华北理工水质工程学Ⅰ课件21水的软化

1、第二十一章 水的软化某些工业用水，对水质有特殊的要求：如：硬度；蒸发残渣；纯度；温度；腐蚀性；结垢的缓解等。包括：水的软化；水的淡化和除盐；水的冷却；循环水水质稳定。211、水软化的目的与方法概述 悬浮物 胶体状物质 混凝,沉淀,过滤， 天然水中含 菌类 消毒处理。 有的杂质 溶解盐类软化和除盐处理。 气体(CO2、O2)曝气,化学处理。 一、天然水中溶解的盐类及其析出的规律：1、溶解于水中的盐以离子态存在，阴、阳离子当量数相同，水呈电中性。 水中：阳离子：主要 Ca2+ Mg2+ Na+ K+ 少量 Fe2+ Mn2+ Sr2+ Fe3+ Al3+ 阴离子：主要：HCO3 SO42 Cl 少

2、量：CO32 SiO32 2、水中溶解离子的加热蒸发组合规律： 水中的多种阴阳离子说不上结合成了那些化合物，但加热后，有析出的先后顺序。阳离子析出的顺序为： Ca2+ Mg2+ Na+ K+ 阴离子析出的顺序为： HCO3 SO42 Cl 注：HCO3的析出是反应后析出， 2HCO3 MCO3+CO2+H2O 假设化合物将水中各种离子加热水蒸发，按其沉淀折出的先后顺序，假想组成某些结合物。 应用：（1）可以拟定水的处理方案； （2）可知物质析出的先后顺序； （3）可以写出化学方程式。 注意：水质分析的阴阳离子当量数应相等，如不相等时，误差不可超过5%。二、硬度：硬度物质：Ca2+ Mg2+ F

3、e2+ Mn2+ Sr2+ Fe3+ Al3+等 1、（总）硬度把水中能生成水垢的钙、镁离子的总含量称为水的总硬度，用Ht表示。 2、硬度分类： 总硬度又分为： （1）碳酸盐硬度（暂时硬度）Hc：加热后可以析出CaCO3 ； MgCO3 ； Mg(OH)2沉淀的硬度。 （2）非碳酸盐硬度（永久硬度）Hn：加热后不析出沉淀物，如MgSO4 按离子种类分： 钙硬度：HCa 镁硬度：HMg复习化学单位：一、物质的量n：1、使用物质的量n所表达的是：基于某一物系中所包含某特定种类粒子数多少而给出的一个量。2、 物质的量n是SI的基本量，因而它不可能有意义。（因为一切基本量都没有定义） 3、表达式：系统

4、中有N个基本单元X，其基本单元X的量n(X)为： L 阿伏加德罗常数， L=6.02213761023mol1 X基本单元，基本单元可以是原子、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的“特定组合”。 如：2CO2； ； ；N ； CC（碳碳键）。 例：n1(S)和n1(S8) n1(S)是以1个S做基本单元。 n1(S8)是以8个S做基本单元。 若: n1(S) =8n1(S8) 通式： 称为当量粒子。 常用：z等于离子电荷数。二、 摩尔质量M：1、摩尔质量M：是联系物质的量n与其质量m的一个量。2、定义：某一基本单元X在一物系中的总质量为 m(x) ，其量为n(x) ，则其摩尔质量 M(x

5、)为： 单位：g/mol 对于给定的基本单元X，其摩尔质量M(x)是一物理常量。 如： M(Ca) =40.08 g/mol M (H)=1.0079 g/mol M (H+)=1.0074g/mol M (1/2Ca2+)=20.04g/mol 3、摩尔质量M(X)与M ( ) 的关系：三、 物质的量浓度C：1、定义： V溶液的体积，常用单位升（L） 或毫升（ml）。2、同一溶液，X与当量粒子 的浓度关系： 3、硬度的单位与度量：（1）物质的量浓度： 法定 mol/L 1/2 Ca2+ 的摩尔浓度， 电子数为粒子量单位。 常用 mol/L Ca2+ 摩尔浓度， Ca2+粒子量单位。（2）当量

