酸碱反应在污染控制中的应用实用教案

1、2.1 2.1 酸、碱反应酸、碱反应(fnyng)(fnyng)原理原理 一、什么是酸、碱1. 电离理论 1884年，瑞典(ru din)化学家阿仑尼乌斯根据电解质的电离理论，提出了第一个酸碱理论:酸是在水溶液中经电离只生成H+一种阳离子的物质；碱是在水溶液中只生成OH-一种阴离子的物质。酸与减中和反应的本质是H+和OH-化合生成H2O。2. 质子(zhz)理论；勃朗斯特和劳莱能给出质子(zhz)的是酸，能接受质子(zhz)的是碱。第1页/共42页第一页，共42页。二、酸碱反应实质二、酸碱反应实质 质子转移：两个共轭酸碱对相互作用，质子从一种酸质子转移：两个共轭酸碱对相互作用，质子从一种酸转移

2、到另一种碱的过程。转移到另一种碱的过程。三、酸度、碱度三、酸度、碱度1、酸碱性：、酸碱性：pH表示表示2、酸的浓度（酸的分析浓度）：、酸的浓度（酸的分析浓度）：1升溶液升溶液(rngy)中中所含某种酸的摩尔数，即酸的总浓度，包括未理解酸所含某种酸的摩尔数，即酸的总浓度，包括未理解酸的浓度和已离解的酸的浓度。的浓度和已离解的酸的浓度。第2页/共42页第二页，共42页。3 3、酸度、酸度 酸度指水中能与强碱发生中和作用的物质的总量，即酸度指水中能与强碱发生中和作用的物质的总量，即放出放出H+ H+ 或经过水体或经过水体(shu t)(shu t)能产生能产生H+H+的物质的总量。的物质的总量。AG

3、=lgC(H+)/C(OH-) AG=lgC(H+)/C(OH-) 酸度组成：酸度组成：强酸，如强酸，如HClHCl、HNO3HNO3、H2SO4H2SO4；弱酸，如弱酸，如H2CO3H2CO3；强酸弱碱盐，如强酸弱碱盐，如FeCl3FeCl3。第3页/共42页第三页，共42页。酸度分类：酸度分类：无极酸度：以甲基橙无极酸度：以甲基橙 变色变色pH4.3pH4.3为指示剂测得的酸度。为指示剂测得的酸度。游离游离CO2CO2酸度：以酚酞酸度：以酚酞 变色变色pH8.3pH8.3为指示剂测得的酸度。为指示剂测得的酸度。总酸度：滴定至总酸度：滴定至pH10.8pH10.8时所测得的酸度。时所测得的酸

4、度。酸度计算：酸度计算：无机酸度无机酸度=H+-HCO3-2CO32-OH-=H+-HCO3-2CO32-OH-游离游离CO2CO2酸度酸度=H+H2CO3=H+H2CO3* *-CO32-OH-CO32-OH-总酸度总酸度=H+HCO3- 2 H2CO3=H+HCO3- 2 H2CO3* *-OH-OH-酸度单位酸度单位(dnwi)(dnwi)：mmol/Lmmol/L；H2CO3H2CO3* *包含溶解的包含溶解的CO2CO2和和H2CO3H2CO3。第4页/共42页第四页，共42页。4 4、碱度、碱度碱度是指是表征水吸收碱度是指是表征水吸收(xshu)(xshu)质子的能力的参质子的能力

5、的参数，通常用水中所含能与数，通常用水中所含能与 强酸定量作用的物质总强酸定量作用的物质总量来标定。这类物质包括强碱、弱碱、强碱弱酸量来标定。这类物质包括强碱、弱碱、强碱弱酸盐等。盐等。当滴定至酚酞指示剂由红色变为无色时，溶液当滴定至酚酞指示剂由红色变为无色时，溶液pHpH值即为值即为 8.3 8.3，指示水中氢氧根，指示水中氢氧根(0H-)(0H-)已被中和，碳已被中和，碳酸盐均被转化为重碳酸盐，此时的滴定结果称为酸盐均被转化为重碳酸盐，此时的滴定结果称为 “酚酞碱度酚酞碱度”。当滴定至甲基橙由黄色变为橙红。当滴定至甲基橙由黄色变为橙红色时，溶液的色时，溶液的pHpH值为值为4.4-4.54

