电厂化学课件.ppt

电厂化学培训 制作人：司广树 email: 华南理工大学电力学院 目 录 第一章 绪论 第二章 水质概述 第三章 炉外水处理 第四章 离子交换处理 第五章 化学补给水除盐系统 第六章 凝结水处理 第七章 热力系统的金属腐蚀 第八章 冷却水处理 第九章 蒸汽污染的预防 第十章 电厂水处理实例 第一章 绪论 第一节 研究背景 第二节 电厂用水 第三节 电厂化学基础 第一节 研究背景 一、电厂系统简介 二、电厂本质 三、电厂安全和效益 四、电厂化学的研究对象 1、煤、风 、烟系统 送 风 机 空 气 预 热 器 制粉系统 (干燥、输送) 燃 烧 器 300 300、助燃、二次风 一次风、煤粉气流 炉 膛 混合、着火、 悬浮燃烧 （火焰中心可 达1600） 煤灰分呈熔化状态 大块灰渣下沉、 凝固、进灰渣井； 较小灰渣被携带 上行、到炉膛出口 凝固、形成飞灰。 炉膛出 口烟温 1100 过热器 (对流) 再热器省煤器 空气预 热器 脱硫 除尘 装置 引 风 机 对流受热面 烟 囱 110130 或更高 一、电厂系统简介一、电厂系统简介 2 、汽水系统 省 煤 器 汽包（炉顶） (含汽水分离器) 过 热 器 水冷壁下连箱 高压加热 器 再 热 器 低压加 热器 除氧 器 冷 却 水 水冷壁 饱 和 水 湿 蒸 汽 高 压缸 中 低 压缸 高温 高压 蒸汽 凝汽器 接近饱和的 水或湿蒸汽 低温 乏汽 冷凝水 干蒸 汽 过热 蒸汽 高温蒸汽热 水 下降管 炉 内 汽 水 系 统 汽轮机系统 二、电厂本质二、电厂本质 能量转换，为我所用。 化学能热能工质的焓机 械能电能 条件保障 设备：炉具、锅（壶） 工质：水（茶等），壶底结垢 燃料：酒精等 三、电厂安全和效益 安全效益； 安全是高效的基础，高效反映着安 全。 设备安全运行意味着人的安全和电 厂的安全。 锅炉安全 ：锅（汽水）+炉（烟气） 汽机安全：转动、固定（包括附属 设备） 发电设备的安全：发电、变电、配 电等 工质、燃料和产品的性质与安全紧密 相关 四、电厂化学的研究对象 广义：涉及的所有化学（包括物理化 学）的问题：水处理+设备防腐+化学监测+电力用 油+发电机冷却（氢、水）+燃料分析+三废处理+环 保等。 侠义：锅炉汽机等设备“三防”（污、 垢、腐），具体为：水处理+设备防腐 研究方法：理论+实验（试验、经验 ） 第二节 电厂用水 一、 火电厂中水的作用和损失 二、 火电厂中水的名称 三、 水质不良的危害 四、 火电厂水处理工作简介 凝汽式发电厂水汽循环系统 1锅炉；2汽轮机；3发电机；4凝汽器；5凝结水泵；6凝结水精处理设备 7低加；8除氧器；9给水泵；10高压；11补给水处理设备 12冷却水泵 凝汽式发电厂水汽循环系统主要流程 过热蒸汽 生 水 补给水 凝结水 冷却水 冷 却 水 水 排汽 1 10 8 11 2 4 12 7 2 3 给 水 6 95 1、作用：电厂血液（水汽循环是封密的）+“冷源 ”+冷却介质 2、火力发电厂的水汽损失 锅炉部分：排污，安全门和过热器放汽，蒸汽吹灰 和燃油雾化。 汽机部分：轴封处连续向外排汽，抽气器和除氧器 的排空。 管道系统：法兰盘连结不严密和阀门漏泄等。 各种水箱（疏水箱、给水箱等）的溢流和热水蒸发 。 用蒸汽加热或推动附属设备（如加热器、汽动给水 泵）。 为维持正常水汽循环，系统需要“补给水” 。 补 给水是经过处理、去除有害杂质后，从除氧器处补入系统的。正常情 况下，凝汽式发电厂的补给水量不超过锅炉额定蒸发量的2%4%。 一、一、 火电厂中水的作用和损失火电厂中水的作用和损失 水在火电厂水、汽循环系统中的流程和作用不 同，其水质常有较大差别。因此，水的名称也不同。 1）生水（原水） 未经任何处理的天然水，是各种用水的来源。 2） 补给水 按净化处理方法的不同，又可分为软化水、蒸馏 水和除盐水等。 