水中的杂质

1、水 中 的 杂 质    一、水的来源及含杂质情况    水对很多物质都有良好的溶解能力，这就造成水中容易混入杂质的缺点。       从自然界得到的水中往往含有许多杂质，这些杂质或者溶解或者悬浮在水中。悬浮在水中的无机物包括少量砂土和煤灰；有机悬浮物包括有机物的残渣及各种微生物。溶解在水中的气体包括来自空气中的氧气、二氧化碳、氮气和工业排放的气体污染物如氨、硫氧化物、氮氧化物、硫化氢、氯气等；溶解在水中的无机盐类主要有碳酸钙、碳酸氢钙、硫酸钙、氯化钙以及相应的镁盐、钠盐、钾

2、盐、铁盐、锰盐和其他金属离子的盐，溶解的有机物，主要是动植物分解的产物。        由于天然水的来源不同，其中溶解的杂质也不尽相同。下面分别加以介绍。      (1)雨水  雨水是天空中水蒸气凝聚而成，总的来说雨水中含杂质较少，是含钙、镁离子较少的软水。但也溶解有一部分来自空气的少量氧气、二氧化碳和十定量的尘埃。还可能含有由雷电作用产生的含氮化合物。在城市上空受工业废气污染可能含有二氧化硫，这种雨水有酸性，俗称酸雨，有较强的腐蚀性。  &#

3、160;     (2)江河水  河流是降水经过地面流动汇集而成的。它在发源地可能受高山冰雪或冰川的补给，沿途可能与地下水相互交流。由于江河流域面积十分广阔，又是敞开流动的水体，所以江河水的水质成分与地区和气候条件关系密切i而且受生物活动寻口人类社会活动的影响最大。        (3)湖泊水  湖泊是由河流及地下水补给而在低洼地带形成的。湖泊的水质与它来源的水质有一定关系，但又不完全相同。日照及蒸发的强度也强烈影响湖泊的水质。如果蒸发强烈水中溶解物浓度就会逐渐增加

4、，特别是水中含有的硝酸盐、磷酸盐的浓度增加时，会带来水质富营养化的倾向，造成水生植物过度生长，水中含氧量降低，会使水腐败变质。    (4)地下水  地下水是降水或地表水经过土壤地层渗流而形成的。十般地下水经过土壤地层的过滤，所含悬浮杂质较少，常为清澈透明；受地面污染蠖少因而含有机，物及细菌相对较少；但一般溶解的无机盐含量较高，硬度和含矿物质高；有的地区地下水含可溶性二价铁盐异常高，由于二价铁离子不稳定易氧化成三价铁离子并生成不溶性三价铁盐或氢氧化铁沉淀，所以在利用这种地下水之前，需要经过曝气处理以分离去除所含的铁离子。   

5、; (5)自来水  经过水厂处理得到的自来水，应该达到适合饮用水的标准，但其中仍有少量杂质。         表54  天然水中的杂质  来源悬浮物胶体气体非离子固体阳离子阴离子从矿物，土壤和岩石中来的粘土、砂砾、   其他无机的土壤污物粘土SiO2Fe2O3Al2O2MnO2CO2Ca2+、Mg2+Na+、K+Fe2+、Mn2+Zn2+、Cu2+HCO3-、Cl-SO42-、NO3-CO32-、HSiO3-H2BO3-、HPO42-H2PO4-、OH-、

6、F-从大气中来NH3、N2、O2、CO2、SO2HCO3-、SO42-从有机物分解现时来有机污物、有机废水蔬菜的色素物质，有机废水O2、NH3CO2、N2H2S、CH4H2蔬菜色素物质，有机废水Na+NH4+H+Cl-HCO3-NO2-、NO3-OH-、HS-其他有机阴离子活的微生物鱼、藻、微生物、硅藻细菌、藻类、病毒、硅藻     从表54可看出，天然水中杂质主要分为两大类，即悬浮杂质和溶解杂质。悬浮杂质包括悬浮物和胶体；溶解杂质包括气体、司巨电解质和电解质固体，其中电解质杂质以离子状态存  在于水中。天然水中杂质来自于四个方面：即从矿物、土