6、.4-4.5，指示水中的重碳酸，指示水中的重碳酸盐盐( (包括原有的和由碳酸盐转化成的包括原有的和由碳酸盐转化成的) )已被中和，已被中和，此时的滴定结果称为此时的滴定结果称为“总碱度总碱度”。 第5页/共42页第五页，共42页。 5、中和法利用碱性药剂或酸性药剂将废水从酸性或碱性调整到中性附 近的一类处理方法。在工业废水处理中，中和处理既可以作为主要的处理单元，也可以作为预处理。此外，还有一种与中和处理法相类似的处理操作(cozu)，就是为了某种需要，将废水的pH值调整到某一特定值(范围)，这种处理操作(cozu)叫pH调节。若将pH值由中性或酸性调至碱性，称为碱化；若将pH值由中性或碱性调

7、至酸性，称为酸化。第6页/共42页第六页，共42页。 6 6、不同酸、不同酸( (碱碱) )含量工业废水的处理方法含量工业废水的处理方法（1 1）废酸液和废碱液）废酸液和废碱液 酸含量大于酸含量大于5 510%10%的高浓度含酸废水，常称为废酸液；碱含量大于的高浓度含酸废水，常称为废酸液；碱含量大于3 35%5%的高浓的高浓度含碱废水，常称为废碱液。度含碱废水，常称为废碱液。 对于这类废酸液、废碱液，一般应因地制宜对于这类废酸液、废碱液，一般应因地制宜(yn d zh y)(yn d zh y)地加以回收和利用，地加以回收和利用，例如，用蒸发浓缩法回收苛性钠；用扩散渗析法回收钢铁酸洗废液中的硫

8、酸等。例如，用蒸发浓缩法回收苛性钠；用扩散渗析法回收钢铁酸洗废液中的硫酸等。（2 2）酸性废水和碱性废水）酸性废水和碱性废水 对于酸含量小于对于酸含量小于5 510%10%或碱含量小于或碱含量小于3 35%5%的低浓度酸性废水或碱性废水，由于的低浓度酸性废水或碱性废水，由于其中酸、碱含量低，回收价值不大，常采用中和法处理，使其达到排放要求。其中酸、碱含量低，回收价值不大，常采用中和法处理，使其达到排放要求。 第7页/共42页第七页，共42页。酸性(sun xn)废水来源及特性 pH4.5 强酸性(sun xn)废水 pH=4.5-6.5 弱酸性(sun xn)废水来源钢铁厂、化工厂、冶炼厂、电

9、镀厂、矿山等 特性除含酸外，还含有各种有害物质、重金属及其盐类；会腐蚀管道， 损坏农作物，伤害鱼类等水生物，污染土壤，危害人体健康。酸性(sun xn)废水的成分包括：无机酸：硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等有机酸：醋酸、甲酸、柠檬酸等金属盐。2.2 2.2 酸性废水酸性废水(fishu)(fishu)中和处理中和处理第8页/共42页第八页，共42页。酸性废水处理1 回收利用2 投药中和（1）常用的药剂：药剂中和法最常采用的碱性药剂是石灰(CaO)，有时也选用苛性钠、碳酸钠、石灰石、白云石、电石渣等。选择碱性药剂时，不仅(bjn)要考虑它本身的溶解性、反应速度、成本、二次污染、使用方便等因素，

10、而且还要考虑中和产物的性状、数量及处理费用等因素。当投石灰进行中和处理时，Ca(OH)2还有凝聚作用，因此对杂质多、浓度高的酸性废水尤其适宜。 第9页/共42页第九页，共42页。 （2）中和剂的投加量可按实验绘制的中和曲线确定，也可根据水质(shu zh)分析资料，按中和反应的化学计量关系确定。 )(2211acacKQGa Q废水量，m3d；Cl， C2 废水酸的浓度和酸性(sun xn)盐的浓度，kgm3； a1 ，a2 中和每公斤酸和酸性(sun xn)盐所需的碱性药剂公斤数，即碱性药剂比耗量kgkg；K考虑到反应不均，部分碱性药剂不能参加反应的加大系数。如用石灰法中和硫酸时，取1.05

11、l.10(湿投)或1.41.5(干投)；中和硝酸和盐酸时，取1.05； 碱性药剂的纯度，%。 第10页/共42页第十页，共42页。 中和产生的沉渣量(干基(n j)G(kgd)可按下式计算 ：)()(dcSQeGGa 消耗(xioho)(xioho)单位重量药剂所生成的难溶盐及金属氢氧化物量，kgkgkgkg；ee单位重量药剂中杂质含量，kgkgkgkg；cc中和后溶于废水中的盐量， kg kgm3m3；SS中和前废水中悬浮物含量，kgkgm3m3；dd中和后出水挟走的悬浮物含量，kgkgm3m3。 投药中和法的工艺过程主要包括：废水的预处理；药剂的制备与投配；混合与反应；中和产物的分离；泥渣