3） 凝结水 在汽轮机中作功后的蒸汽经凝汽器冷凝成的水 。 4） 疏水 各种蒸汽管道和用汽设备中的蒸汽凝结水，经疏 水器汇集到疏水箱或并入凝结水系统。 二、二、 火电厂中水的名称火电厂中水的名称 5） 返回（凝结）水 热电厂向用户供热后，回收的蒸汽冷凝水。有热 网加热器冷凝水和生产返回冷凝水之分。 6） 给水- 送进锅炉的水。 包括：凝结水、补给水、各种疏水甚或返回水（ 热电厂）。 7） 锅炉水 在锅炉本体蒸发系统中流动着的水，简称炉水。 8） 冷却水 作为冷却介质的水，主要指通过凝汽器冷却汽轮 机排汽的水。 9） 内冷水 水氢氢冷却式（或包括水水氢冷却式）发电机中 ，用于带走发电机定子绕组（或包括转子绕组）运行中产生的热量的水 。 水汽质量好坏直接影响到热力设备的安全、经济运行。 汽水质量不良会引起热力设备结垢、腐蚀，积盐等危害。 1） 热力设备结垢 即水质不良，使热力设备的受热面上生成一些固体附着物 (水垢)。危害： 安全性降低：壁温，强度，壁面局部变形、起包，爆管 。 经济性下降： 锅炉受热面上结有1mm厚水垢，燃料多消耗3.52.0% ； 凝汽器结垢，真空度降低，机组热效率和出力下降； 加热器结垢：水的加热温度达不到设计值； 结垢后的清洗，需要停机，并增加检修工作量和费用。 三、水质不良的危害 2）热力设备腐蚀 腐蚀部位：管道、锅炉受热面、汽轮机和凝汽器等。 缩短设备本身的使用寿命； 腐蚀产物转入水中，增多水中杂质，进而加剧受热面上 的结垢和腐蚀，甚至加速爆管等事故发生。 3） 过热器和汽轮机积盐 水质不良或金属腐蚀导致蒸汽中带有杂质，并沉积在过 热器和汽机等蒸汽通过的部位，此即积盐。危害： 过热器内积盐会引起管壁过热、变形、鼓包甚至爆管； 汽轮机内积盐会降低汽轮机的出力和效率。特别是高参数 大容量汽轮机，其高压部分蒸汽流通面积很小，少量积盐也 会大大增加蒸汽流通阻力，使汽轮机出力下降； 若积盐严重 ，还会使推力轴承负荷增大，隔板弯曲，造成事故停机。 为保证热力系统水质良好，需对天然水进行适当处理， 并监督水汽质量。电厂水处理工作主要包括： (1) 净化生水。经过混凝、澄清、过滤及离子交换等方法制 备补给水，并通过调整试验降低相关成本。 (2) 对给水要进行加氨和除氧等处理。 (3) 对于汽包锅炉要进行锅炉水的加药处理和排污。 (4) 对于直流锅炉机组和某些亚临界汽包锅炉机组，要进行 汽轮机凝结水的净化处理。 (5) 热电厂中，对生产返回水进行除油、除铁等净化处理。 四、 火电厂水处理工作简介 (6) 对冷却水进行防垢、防腐和防止有机附着物等处理。 (7) 在热力设备停用期间，做好设备防腐工作中的化学监 督工作。 (8) 热力设备大修时，应掌握设备的结垢、积盐和腐蚀等 情况，以便审查水处理效果，不断改进水处理工作。 (9) 做好各种水处理的调整试验，配合汽机、锅炉做好除 氧器调整试验、锅炉化学试验以及设备的化学清洗。 (10)正确取样，化验，监督给水、炉水、蒸汽、凝结水等 各种水、汽质量，并如实向领导反映情况。 简言之：净化、“三防”、监测、试验、清洗。 请思考 （1）电厂用水越纯净越好吗？ （2）水处理与生产什么关系？ （3）水处理环节顺序和选定？ 第三节 电厂化学基础 一、物质的组成和计量 二、化学反应及反应方程式 三、酸、碱、盐、氧化物及配合物 四、反应速度与化学平衡 五、水的离子积常数及ph值 六、缓冲溶液 七、盐类的水解 八、沉淀与溶解平衡 九、稀溶液的依数性质 l 物质由分子、原子等组成，原子=原子核（质子和中子）+电子。 l 元素：具有相同质子数（核电荷数）的一类原子。 l 同位素：同种元素中质子数相同、中子数不同的物质。如c12、 c13、c14就是c元素的三种同位素。 用吨来表示一粒芝麻的质量会感觉如何？ 国际上将一个c12原子质量的1/12用作原子质量的计量单位。 相对原子质量（原子量）就是一个原子的质量与上面数值的比值 。