6、浓度 meq/L 毫克当量.（3）德国度：10mgCaO/L为一度d（4）折算CaCO3的量浓度：美日等国用。 mg(CaCO3) /L 换算关系： 1（Ca2+）mol/L =2.0(1/2 Ca2+) mol/L = 2.0meg/L=5.6 d=100mg(CaCO3) /L 4、天然水据硬度分类； 极软水： 4d 30 d 11.0mmol(1/2Ca2+)/L5、硬度与碱度的关系：两者单位相同。 碱度：水中所含能与强酸发生中和作用的全部物质。 氢氧化物碱度（天然水中 含量极小）OH离子含量（2）碱度分类： 碳酸盐碱度（天然水中 含量极小）CO32 重碳酸盐碱度（天然水中 含量高）HC

7、O3 （3）关系：同一水样中的碱度和硬度，总碱度总硬度：除Ca2+，Mg2+外，还有 Na+，K+重碳酸盐。 总碱度总硬度=负硬度（钠盐碱度）总碱度=总硬度：水中只有碳酸盐硬度。 即： 总硬度=总碱度=碳酸盐硬度三、软化的目的：1、硬度的危害：锅炉用水：硬度大，使锅炉结垢，水垢的传热系数是钢铁的1/50，所以造成燃料的浪费；传热不均匀时，使金属烧损，引起锅炉爆炸。冷凝器中水硬度高：会结垢，堵管，增加水管阻抗增加能耗。印染造纸等工业对水的硬度都有一定要求（产品质量）。日常生活：洗涤费肥皂，水壶结垢，2、软化的目的： 消除上述危害。 3、软化与除盐的区别：（1）软化：去除或降低水中Ca2+，Mg2

8、+离子的过程。这个过程，有可能使阴离子也降低，即含盐量相应降低。也有可能阴离子不降低，即有别的阳离子Na+，K+替代Ca2+，Mg2+ 。（2）除盐：是减少水中盐类总量的过程。不特别指去除某种离子，只要非H+阳离子，即去除。但只要减少阳离子，必然有Ca2+，Mg2+的减少包含着软化。 所以除盐起到了软化作用。但软化不能代替除盐。四、软化方法：1、基于溶度积原理：加入药剂，使 Ca2+ ，Mg2+转化为难溶物质使其析出沉淀，称为药剂软化法或称沉淀法。 2、基于离子交换原理：用离子交换剂，用Na+ ，H+离子将水中的Ca2+ ，Mg2+离子交换出来。称离子交换法。 3、基于电渗析原理：利用离子交换

9、膜的选择透过性，使Ca2+，Mg2+浓缩去除。称为电渗析法。 4、加热法：因加热后可使碳酸盐浓度积降低，重碳酸盐分解成碳酸盐沉降，以去除Ca2+ ，Mg2+。（少用。）21-2水的药剂软化法向水中加入药剂，降低水中的Ca2+ Mg2+离子。 1、难溶物质的溶度积（25）表:2、药剂软化：据溶度积原理，投加药剂（石灰，苏打等）使水中Ca2+，Mg2+离子反应生成CaCO3和Mg（OH）2沉淀物。3、工艺：投药混合，絮凝，沉淀，过滤。一、石灰软化法：1、软化原理：（1）生石灰消化： CaO+H2O=Ca(OH)2 （2） Ca(OH)2Ca2+2OH 2HCO3+2OH2CO32+2H2O +）

10、Ca2+CO32CaCO3 Ca(OH)2+2HCO3CaCO3+ CO32+2H2O + Ca2+ CaCO3 加入1molCa(OH)2可去除1mol Ca2+ 石灰软化过程中其它的反应： CO2+Ca(OH)2CaCO3+H2O Ca(HCO3)2+Ca(OH)22CaCO3+2H2O Mg(HCO3)2+Ca(OH)22CaCO3+MgCO3+H2O+) MgCO3+ Ca(OH)2CaCO3+Mg(OH)2 Mg(HCO3)2+2Ca(OH)22CaCO3+ Mg(OH)2+H2O 还有： MgSO4+Ca(OH)2Mg(OH)2+CaSO4 MgCl2+Ca(OH)2Mg(OH)2