7、壤和岩石中溶入的；从空气中带入的；有机物分解带人的和活的微生物产生的。    二、杂质对水质的不良影响       1水中溶解的气体       水中熔解的气体主要有氮气、氧气、二氧化碳、氨二氧化硫和硫化氢等。对水质影响较大的氧气、二氧化碳、氨、二氧化硫和硫化氢；      (1)氧气  水中溶解的氧气常是造成工业生产中锅炉等金属设备腐蚀的原因d：溶解氧不仅可以引起金属的化学腐蚀，而且由

8、于水中氧浓度分布不均匀还会导致危害更大的电化学腐蚀。水中氧浓度分布不均的区域称为氧浓差区域l氧浓度较高的区域称为高氧区广氧浓度较低的区域称为贫氧区；由于氧浓度的不伺在金属表面形成浓差电池发生电化学腐蚀时i牛富氧区是腐蚀电池的阴极，贫氧区是电池的阳极；由于气体在水中扩散十分缓、慢十因此水的深度不同会产生氧浓差。离水面较深的区域，一旦氧气被消耗不能及时得到补充成为贫氧区，而在水面附近与空气接触、易溶入氧气形成富氧区；而在搅动邢流动的水中虽然象水的流动，氧的浓度比较均匀卜但在水中某些部位厂水流动受阻，会成为水的滞流区，因此也会形成贫氧区和浓度差而造成电化学腐蚀。   

9、在化工生产的动力锅炉用水中士溶解氧浓度是一项重要监测指标，锅炉水中微量溶解氧存在时会使钢铁表面钝化膜破裂而导致严重的点蚀或局部腐蚀主因此必须除去水中；的溶解氧，而且锅炉压力越高，÷允许残留在水中的氧浓度就越低。通常的作法是先用蒸气加热的方法脱 氧再加入联氨；亚硫酸钠之类的还原剂：与氧反应使氧浓度进扒步下降，当含氧量小于0.005mg/L时，一般不会引起锅炉腐蚀。     (2)二氧化碳  溶于水中二氧化碳一方面对水的pH值产生影响，含CO2多的水显酸性，会导致金属设备的腐蚀，为此工业生产中在水中加入环己胺或吗福啉等挥发性碱来

10、调节水的pH值以防止二氧化碳腐蚀。    另一方面在水溶液中二氧化碳、碳酸氢根和碳酸根离子浓度之间存在一个平衡关系：溶于水的二氧化碳(H2CO：)在水中发生两级电离，  一级电离为：      一级电离平衡常数                         

11、               (52)  二级电离为：        二级电离平衡常数                       

12、;                 (53)      计算表明，当pH<8.3即氢离子浓度cH+4.7X10-9mol/L时，溶液中主要以H2CO3，和HCOi-3离子形式存在，COi2-3离子浓度低。而水中COi离子和Ca2+离子浓度过高是造成水垢产生的原因，因此要把水溶液控制在一个近中性(pH7)的合适范围，既不引起金属腐蚀，也防止碳酸盐水垢的产生。   

13、 (3)氨气  氨气是易溶于水的碱性物质，通常水中含氨量很少，不会对水质造成影响，但是当水中含蛋白质等含氮有机物较高时，在微生物作用下可分解产生氨。氨在潮湿空气中或含氧水中会引起铜和铜合金腐蚀。氨与铜离子能形成稳定络合物而降低了铜的氧化还原电极电位使铜易被氧化腐蚀，导致铜质工业设备损坏。    (4)硫化氢和二氧化硫  溶于水中的二氧化硫和硫化氢都使水显酸性，其中硫化氢的危害更大些，这是因为硫离子有强烈的促进金属腐蚀的作用。工业生产设备中与水接触的碳钢表面出现“鼓泡”等腐蚀现象，主要是硫化氢作用的结果。硫化氢有强还原性，会与水中的氧化性杀菌剂或

14、铬酸盐等强氧化性缓蚀剂反应而使它们失效。另外许多金属硫化物在水中溶解度很低，所以硫化氢是一种金属离子沉淀剂，会使含锌等金属离子缓蚀剂形成硫化物沉淀而失效。因此要尽力减少水中硫化氢的含量。    2。水中溶解的无机盐类        (1)无机盐在水中的溶解性规律  无机盐在水中溶解度受温度影响的变化规律分为三类：绝大多数盐的溶解度都是随温度升高而增加的；有些盐溶解度受温度变化的影响不显著(如食盐)；也有些盐类溶解度是随温度升高而下降的，属于这一类的有碳酸钙、硫酸钙、碳酸镁等微溶和难溶盐