某种元素的相对原子质量是其各同位素的原子量的加权平均。 相对分子质量(分子量)是其各原子的相对原子质量之和。 摩尔（mol）是架接微观和宏观之间的、计量物质量的单位， 1mol相当于6.0231023个微观粒子。 摩尔质量 （ m ）：每摩尔物质的质量，g/mol或kg/mol。 一、物质的组成和计量一、物质的组成和计量 分子式的意义和溶液浓度 1）分子是能够独立存在并保持物质化学性质的最小微粒。 分子式除表示物质的一个分子和相对分子质量外，还能 表示分子中所包含各元素的原子数目及其各元素的质量比。 2）溶液浓度的表示方法有： 质量分数：溶质与溶液之间的质量比； 质量浓度：单位体积溶液中含有溶质的质量（g/l、mg/l 、g/l等）。 物质量浓度：单位体积溶液中含有溶质的量 （mol/l）。 体积比浓度：溶质与溶液之间的体积比。 1） 化学基本定律 定组成（定比）定律：任何化合物都有固定的组成，即每一个化 合物的分子，其组成元素、重量都有一定的比例。 质量守恒（物质不灭）定律：反应前后物质的质量、原子的种类 和数目都不发生变化。 2）化学反应方程式类型 在火电厂常见到置换、化合、分解等简单化学反应外，还出现： 复分解反应-两种以上化合物互相交换成分，生成几种新物质。 氧化还原反应-在反应过程中，元素化合价发生变化。 离子反应方程式-反应有离子参加（在水溶液中进行的）。 二、化学反应及反应方程式二、化学反应及反应方程式 三、酸、碱、盐、氧化物及配 合物 酸(碱)：在水溶液中电离出来的阳(或阴)离子全部是h+(或oh) 。 盐：在水溶液中电离时生成金属离子酸根的化合物。 氧化物：由氧和另一种元素组成的化合物称为氧化物。 碱性(酸性)氧化物：能与酸(或碱)起反应生成盐和水。 两性氧化物：既能与酸反应又能与碱反应生成盐和水。 配位化合物：由一个简单的阳离子(中心离子)与一定数目的分子或阴离子(配 位体)以配位健结合而成的离子称为配位离子(或配离子，内界常用 括起 来) ；含有配离子的化合物叫配位化合物(或配合物)。 配位键: 由一个原子单独提供一对电子而与另一原子共用所形成的化学键。 kal(so4)212h2o？不是配合物， 因它在水中全部电离成简单离子。 中 心 离 子 配 位 体 配 位 数 内界cu(nh3)4so4外界 胺、铵和肼 胺：氨分子中的氢被烃基取代而生成的化 合物； 铵盐：氨与酸反应的生成物都是由铵离子 和酸根离子构成的离子化合物，这类化合物称为铵盐。 肼 （联氨）：一种无色发烟的、具有腐蚀 性和强还原性的液体化合物n2h4 hydrazine，它是比氨 弱的碱，易溶于水，和水结合成稳定的水合联氨 n2h4h2o 。肼通常即由水合肼脱水制得，主要用作火箭 和喷气发动机的燃料部分，用在制备盐(如硫酸盐)及有机 衍生物中。水处理中，联氨用于出去水中溶解的氧。 四、反应速度与化学 平衡 1） 质量作用定律: 反应速度与反应物浓度的幂次方乘积成正比 ，方次为对应物质的计量系数。 2） 可逆反应: aa+bb = cc +dd 正= k正aabb 逆= k逆ccdd 3） 平衡常数: 正=逆 k =k正/ k逆=c cdd/aabb 平衡常数表达式 4）影响化学平衡移动的因素 反应物浓度: ba2+ +so42- =baso4 ba2+ 利于so42 沉淀 压力和温度: 2no2(棕红色)= n2o4(无色) p颜色变浅；此为放热反应，t颜色变深。 五、水的离子积常数及 ph值 水电离方程为：h2o = h+ +oh-。 k= h+ oh-/h2o 水是极弱的电解质，h2o几乎不变。在一 定t下，kh2o 可视为常数，称之为水的离子积常数，用kw 表示。 kw 只是温度的函数。 