11、+CaCl2 4Fe(HCO3)2+8Ca(OH)2+O2Fe(OH)3+8CaCO3+6H2O H2SiO3+Ca(OH)2CaSiO3+2H2O 变成了永久硬度。 主要是：生成难溶的CaCO3、Mg(OH)2沉淀，减少水中Ca2+，Mg2+。去除水中碳酸盐硬度和降低水的碱度。2、特点：（1）CO2也要消耗一定量的石灰，但对后续反应有益。 2HCO3CO2+ CO32+H2O 减少了HCO3 （2）去除重碳酸钙是等摩尔进行的；去除重碳酸镁是用2倍摩尔的石灰用量。 （3）仅能去除重碳酸盐硬度，不能去除非碳酸盐硬度。 因此出水水质硬度高。 水的剩余碳酸盐硬度可降到：0.250.5mmol/L 。

12、 剩余碱度：0.81.2mmol/L。 （4）可以去除部分Fe2+和SiO32等： 硅化物可去除3035% ； 铁残留量约0.1mg/L； 有机物可去除25% 。 （5）不可投加过量，否则会增加水的硬度。 3、适用条件： 碳酸盐硬度高，非碳酸盐硬度低的水质，并且要求水的硬度不太高的情况下，一般用作预处理。 4、石灰用量计算：（1）当HCaHc：(钙硬度碳酸盐硬度时) 水中无Mg(HCO3)2仅有Ca(HCO3)2 其质量浓度(mol/L) (CaO)=56C(CO2)+C (Ca (HCO3)2)+C (Fe2+) +K+mg/L (2)当HCa 对A+亲合力，反应向右进行； 小于1：对B+亲

13、合力Al3+Ca2+Mg2+NH4+Na+H+Li+ 规律：离子化合价高对树脂亲合力强（注：适用稀溶液） 同族元素，原子序数大不被吸附的能力强。 3、浓度的影响： 当增大液相中被置换离子浓度时，可使离子交换向相反方向进行。可再生。（因可逆反应的平衡常数不变） 4、离子交换出水泄漏量的计算： 在离子交换初期，出水的组成与树脂底层处离子交换剂的组成处于平衡状态，出水有一定的离子泄漏量。 其计算用式：（上述两式） 其中：qB代入树脂底层再生后仍残留的B+离 子浓度mmol/L； CB即求出的交换初期出水的B+离子浓 度，即出水离子泄漏量mmol/L。 5、树脂极限工作交换容量计算： 在离子交换最后阶

14、段，出水离子组成接近等于进水离子组成。这时，离子交换剂中的B+离子浓度达到最大值，视为极限工作交换容量qB 即式中：qB树脂极限工作交换容量即树脂吸 附B+离子浓度的最大值mmol/L 。 CB用进水中的B+离子浓度mmol/L。 6、再生度极限值的计算： 树脂再生度极限值用已知浓度的再生液，无限量地进行再生而达到的树脂最大再生程度。 式中各符号： qB经再生后树脂上仍残留的B+离子 浓度mmol/L 。 CB新鲜再生液中含有的B+离子浓度 mmol/L。七、离子交换速度树脂上有层水膜1、离子交换过程分为五个步骤：（1）溶液中待交换的离子迁 移通过树脂的边界水膜。（2）待交换离子在树脂孔道内

15、移动达到有效交换位置上。 （3）进行离子交换反应。（4）交换下来的离子在树 脂孔道向外移动。 （5）交换下来的离子通过树 脂的边界水膜进入溶液中。 2、离子交换速度： 离子交换非常快，可瞬间完成。 对交换速度起控制作用的是（1）（5）通过水膜和（2）（4）孔道迁移的扩散过程。两者有一种对离子交换反应适度起控制作用。 影响两种扩散的因素： （1）溶液离子浓度： 离子浓度梯度是扩散的推动力。高时：当浓度0.1mol/L时，膜扩散快，孔道扩散控制反应速度。属再生过程。 当浓度0.003mol/L时，膜扩散慢，膜扩散控制反应速度。属交换过程。 （2）水流速度或搅拌速度： 边界水膜的厚度反比于流速或搅拌