12、的处理与利用。废水的预处理包括悬浮杂质的澄清，水质及水量的均和。前者可以减少投药量，后者可以创造(chungzo)稳定的处理条件。 消耗药剂产生的沉渣量中和后悬浮物的沉渣量第11页/共42页第十一页，共42页。 （3 3）投加方式投加石灰有干法和湿法两种方式。干投法设备简单，药剂的制备与投配容易，但反应(fnyng)(fnyng)缓慢，中和药剂耗用量大( (约为理论用量的1.41.4.5.5倍) )。 石灰(shhu)干投法示意图第12页/共42页第十二页，共42页。 湿法即将(jjing)生石灰在消解槽内消解为浓度4050%的乳液，排入石灰乳贮槽，并配成浓度为510%的工作液，然后投加。 第

13、13页/共42页第十三页，共42页。（1）消解槽 石灰用量1t/d：采用机械方法消解。 ？可否(k fu)用空气搅拌第14页/共42页第十四页，共42页。 式中：Ga石灰(shhu)消耗量，t/d； r石灰(shhu)的容重，0.91.1t/m3； C石灰(shhu)乳浓度，（510）%； n每天搅拌次数。)m(rcn100GV32溶液槽：（2）石灰乳贮槽 消解后石灰乳排至贮槽，配制成510，其有效(yuxio)容积V2（m3）第15页/共42页第十五页，共42页。（3）投配系统(xtng) 溢流循环方式(fngsh)输运到投配槽中的量大于投加量，剩余量沿溢流管流回乳贮槽，这样可维持投配槽内液

14、面稳定不变，投加量只由孔口或阀门开度大小控制，还可以防止沉淀和堵塞。 第16页/共42页第十六页，共42页。混合反应池：应用广泛的是带搅拌的混合反应池。中和反应较快，废水(fishu)与药剂边混合，边中和，池中常设置隔板将其分成多室，以利混合反应，称隔板混合反应池。反应池的容积通常按520min的停留时间设计。第17页/共42页第十七页，共42页。 投药中和法的优点是可处理任何浓度、任何性质的酸性废水；废水中容许有较多的悬浮杂质，对水质、水量的波动适应性强；并且中和剂利用率高，中和过程容易调节。存在的缺点是劳动条件差，药剂配制(pizh)及投加设备较多，基建投资大，泥渣多且脱水难。 （4）特点

15、(tdin)第18页/共42页第十八页，共42页。3.3.过滤过滤(gul)(gul)中和法中和法 酸性废水流过碱性滤料形成的滤床时，可使废水中和，这种中和方式叫过滤中和法。 主要的碱性滤料有三种：石灰石、大理石、白云石。前两种的主要成分是CaCO3，后一种的主要成分是CaCO3MgCO3。处理特点：操作简便、运行费用低、劳动条件好、沉渣少，只有废水体积(tj)的0.1%；缺点是进入酸的浓度受到限制，若是HCl、HNO3浓度20g/L；若是H2SO4浓度=1m，长度约为直径(zhjng)的67倍。滚筒转速约每分钟10转。滤料的粒径较大(达十几毫米)，装料体积约占转筒体积的一半；优点：进水的硫酸

16、浓度可以(ky)很大，滤料粒径却不必破碎得很小。缺点：负荷率低、构造复杂、动力费高、噪音大，同时对设备材料的耐蚀性能要求高。第24页/共42页第二十四页，共42页。 （1）酸性废水与碱性废水的中和处理-在同时存在酸性废水和碱性废水的情况下，可以以废治废，互相中和。 中和时，若碱性不足，应补充药剂；若碱量过剩，则应补充酸中和碱。 废水的水量和浓度均难于保持稳定，故应设置均和池及混和反应池(中和池)。如果混合水需要水泵提升，或者有相当长的出水沟管可资利用，也可不设混合反应池。（2）利用碱性废渣中和酸性废水例如，软水站石灰软化法的废渣中含有大量CaCO3、锅炉灰中含有220的CaO，利用它们(t m

