文档介绍：第二章水处理
软化
概念介绍:硬度(hardness)
硬度:所有多价阳离子浓度的总和。用于描述水的一种特征。含有硬度的水不易起泡,在澡盆内产生浮渣(主要是钙、镁与肥皂发生反应的结果)。在茶壶内会生成坚硬的、白色的粗糙沉积物(结垢)。
Ca2+ + RCOO- Ca(RCOO)2 (s)
由于发生此反应,肥皂无法与衣服上的污垢作用,而Ca(RCOO)2本身就是沉淀。硬度的常用单位为mg/LCaCO3或毫当量/L。水厂将水软化即是去除水中的部分硬度。通常水处理的目标是使水的硬度维持在75~120mg/L CaCO3范围内。
硬水的分类:
硬度范围定性描述
0~75 软水
75~100 中等硬度水
100~300 硬水
> 300 高硬度水
虽然所有阳离子均会造成硬度,但最主要的离子是Ca2+和Mg2+。以下着重讨论Ca2+和Mg2+硬度。水中硬度的自然产生过程见下图。
水中硬度的自然产生过程
表层
细菌作用→CO2
CO2 + H2O→H2CO3
底层
石灰岩
CaCO3(s)+H2CO3→Ca(HCO3)2
MgCO3(s)+H2CO3→Mg(HCO3)2
微生物的呼吸作用将增加地表上层水中CO2含量(生成碳酸);固态CaCO3和MgCO3组成的石灰岩与碳酸反应生成碳酸氢钙与碳酸氢镁。石膏(CaSO4)和MgSO4也可能进入水中而形成硬度。
水的总硬度(total hardness, TH):钙和镁是主要的硬度来源,水的总硬度是这两种离子硬度的总和。
TH = Ca2+硬度+ Mg2+硬度
这2种离子具有一致的浓度单位(mg/L CaCO3或毫当量/L CaCO3)。总硬度通常分为2个部分:(1)与碳酸氢根阴离子结合的部分(称为碳酸盐硬度,CH);(2)与其它阴离子结合的部分(称为非碳酸盐硬度,NCH)。因此,总硬度为:TH = CH + NCH。碳酸盐硬度是总硬度或总碱值中的较小者。由于加热可将碳酸盐硬度从水中去除,因此碳酸盐硬度通常称为暂时硬度。
非碳酸盐硬度定义为总硬度与总碱度的差值。若总碱度大于或等于总硬度,则不存在非碳酸盐硬度。非碳酸盐硬度加热时无法去除,因此称为永久硬度。
绘制水溶液组成物的柱状图通常有助于了解软化过程。柱状图中上面为阳离子柱,下面为阴离子柱。在阳离子柱中,将钙离子置于第一位,镁离子次之。其它阳离子则没有特定的次序。阴离子柱中,碳酸氢根离子在第一位,其它阴离子也没有特定的次序。
Example: 地下水水质分析结果如下表所示,请绘制柱状图:
离子离子浓度 CaCO3当量质量离子浓度
(mg/L) /离子当量质量(mg/L CaCO3 )
Ca2+ 103 258
Mg2+ 23
Na+ 16 35
HCO3- 255 209
SO42- 49 51
Cl- 37 52
碱度计算:(mg/L) (CaCO3与该化合物的当量质量之比)
总阳离子浓度为316mg/L CaCO3,其中硬度为281 CaCO3 。总阴离子浓度为209 mg/L CaCO3。碳酸盐硬度等于碱度,而非碳酸盐硬度等于总硬度与碳酸盐硬度的差值。
HCO3-
SO42-
Cl-
Ca2+
Mg++
Na+
100
200
300
阴离子
阳离子
碳酸盐硬度
非碳酸盐硬度
总硬度
离子浓度(mg/L CaCO3)
258
281
316
209
260
312
地下水水质组成柱状图
石灰-苏打软化
硬度按照如下两个反应被去除:
Ca2+ + CO32- CaCO3 (s)
Mg2+ + 2OH- Mg(OH)2 (s)
为了产生CaCO3沉淀,。若要是镁离子产生沉淀,。如果天然水中没有足够的碳酸氢根碱度(HCO3-)用于形成CaCO3沉淀(即水的硬度为非碳酸盐硬度),则必须向水中添加CO32-离子。去除镁的费用比去除钙昂贵,因此,尽可能将镁留在水中。
(1)软化化学
通过加入化学药剂来增加CO32-离子和OH-离子的浓度,使沉淀反应向右移动。添加OH-离子将会使HCO3-变成CO32-离子。
增加的OH-会使碳酸盐缓冲体系向右移动:
CO2 (g) CO2 (solution) + H2O H2CO3
H+ + HCO3- 2H+ + CO32-
OH-离子使HCO3-变成CO32-;而CO32-正是Ca2+沉淀所需要的。氢氧根离子的一般来源是Ca(OH)2。许多水处理厂使用生石灰(CaO),比熟石灰(Ca(OH)2)便宜。将生石灰与水混合生成浆状的熟石灰(这个过程称为熟化),