16、速率，孔道扩散不受此影响。 （3）树脂粒径： 膜扩散速度与粒径成反比。 粒径小对交 换再生都孔道扩散速度与粒径的平方成反比。 有利。 （4）交联度： 交联度小孔道直径大孔道扩散加快。八、树脂层离子交换过程：1、离子交换柱中的工作树脂分三部分：（1）完全被Ca2+，Mg2+离子饱和部分；（2）正在交换工作部分交换带。（3）未进行交换区段。 2、离子交换过程：（1）交换带（稳定的）形成节段。（2）交换带，下移节段。（3）交换带达到底部硬度开始泄漏。 这时的交换带成了保护层厚度，其余高为饱和层厚度。 3、影响保护层(交换带)厚度的因素： （1） 流速：流速大厚度大。 （2）进水硬度：硬度大厚度大。

17、（3）布水的均匀程度：不均匀厚度大。4、例：图217为一组软化实验所得出的树脂层内饱和程度曲线的推移过程。操作：交换柱按逆流再生固定床方式进行操作，即再生液流向与软化时方向相反。交换柱装填强酸树脂，用食盐溶液再生。参数：树脂层高度为123cm， 原水硬度c（1/2Ca2+）=6.15mmolL， 流速为43.3 mh。 运行时间为7.5 h。曲线上数字表示取样时间，以min计。曲线表示再生、清洗后，整个树脂层剩余硬度的情况。曲线、分别表示软化过程开始后155、245、310、395min，树脂层内树脂饱和程度的变化情况，亦即交换带不断推移的过程。曲线表示运行历时445min，硬度开始漏泄时，树

18、脂层里树脂饱和程度的全貌。经测定，交换带厚度等于20cm。21-4离子交换软化方法与系统一、离子交换 软化方法原理：目前常用方法： Na+交换法。 H+交换法 。 H+Na+交换法。 （一）Na+交换软化法： 反应： 2RNa+Ca(HCO3)2 R2Ca+NaHCO3 2RNa+CaSO4 R2Ca+Na2SO4 2RNa+MgCl2 R2Mg+2NaCl 特点：（1）不产生酸性水设备管道防腐简单。 （2）再生剂为食盐。 （二）H+交换软化法： 反应： 2RH+Ca(HCO3)2 R2Ca+2CO2+2H2O 2RH+Mg(HCO3)2 R2Mg+2CO2+2H2O 2RH+CaCl2 R2

19、Ca+2HCl 2RH+MgCl2 R2Mg+2HCl 特点： （1）软化过程同时去除碱度 （2）产生酸，出水为酸性水对设备有腐蚀，这种方法用的较少。（三）H+Na+交换脱碱软化法: 将H+和Na+交换柱串联或并联。 出水偏酸性（有中和反应） NaHCO3+H2SO4Na2SO4+CO2+H2O 二、固定床离子交换软化装置： 装置分类： 单层床 阴 固定床 双层床 双层床离子交换装置 混合床 阳 移动床：短暂间歇，部分 连续床 交换剂移出柱外再生。 水由下向上流。 流动床 交换剂由上向下流。 固定床：交换器中的树脂在交换、冲洗、再生、操作过程中，不移出交换器。 顺流再生固定床：原水与再生液按按

20、原水与再生 同一方向流动的交换器。 液流动方向 逆流再生固定床：原水与再生液按 相反方向流动的交换器。 （一）顺流再生固定床：（用的较少）1、构造：一只离子交换柱（罐）。2、工艺过程：（1）交换（2）反洗：目的是使树脂松动一下，利于树脂再生，并排走树脂上层杂质 （3）再生，（4）清洗，目的：用软化水清洗掉再生液 （2）（4）为再生过程。 3、优缺点： （1）再生剂用量多。 （2）出水剩余硬度高。 （3）交换器失效早。 （4）构造简单。 （5）运行方便。 4、适用条件：原水硬度较低，水量也较小的场合。 （二）逆流再生固定床：（用的最多） 常见的是：软化水流向下，再生液水流向上（反向较少） 1、