17、en)处理酸性废水，均能获得一定的中和效果。 4 4 利用碱性利用碱性(jin xn)(jin xn)废水和废渣的中和法废水和废渣的中和法第25页/共42页第二十五页，共42页。5 利用天然(tinrn)水体及土境中碱度的中和法 天然水体及土壤中的重碳酸盐可用来中和酸性废水，如：天然水体及土壤中的重碳酸盐可用来中和酸性废水，如： Ca(HCO3)2+H2SO4CaSO4+2H2O+2CO2 利用土壤及天然水体中和酸性废水，必须持慎重态度。允许排入利用土壤及天然水体中和酸性废水，必须持慎重态度。允许排入水体的酸性废水量，应根据水体的中和能力来确定。水体的酸性废水量，应根据水体的中和能力来确定。在

18、天然水体的在天然水体的pH值为值为7左右时，左右时，CO32-的量可忽略，只考虑的量可忽略，只考虑(kol)一级解离平衡：一级解离平衡：(5) 则水体(shu t)pH(shu t)pH值为， 由于水体允许的pH界限值为6.5，则水体中游离CO2的极限浓度H2CO3或CO2可由下式求出： 则若已知天然水体中的若已知天然水体中的HCO3，并换算成相当的，并换算成相当的CO2量量A(mgL)；游离；游离CO2含量为含量为B(mgL)。设允许水中。设允许水中重碳酸盐用于中和酸性废水析出的重碳酸盐用于中和酸性废水析出的CO2极限量为极限量为x(mgL)，则：，则： (B+x)1.047(A-x)则则于

19、是就可进一步算出尤许排入水体的酸性废水量。 第26页/共42页第二十六页，共42页。碱性废水来源 pH 9 1.印染废水主要来自印染加工的各道工序，包括退浆废水，煮练废水，漂白废水，丝光废水， 染色废水，印花废水，整理(zhngl)废水，其特征P23,表2-1.2.造纸废水造纸工业用水多，消耗一定量的碱、硫化物、氯化物等化学药品，污染严重的轻工业造纸废水特点：耗氧量高，悬浮颗粒物高，含有毒物，碱性高，废水量大。 2.3 2.3 碱性废水碱性废水(fishu)(fishu)中和处理中和处理碱性废水(fishu)的成分：苛性钠、碳酸钠、硫化钠及胺类等。 第27页/共42页第二十七页，共42页。（1

20、）蒸煮废液原料+碱液 蒸煮 洗浆 纸浆 残液：蒸煮废液（黑液）（2）洗浆筛选废水洗浆带走的黑液约为总黑液20%左右，仍是黑色留在洗涤、筛选工段(gngdun)废水中。（3）漂白废水特点：pH：6.57.5，氯化物多 pH: 10.9；SS: 5.5g/L；BOD5: 19000mg/L；挥发性固形物：38.5g/L；溶解性固形物：52.5g/L；COD: 45500mg/L；SS:2500mg/L第28页/共42页第二十八页，共42页。碱性废水处理1.酸性废水与碱性废水的中和处理在同时存在酸性废水和碱性废水的情况下，可以以废治废，互相中和。 2.药剂中和法常用(chn yn)硫酸、盐酸及压缩C

21、O2。流程和投药中和酸性废水相同。其中工业硫酸价格较低，应用较多，当硫酸用量 10 kg/h，可直接用浓硫酸。第29页/共42页第二十九页，共42页。3 3 烟道气中和法烟道气中和法装置装置: :喷林塔喷林塔用用CO2CO2气体中和碱性废水时，为使气液充分气体中和碱性废水时，为使气液充分接触反应，常采用逆流接触的反应塔接触反应，常采用逆流接触的反应塔(CO2(CO2气气体从塔底吹入，以微小气泡上升；而废水从体从塔底吹入，以微小气泡上升；而废水从塔顶喷淋而下塔顶喷淋而下) )。用。用CO2CO2做中和剂的优点在于：做中和剂的优点在于：由于由于pHpH值不会低于值不会低于6 6左右，因此不需要左右

22、，因此不需要pHpH值值控制装置。控制装置。 烟道气中含有高达烟道气中含有高达2424的的CO2CO2，有时还含有，有时还含有少量少量SO2SO2及及H2SH2S，故可用来中和碱性废水，其，故可用来中和碱性废水，其中和产物中和产物Na2CO3Na2CO3、 Na2SO4 Na2SO4、Na2SNa2S均为弱酸均为弱酸强碱盐，具有一定强碱盐，具有一定(ydng)(ydng)的碱性，因此酸的碱性，因此酸性物质必须超量供应。性物质必须超量供应。优点优点: :处理效果良好，除尘，以废治废处理效果良好，除尘，以废治废缺点缺点: :处理后的水色度处理后的水色度, ,好氧量好氧量, ,硫话物都有硫话物都有增

