是催化剂又是滤料滤料）。）。从反应可见水中要有足够氧从反应可见水中要有足够氧。第61页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学工业上基本工艺是：工业上基本工艺是：空气吸水管加气阀水泵锰砂过滤器除铁水(含氯高)去用户第62页武汉科技大学化学工程与技术学院 无机化工工艺学4.除氯原水经过原水经过混凝、沉淀，澄清、过滤或软化混凝、沉淀，澄清、过滤或软化后即可后即可作作工业用水工业用水，但若作为饮用水还必须进行，但若作为饮用水还必须进行消毒处理消毒处理。通