15、，因此在受热过程中，这些盐特别容易形成水垢。    (2)溶盐含量的表示方法  常用mg/L(ppm)表示溶解盐(或离子)的含量。如lm水中含有钙离子40g相当于40mg/L(Ca2+)，有时用mg/L(CaC03)表示，即折合成每升水中含碳酸钙多少毫克。由于Ca的相对原子质量为40，而CaCO3的相对分子质量为100，所以40mg/L(Ca2+)相当于100mg/L(CaC03)。目前通常用mg/L(CaC03)作为水硬度的单位， lmg/L(CaC02)叫1度。    (3)总溶固含量和电导率  总溶

16、固含量(TDS)是水质控制的第一个重要指标。溶于水的总固体物质包括盐类和可溶性有机物，但后者在水中含量一般很低：实际上总溶固量就是水中溶解盐的数量，根据水中的总溶固量的不同而将水质分为淡水、咸水、高盐水三类。    测定水中总固含量需把水蒸至干，很费时间。由于水中溶解的盐有导电能力，含盐量高导电力强，因此直接测定溶液的导电率即可换算出总溶固含量。电导率是一定体积溶液的电导，是溶液电阻率的倒数。对于同一类型淡水，在pH59范围，电导率是与总溶固含量大 致成线性关系。电导率测定通常在25恒温下进行，温度变化l，电导率可有2变化量锅炉压力越高，要求控制电导率越低，即总溶

17、固含量越低。          (4)钙镁离子与硬度  一般从自然界得到的水都溶有一定的可溶性钙盐和镁盐，这种含可溶性钙盐、镁盐较多的水称为硬水。又根据钙盐、镁盐具体种类的不同，又分为暂时硬水和永久硬水。含有碳酸氢钙和碳酸氢镁的硬水在煮沸过程中会变成碳酸盐沉淀析出，所 以把这种硬水叫做暂时硬水；而把含钙、镁的硫酸盐、氯化物的硬水称为永久硬水，因为它们在煮沸时也不会析出。而把含钙、镁离子少的水称为软水。       水中含钙；镁

18、离子这种杂质时对洗涤危害是较大的。钙、镁离子会使肥皂和一些合成洗涤剂的洗涤效力大为降低。肥皂中含有的高碳脂肪酸根(如硬脂肪酸根)会与钙、镁离子生成不溶性的硬脂酸钙(俗称钙皂)或硬脂酸镁，而使肥皂失去洗涤去污的作用。同时生成的钙皂沉淀物会牢固地附着在洗涤对象的表面，不易去除，严重影响洗涤质量：    2C17H35COONa+Ca2+=(C17H35COO)2Ca+2Na+    同样，合成洗涤剂、烷基苯磺酸钠虽有一定的耐硬水能力，但也会与钙、镁离子发生反应：       原来

19、十二烷基苯磺酸钠是易溶于水的，当形成十二烷基苯磺酸钙之后则不易溶于水，只能在一定程度上分散在水中。因此洗涤时最好使用含钙、镁离子少的软水。    水的硬度是反映水中含钙、镁盐特性的一种质量指标。把水中含有的碳酸氢钙、碳酸氢镁的量叫碳酸盐硬度。由于将水煮沸时，这些盐可分解成碳酸盐沉淀析出，故又称之为暂时硬度。把水中含有的钙、镁硫酸盐及氯化物的量叫非碳酸盐硬度，因为用煮沸方法不能除掉这些盐，故又称为永久硬度。把上述两类硬度的总和称为总硬度。    世界各国虽都规定有自己的硬度单位标准，但通常把一百万份水中含一份碳酸钙作为硬度单位(即lkg