23、加增加. .第30页/共42页第三十页，共42页。实例实例(shl)1(shl)1：印染废水处理：印染废水处理（1）酸碱废水互相中和不用投药、设备简单、管理方便、成本低廉（2）加酸中和法常用工业硫酸和盐酸，当硫酸用量超过10kg/h时，可采用浓硫酸直接投配；当硫酸用量较少时，先在调配(diopi)槽内把硫酸稀释成5%10%浓度后再投用。（3）烟道气中和法第31页/共42页第三十一页，共42页。实例实例(shl)2(shl)2：造纸废水处理：造纸废水处理（1）黑液蒸发预处理a.黑液氧化b.除硫、除尘等（2）黑液蒸发浓缩（3）干燥、燃烧(rnsho)过程（4）绿液苛化和石灰回收 黑液回收(hush

24、u)主要指碱、石灰和热能的回收(hushu)，其中碱回收(hushu)，仍以燃烧法为主，其流程如下：第32页/共42页第三十二页，共42页。2.4 pH调节(tioji)法在重金属废水处理中的应用为了某种需要，将废水(fishu)的pH值调整到某一特定值(范围)，这种处理操作叫pH调节。若将pH值由中性或酸性调至碱性，称为碱化；若将pH值由中性或碱性调至酸性，称为酸化。中和沉淀法又称氢氧化物沉淀法，当碱加入含重金属废水中时 其中的金属阳离子以氢氧化物或盐的形态沉淀析出(xch) 。废水来源及处理方法来源:除汞以外的其他重金属废水主要来源于矿山、废石场、造矿厂排水、有色金属冶炼厂除尘废水、有色金

25、属加工厂及钢铁工业的酸洗废水、电镀厂镀件的洗涤水。处理方法：氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、氧化还原法、离子交换法和铁氧体法。第33页/共42页第三十三页，共42页。氢氧化物(qn yn hu w)沉淀法原理氢氧化物沉淀法是基于重金属离子(lz)在一定的pH条件下，生成难溶于水的氢氧化物沉淀而得到分离。除少数碱金属外，大多数金属的氢氧化物都属难溶化合物。其典型的沉淀反应为： （1）相应的金属氢氧化物的溶度积为： （2）又从水的离解平衡知： （3）于是可以得到金属氢氧化物的如下关系： （4）式中Ksp金属氢氧化物的溶度积； Kw水的离子(lz)积。由上式可知，在一定温度下，金属氢氧化物沉淀形成的p

26、H值由该金属离子(lz)的价态及其氢氧化物的溶度积决定。若规定 1molL时为开始沉淀， 105molL时为沉淀完全，则由上式可求出相应于金属氢氧化物开始沉淀和沉淀完全的pH值。第34页/共42页第三十四页，共42页。2022-6-29金属氢氧化物金属氢氧化物(qn yn hu w)(qn yn hu w)的溶解度与的溶解度与pHpH值的关系图值的关系图 根据（4）式，以pH值为横坐标，以lgMn+为纵坐标，绘出金属(jnsh)离子的饱和浓度与pH值的关系图 pHFe3+Al3+Cu2Zn2AgCa2-lgMn+Cd20 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0 1 2 3

27、4 5 6 7 8Mg2根据(gnj)关系图，可方便地确定金属离子沉淀的条件。第35页/共42页第三十五页，共42页。2022-6-29以Cu2+为例，若Cu2+0.1molL，则由图上查出，使氢氧化铜开始沉淀出来的pH值应为5.1；若欲使溶液残余(cny)Cu2+浓度达10-5 molL，则沉淀终了的pH值应为7.0。pHFe3+Al3+Cu2Zn2AgCa2-lgMn+Cd20 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130 1 2 3 4 5 6 7 8Mg2第36页/共42页第三十六页，共42页。在实际废水处理中，共存离子体系十分复杂，影响氢氧化物沉淀的因素很多，必须控制pH值，使其保持在最优沉淀区域内。对于具体废水，最好通过试验确定pH。用氢氧化物沉淀法分离废水中的重金属时，废水的pH是操作控制的一个重要条件。对于一些两性氢氧化物（如Zn 、Al、 Pb、 Cr、 Sn等的氢氧化物）的饱和溶液中，不仅存在游离态的金属离子，也存在配位数不同的各种羟基络合物，它们都将参与沉淀溶解(rngji)平衡，它们在溶液中的数量和比例也直接同pH值有关，应该根据各种