21、构造： 2、工艺过程： （1）交换。 （2）再生： 水流上向流交换工作，再生液向下流（浮动床法，少见） 水顶压法。 水流下向流工作，再生液向上流 气顶压法。 为什么顶压：防止再生时树脂乱层。（可节省再生剂）方法： 水压 在交换器中间设置排水装置，在顶部加压 气压 再生工艺过程：（1）小反洗：冲洗压脂层。流速：510m/h，时间：1015min 中间排水装置进水，顶部排水，去杂质。（2）放水：把中间排水装置上部的水放掉。 （3）顶压：从交换器顶部进压缩空气，维持3050KPa。 （4）进再生液：由交换器底部进再生液，柱中上升流速5m/h。 （5） 逆向清洗：洗去再生液，用软化水清洗，升速57m/

22、h，排出水达出水要求为止。（注：不是达到运行指标） （6）正洗：用软化水顺向清洗，出水水质符合运行指标止。流速控制1015m/h注：为了除树脂中的污物及碎粒，运行若干周期后要进行一次下反洗（可以乱层，但第一次再生要加大再生剂量） 3、优点：（与顺流再生相比） （1）再生剂耗量可低20%以上。（2）出水水质显著提高。（3）原水水质适用范围扩大，对于硬度较高的水，仍可保证出水水质。（4）再生废液中再生剂有效浓度明显降低，一般不超1%。（5）树脂工作交换容量有所提高。 4、新技术：（1）无顶压法再生工艺： 增加中间排水装置的开孔面积，小孔流速小于0.10.2m/s，压脂层厚20cm，再生流速小于7m

23、/h，可不需顶压。 (2)浮动床技术： 交换工作时：上升水流以3040m/h流速，将树脂处于悬浮状态。 再生时：再生液由顶部向下流经树脂层。 特点：同样具有逆流再生的特点。 但工作一定时间后，需将树脂移出体外擦洗，原因是浮动床内树脂填充较满，难以在交换器内清洗。 适用情况：不宜用于水量不稳定和需经常间歇的情况。原因：保持层床不乱才具有逆流再生的特点。水量不稳和经常间歇易乱层。（三）固定床软化设备计算： 计算基本公式： （物料平衡方程） F离子交换器截面积，。 h树脂层高度，m。 Eop树脂工作交换容量，mmol/L。 Q软化水的水量，m3/h。 T软化工作时间，h。 Ht原水硬度，以 表示，m

24、mol/L。 计算步骤：（1）交换器直径d （m）（ ） 据圆面积公式为： （m） Q给定流量。 v所选水流流速，强酸树脂v取1520m/h 。（2）树脂层高度h： （m） （3）树脂装量VR ：（湿树脂） （m3） 相应于湿树脂重量 Wm（Kg）： （Kg） Da树脂湿视密度或堆溶液，一般为600850Kg/m3 实际工程中：固定软化设备台数2台以上，便于再生和检修。 （4）树脂工作交换容量Eop：由漏出曲线来分析:图中：面积abedca为 具体工作条件下交换 器总的交换能力，称 为饱和交换容量： 与再生度有关，与具 体工作条件有关。 面积abdca称为工作交换容量，与再生度有关。 工作条件

25、：流速v，温度t，树脂粒径di，硬度Ht Et总交换容量，交换基团总数。 可用式表示为： 利用系数。 利用硬度开始泄漏时树脂层饱和 程度示意图。 （1）面积表示再生后，未能再生 的部分。 （2）面积表示交换剂工作部分。 （3）面积表示泄漏时，树脂中未 被交换的可工作部分。 实际利用率：再生度： 树脂饱和度： 交换后饱和程度再生前树脂层剩余交换能力的比率：三、离子交换系统的选择：选择依据：原水水质及出水水质要求。 （一）Na离子交换软化系统： 1、软化过程：将水中的Ca2+和Mg2+交换成Na+ 2、处理后水质：碱度不变，去除了硬度。 不产生酸性水，出水硬度也高， 可达0.05mmol/L（1/