20、水中含有lmg碳酸钙)。    水的硬度与水质的关系如表55所示。    表5-5  水的硬度分级  水质硬度/(CaCO3mg/kg)水技硬度/(CaCO3mg/kg很软的水软水较软的水040408080120较硬功夫的水硬水很硬的水120180180300300以上page   硬水对肥皂的洗涤性能影响很大。有实验结果表明，用硬脂酸钠制成的肥皂，以硬度为、100的水配成质量分数为0.2的溶液时，大约有1/4的硬脂酸钠转变成没有涤涤作用硬脂酸钙，而且它们会沾附在洗涤对象表面造成污染。

21、假如用硬度为200的水配制上述溶液时，肥皂的起泡性和洗涤效果都受到很大影响，甚至用眼看，手摸都能感觉到钙皂沉淀的存在。    硬水不仅不适合做洗涤用水，也不适合作锅炉用水，它容易产生水垢，使锅炉热效率降低，甚至引起锅炉爆炸。因此必须把硬水进行软化处理。        (5)铁离子的危害  水中含铁量过高时，饮用时有发腥发涩的感觉，用于洗涤衣物和瓷器会染上黄色。水牛铁离子包括Fe2+、Fe3+两种形式。由于Fe(OH)3溶度积很小，所以在中性水中Fe3+都是以胶体状态的氢氧化铁形式悬浮于

22、水中，会相互作用凝聚沉积在锅炉房金属表面形成难以去除的锈垢，并弓发金属进一步腐蚀。而溶在水中的FeZ+的危害作用在于它是水中铁细菌的营养源，Fe2+含量过多会引起铁细菌的滋生。Fe2+与磷酸根离子结合形成的磷酸亚铁是粘着性很强的污垢。而且Fe2+能在碳酸钙过饱和溶液中起到晶核作用，能加快碳酸钙沉淀的结晶速度。因此在水中要严格控制含铁量。    (6)铜离子的危害  虽然铜离子在水中含量一般不高，但它对金属腐蚀有明显影响。由于铜离子易被铁、锌、铝等活泼金属还原成金属铜，而在金属表面形成以铜为阴极的微电池，引发金属电化学腐蚀，造成金属的点蚀而穿孔，因此要严格

23、控制水中含铜量。    (7)水中的阴离子与碱度  水中含有的阴离子有OH-、C02-、PO3-4、Si02-3、C1-和SO24离子等，其中能引起金属腐蚀是通常在水中含量较高的C1-离子。研究表明，C1-离子虽然并没有直接参加电极反应，但能明显加速腐蚀速度，这可能是与C1-离子容易变形发生离子极化，极化后的Cl-离子具有较高极性和穿透性有关。由于它的高极性和穿透性使Cl-离子易于吸附在金属表面，并渗入到金属表面氧化膜保护层内部，造成破坏而导致腐蚀发生。    碱度是指水中能与H+发生反应的物质总量。水中能与H+发生反应的物

24、质包括OH-、CO2-3、HCO-3、HP02-4、H2PO-4、HSi0-3等阴离子和NH3，测量碱度时，加入酚酞指示剂，用强酸滴定到红色褪去所消耗酸的数量叫酚酞碱度。加入甲基橙指示剂用强酸滴定至溶液显红色所消耗的酸的总量叫甲基橙碱度或总碱度。甲基橙碱度总是大于酚酞碱度的。根据两者的关系可判断水中OH-、C02-3、HCO-3离子的相对含量。    滴至酚酞变色发生的反应是：    而进一步滴定至甲基橙变色发生的反应是：    由于将C02-3滴定至HCO-3，与将HCO-3滴定至H2CO3所消耗的酸量

25、相等，而OH-与HC0-3不能同时共存于溶液，因此当酚酞碱度等于甲基橙碱度时，说明溶液中只有OH-，没有HC0-3、CO2-3离子，当甲基橙碱度等于酚酞碱度二倍时，说明溶液中只有C02-3离子。而当甲基橙碱度小于酚酞碱度二倍时，说明溶液中有OH-、C02-3，没有HCO-3(因为OH-与HCO-3不能同时存在于同一溶液中)。    由于OH-、C02-3、HC0-3离子与钙镁离子一样都是成垢离子的来源，为了防止结垢就必须控制溶液的硬度和碱度。因此碱度也是水质控制的重要指标。    3水中其他杂质的危害   