在25时测得： h+ =oh- =1.010- 7(mol/l) kw= h+ oh- =1.010-14 （1） 将式（1）两边取负对数，并定义： pkw = -lgk w ；ph=-lgh+ ； poh=-lgoh- pkw= ph + poh = 14 phh+浓度指数 ，pohoh-浓度指数。 它们均可用于表示溶液的酸碱度，但一般前者应用较广。 （100时, h+=oh-=110-6，kw=110-12 ，ph=6） 六、缓冲 溶液 1）同离子效应 在弱电解质溶液中，由于加入了相同离 子的强电解质，从而使电离平衡发生移动的现象。例如，氨水 是弱碱，在其中加入氯化铵，其电离平衡（ nh3h2o = nh4+oh- ）则会由于nh4+而朝着生成nh3h2o方向移动 ，从而导致氨水的电离度和溶液中的oh降低。 2）缓冲溶液 在氨水中加入一定量的氯化铵后，却能 在一定程度上抵御少量外来酸、碱或稀释的影响，使溶液的 ph值不发生改变，此即缓冲作用；具有缓冲作用的溶液称为 缓冲溶液，如醋酸与醋酸钠的混合溶液, 通常其ph值7等。 水解：使某一化合物裂解成两个或多个较简 单化合物的化学过程，其中水分子的h和oh部分参与被裂解化学键 的任一侧起反应。 盐水解后形成的溶液的酸碱性，由组成盐 的酸和碱的相对强弱来决定，谁强溶液就显示谁的性质。醋酸钠 （ch3coona）水解后，溶液呈碱性；而氯化铵（nh4ci）溶液则呈 酸性。 原因：盐在水中全部电离，电离出的弱酸 （或弱碱）根离子与水电离出的h+（或oh-）反应生成难电离的弱 酸（或弱碱）分子，进而导致溶液中有过剩的oh-（或h+）。如： h2o+ ch3coo-= ch3cooh + oh- nh4+h2o=nh3h2o+ h+ 弱酸弱碱生成的盐水解时，道理相同。但 若弱酸和弱碱的电离平衡常数接近，溶液就呈中性，如ch3coonh4 水解。 七、盐类的水解 八、沉淀与溶解 平衡 溶解度：一定温度下每1000克水中溶解溶质 的最大克数。 溶度积：难溶物质（如agci）在水中溶解达平 衡时，各离子浓度乘积等于其平衡常数。此平衡常数称为溶度 积常数，简称溶度积，用ksp表示。如ksp（agci）=ag+ci- 。 溶解度规则： 溶液中ag2+ cl- ksp，过饱和溶液， 应有沉淀析出，直至离子浓度之积达ksp 。 九、稀溶液的依数 性质 p+ p 溶剂 溶液溶剂 溶液 h 半透膜 半透膜 渗透压示意图 (a)(b) p p 稀溶液中溶剂的蒸气压下降：pa=pa- p*a= p*axb 稀溶液的凝固点降低 (条件：析出固态纯溶剂) ：tf = kfbb 稀溶液的沸点升高 (条件：溶质不挥发) ： tb = kbbb （ bb = nb/ma，即1kg溶剂中所含溶质的量） 稀溶液的渗透压： =cbrt （r-摩尔气体常数，t-温度） （cb：质量摩尔浓度,即1kg溶液中所含溶质的量） 稀溶液的渗透压 在一定温度下，用一个只能使溶剂透过的半透膜把纯溶 剂与溶液隔开。溶剂就会通过半透膜渗透到溶液中，使溶液 的液面上升，直至达到平衡状态，如上页图中（a）所示。这 种对于溶剂的膜平衡叫渗透平衡。此时，溶剂液面和同一水 平的溶液截面上所受的压力差gh, 即稀溶液的渗透压。 任何溶液都有渗透压。测定渗透压的一种方法是：在溶 液一侧施加一额外压力，促使反渗透发生，直至纯溶剂和稀 溶液的液面达到一样高，此额外的压力即为渗透压, 如上页 图中（b）所示。 第二章 水质概述 第一节 天然水中的杂质 第二节 水质指标 第三节 天然水中的主要化合物 第四节 天然水的特点及分类 分布很广，覆盖地球表面的四分之三。高山上和南北极还有 常年积雪和冰，地层和大气中也有相当数量的水。天然水在太阳 辐射作用下循环运动。 图2-1 水在自然界中的循环 天然水无时不与各种物质混杂，其溶解能力又较强，因 此其中不同程度地含有各种杂质。这些杂质按其颗粒大小和 混合形态的不同，可分为三大类，如下表所示。 第一节 天然水中的杂质 一、悬浮物 颗粒直径约在100nm以上，在水中 不稳定，容易除去。