26、2Ca2+）3、适用条件：原水碱度低，对软化后的硬度要求不高。 如要求硬度严格也可串联形式。 （二）强酸H+离子交换树脂的工艺特性：1、软化过程：用H+交换水中的Ca2+、Mg2+2、特点：（1）与碳酸盐硬度反应，产生CO2气体 2RH+Ca(HCO3)2 R2Ca+2H2CO3 2CO2+2H2O 2RH+Mg(HCO3)2 R2Mg+2H2CO3 2CO2+2H2O（2）与非碳酸盐反应生成酸: 2RH+CaCl2 R2Ca+2HCl （3）与Na盐反应生成酸 RH+NaCl RNa+HCl 一般不单独使用，因为产生了酸性，常与Na离子交换器一起使用。3、出水水质变化过程： 强酸树脂对水 中

27、离子的选择 性顺序为 Ca2+Mg2+Na+ 所以出水中出 现离子顺序为 H+Na+Mg2+ Ca2+ (三)HNa并联离子交换系统：（1）原理：通过Na+交换器出水呈碱性：（出水含：NaHCO3； Na2SO4；NaCl） 通过H+交换器出水呈酸性：（出水含：CO2；H2SO4；HCl）混和，酸碱中和。 CO2脱气中和产物 NaSO4 软化水 NaCl （2）流量分配计算公式： 与原水水质和要求出水水质有关， 与H+交换器出水失效点有关，漏失Na+为失效点。 通过H+柱水量为QH ，通过Na+柱水量为QNa Q=QH+QNa 要求出水有剩余碱度Ar一般约为Ar=0.5mmol/L 式中： c

28、(HCO3)原水碱度。可得： 式中： c(A)总阴离子浓度mmol/L 同理可得：（3）适用范围： 原水非碳酸盐阴离子总浓度 不宜超过34mmol/L，并 不宜小于 0.5 。 Hc碳酸盐硬度（暂时硬度） Ht原水硬度对强酸性阳离子交换剂，不受限制。 2、HNa串联离子交换系统：（1）原理： 原水（Q）H+交换器（QH） QQH Ca(HCO3)2+RHCaR2+CO2+H2O 脱气CO2 QNa Na+交换器 Ca(HCO3)2+RNaCaR2+NaHCO3 出水 （少量） （2）计算：与并联相同 （3）适用条件：适用于处理原水硬度较高的水，并且出水水质硬度较低。（4）注意：除CO2器的设置

29、位置，在H柱和Na柱之间。如果在Na柱之后，则CO2在Na柱中反应： NaR+H2CO3=HR+NaCO3 产生碱度较大。 （5）比较：HNa并联设备紧凑，投资省。 HNa串联出水硬度低，安全 可靠。 经HNa离子交换器处理，蒸发残渣可降低1/21/3 详见书 P415自学 （四）弱酸树脂的工艺特性及应用： 丙烯酸型（111型），弱酸性树脂 1、结构： 起活性作用的 主要是羧基 （COOH），所以也称羧酸树脂。 2、特性：（1）主要与水中重碳酸盐硬度进行交换反应， 与重碳酸盐交换反应后，生成H2CO3，离解出的H+很少。 与非碳酸盐反应： 如： 2RCOOH+CaCl2 (RCOO)2Ca+2

30、HCl 可离解出许多H+，对RCOOH的反应起抑制作用。 （2）对H+的亲合力比强酸树脂大，容易进行再生。 再生剂用量少，浓度可降低。 （3）交换容量高，结合的活性基团多。 如国产111，交换容量12.0mmol/g(干树脂) (4)若与Na型强酸树脂联合使用，可适用于水的脱碱软化。 HNa串联系统。 两种方式 HNa同柱，HNa离子交换双层床。四、再生附属设备（一）食盐系统： 食盐贮存，盐液配制，和输送设备。 常用湿式贮存， 用量小时， 也可用干式贮存。 （二）酸系统： 贮存，输送，计量，投加等构成。安全投加问题。 （三）再生剂耗量计算： Q原水流量m3/h Ht进水硬度 mol/L T运行时间hr MB再生剂摩尔质量 g/mo