26、; (1)油污  水中含有油污，一方面它会粘附在金属表面上影响金属的传热效率，还会阻止缓蚀剂与金属表面充分接触，使金属不能受到很好的保护而腐蚀。还会对水中各种污垢起粘结剂作用加速污垢的形成和聚积。油污还是微生物的营养源会加快微生物的滋生和形成微生物粘泥，因此水中含油量必须严格控制。    (2)二氧化硅  水中溶解少量以硅酸或可溶性硅酸盐形式存在的二氧化硅对金属的腐蚀有一定的缓蚀作用。但含量过高时会形成钙镁的硅酸盐水垢或二氧化硅水垢。这种水垢热阻大、难以去除对锅炉危害特别大，因此要严格加以控制。    三、水的净化

27、与纯化    1硬水软化    把硬水转变成软水的过程叫硬水软化。软化硬水的方法较多，有加热法、化学沉淀法和离子交换法。目前广泛采用的是离子交换法，即用离子交换剂来软化硬水的方法。过去曾用过磺化煤、泡沸石来软化硬水，目前普遍使用的离子交换剂是高分子离子交换树月旨，它是有交换离子能力的高分子化合物。它是由不溶于水的交换剂本体及能在水中解离的活性交换基团两个基本部分组成。根据可交换的离子是阳离子或阴离子而分别称为陌离子交换树脂和阴离子交换树脂，如通常使用的苯乙烯型离子交换树脂，它的交换剂本体是由苯乙烯与部分对苯二乙烯共聚而成的不溶性高聚物

28、。当本体上连有磺酸基(一SO-3Na+)或季铵基一N+ (CH3)3Cl-后则分别具有交换阳离子或阴离子的能力。            用离子交换树脂软化硬水分为两步：处理工程和再生工程。       当硬水通过阳离子交换树脂时，水中的钙、镁离子与阳离子交换树脂上的活性基团钠离  B子发生交换并被吸附，使水软化：        口一(S03Na)2+Ca2+

29、>口一(SO3)2·Ca+2Na+    (处理工程)        当阳离子交换树脂上的钠离子几乎全部被钙、镁离子所交换时就失去了交换离子的能力；必须通过再生恢复它的交换能力。通常使用食盐为再生剂，再生过程中先用清水洗涤离子交换树脂，然后通人质量分数为10的食盐水浸泡而使离子交换树脂吸附的钙、镁离子解吸下来，然后随废液排出。       口一(S03)2Ca+2Na+>口一(S03Na)2+a2+ &#

30、160;  (再生工程)        在离子交换过程中，不仅钙、镁离子会被交换，水中含有的铁、锰、铝等金属离子也可同旧寸被交换去除。当硬水先后通过阳、阴离子交换树脂后；水中的电解质阳、阴离子基本均可被去除，这种方法得到的软水叫去离子水。见图53。    图53  离子交换树脂软化硬水示意图    一般锅炉中使用的软水，精密工业清洗领域使用的洗涤及冲洗用水，大都是采用离子交换树脂法制得的。这种方法简便、成本低，水中的离子性杂质基本被去除

31、，在许多场合去离子水被用来代替成本较高的蒸馏水使用。    目前中国大型工矿软化水大都仍采用石灰法。其他软化方法成本较高只适用于少量水系统。用石灰可以去除水中的二氧化碳和碳酸氢钙、碳酸氢镁。    Ca(OH)2+C02=CaCO3+H20        Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3+2H20        Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2=Mg(OH)2+2CaCO3+2

32、H20  有时为了去除非碳酸盐硬度(如CaSO+，CaCl。等)要配合加入适量Na2CO汁    CaSO4+Na2C03=CaCO3+Na2S04        MgSO4+Na2CO3+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCO+Na2SO4    2混凝剂去除悬浮胶体        为了去除水中悬浮粘土和胶体要加入混凝剂。分散很细的粘土胶体，单靠重力沉降很难从水中分离。混凝剂的作用在

33、于通过吸附作用使细小粘土颗粒聚集在一起首先形成直径在1m的聚集体，再通过化学粘结、共同沉淀等作用使聚集体进一步聚集成羊毛绒状的絮状体。絮状体在重力作用下可以发生沉降而被去除。       工业上常用的无机混凝剂有硫酸铝A12(SO4)·18H20l铝铵矾Al2(SO4)·(NH4)2SO4·24H20孔氯化铝(A1C13)；铝钾矾A12(SO4)3·K2SO4· 24H20三氯化铁(FeCl3)，绿矾(FeSO4·H20)，硫酸高铁等。   &#

34、160;  有机絮凝剂有聚丙烯酰胺等。        无机混凝剂的作用机理是铝、铁离子在水中发生水解，形成单核或多核的羟基络离子：这些永解产物有混凝作用，它们可以把表面带负电荷的粘土颗粒的双电层压缩，使所节净负电荷减少。当铝、铁离子形成氢氧化铁或氢氧化铝等絮状沉淀物时会把粘土颗粒卷扫携同沉淀。它们也可以通过吸附架桥作用把粘土颗粒连在一起形成聚集体。    聚丙烯酰胺等有机高分子絮凝剂主要通过架桥作用使粘土颗粒絮凝沉淀，当聚合物分子与胶体粒子接触时，聚合物分子的一些基团吸附到胶体粒子表面

35、，而聚合物分子的剩余部分仍留在溶液中。一个聚合物分子有多个位置可与胶体粒子发生吸附，当聚合物分子同时与多个胶体粒子发生吸附作用时就会发生架桥作用，把胶体粒子聚集在一起，并在重力作用下形成沉淀，如图54所示。    经过混凝处理之后的水再通过细砂、活性炭组成的过滤池就可把水中悬浮颗粒基本去除。      3纯水和超纯水    由于现代工业技术的发展，对水质提出日益严格的要求，因而直接采用批水作原料、工艺用水或生产过程用水的部门逐渐增多，制造纯水的技术也相应得到迅速发展。

36、0;    所谓纯水并非指化学纯的水，而是指在千定程度上去除了各种杂质的水。用离子交换法主要去除的是水的硬度(Ca2+、Mg2+)，而并没有把水中包括非硬度盐在内的所有强电解质者陆除，而且水中还存在硅酸等弱电解质以及气体、胶体、有机物、细菌等杂质，根据这些杂质的去除程度把纯水又分为除盐水、纯水和超纯水几个等级。     按生产工艺的实际需要，许多部门都提出了对纯水的。要求。如在医药、精制糖、高级纸制造、合成纤维、电影胶片、电子工业、高压锅炉用水以及其他部门都要求使用除盐水或纯水。而在超高压锅炉、高绝缘材料、精密电子元件、原子

37、能工业等则要求使用超纯水。在精密工业清洗的许多领域，水中含有微量杂质都会影响制品的精度，如属于最先进的精密工业的光学仪器、电子机械、半导体元件等领域，洗涤后冲洗用水中存在的微量杂质在干燥之后会在被洗物表面形成污点或斑迹，这是造成元件表面覆盖膜会存在气孔的原因，也是造成其导电性变差，机械性能变坏的原因。电子工业中一些精密元件的制造和清洗都要求使用高纯水心口果电子管阴极涂面混入杂质则会影响电子发射；在电视摄像管和电视机荧光屏制造过程中混入微量铜、铁等金属就会使画面变色。在半导体晶体管制造、集成电路蚀刻过程中对水质要求更高。    测量水的纯度有多种指标，而电·

38、;阻率是通常衡量水纯度的重要指标。水的电阻率早与水中含有的离子性杂质多少直接有关的。因为水中溶解的各种盐都是以离子状态存在而具有导电能力的。水的导电能力越强<电阻率越低)说胡含有离子性杂质越多，而电阻率越高则说明水越纯。理论上不含离子性杂质的纯水可达到电阻率的极限为18.3M·cm(25)。只有经过蒸馏的纯水的电阻率才能达到这个标准。读者可根据表56了解各种水的电阻率与所含离子性杂质的关系。        下面列出天然水经处理后其中含盐量。    除盐水是指水中包括非硬度盐类的各种电解质都去除到一定程度的水，其含盐量在15mg/L范围。    纯水又称深度除盐水，其中不仅除去了强电解质，而且大部分硅酸和二氧化碳等弱电解质也已除去，含盐量降至1.0mg儿以下。        超纯水要求把水中的气体、胶体、有机物、细菌等各种杂质都去除到最低限度，达到工业上可达到的最高纯度，此时水中的含盐量降低到0tmgi以下。见表5?。    &