常悬游在水流中，造成水发生浑浊现象 。当水静止时， 比重小于1的草本植物碎片等会上浮 于水面，称为漂浮物； 比重接近1的动植物有机体的微粒、 纤维或动植物死亡后的腐败产物，悬浮于水中，称为悬浮物 。 细微砂子和粘土类无机化合物，比 重均大于1，则会沉淀于水底，故称为可沉物。 二、胶体 直径约为1100nm，往往是许多分子或离子 的集合体。 比表面积很大，表面活性（吸附能力）明显， 常因表面吸附某些离子而带电。天然水体中的粘土颗粒一般带 负电荷，而一些金属氢氧化物则带正电荷。 同类胶体因带同性电荷相互排斥，不能聚集， 因此在水中比较稳定，分布也较为均匀，难以用自然沉降法去 除。 天然水中的有机胶体多半由动植物躯体腐烂分 解而成，主要是腐殖质，湖泊水因此常呈黄绿色或褐色。因受 工业排水污染，工业区水源的有机胶体也很多。天然水中的矿 物质胶体，主要是铁、铝和硅的化合物。 因悬浮物和胶体颗粒能散射光线（丁达尔效应 ），故会造成天然水体浑浊，在水处理工艺中应首先清除之。 三、溶解物质 直径1nm，多以离子或分子态存在于水中，形成均匀的分散体系 ，称为真溶液。只能用蒸馏、膜分离或离子交换等方法去除。 1、水中的离子态杂质 天然水中的各种离子，按其含量不同分为三类，见下表。其中以 第类含量为主，是需要净化的主要对象。 2、溶解气体 天然水中的气体以o2和co2为主，有时还有h2s、so2和nh3等。 （1）氧 天然水中o2的含量一般在014 mg/l之间，主要来源于对大气中 氧的溶解。气体在水中的溶解度一般随t而、随压力而，但影 响天然水中氧含量的因素还有： l 有机物降解、微生物呼吸、矿物质化学反应等耗氧； l 水生植物白天光合作用产生氧气，其夜间新陈代谢耗氧； l 水的紊流特性和空气泡的大小等。 是故，地下水含氧量一般较少，地面水含氧量因各地水温和气压 而不同。 由于水中的溶解氧对金属有腐蚀作用，应通过热力或化学方法除 去之。 （2）二氧化碳 大气中co2含量只有0.030.04%（体积比），其在水中溶 解的量很小。天然水中的co2主要来源于水中或泥土中有机物 的分解和氧化，地层深处所进行的地质化学过程也会产生一定 量的co2。 在实际天然水中， co2含量一般为2030mg/l，地下水有 时可达几百毫克每升。 水中的co2不仅自身会腐蚀金属设备，而且会加剧水中溶 解氧对金属的腐蚀，所以在锅炉用水和冷却水中含有co2具有 较大危害。 水质即水的质量，反映水的使用性 质。用途不同，水质要求也不同。 水质指标可用水中杂质的组成表示 ，锅炉用水的水质指标如下页的表所示。 此表中的水质指标分为两类：一类 反映水中的某一具体组分，如ph值和各种无机离子；一类 表示某一类物质的总和，称之为技术指标，表中自全固形 物至稳定度都是技术指标。 第二节 水质指标 水 质 指 标 技 术 指 标 下面介绍电力生产中常用的主要技术指标。 一、溶解固形物和含盐量 1、溶解固形物是水中除溶解气体之外的各种溶解物总和，有离 子态、非离子态（sio2、铁铝氧化物）和有机物等。这是理 论性指标，采用一些与其涵义近似的指标进行测定。 2、含盐量(矿化度)指水中溶解盐类的总和。由于盐在水中一般 均以离子态存在，因此可通过水质全分析后把各种阴阳离子 全部相加而得。 含盐量或以物质量的浓度(用阳离子或阴离子所带电荷的 总量计算，mol/l)，或以质量浓度(用阳阴离子的总质量计算 ，mg/l)表示。 水质全分析比较麻烦，只能定期（一季度或一年）测定， 不宜作为运行控制指标。 3、蒸发残渣指过滤后的水样在105110下蒸干所得的残渣。 它近似等于溶解固形物，但要考虑蒸发过程中碳酸氢盐的转化， 以及残留湿分和结晶水不能除尽。 灼烧残渣是将蒸发残渣在800 下灼烧所得的残渣。 蒸发残渣与灼烧残渣之差能近似表示有机会含量，但要考虑 灼烧导致残存的湿分、结晶水以及一些氯化物的挥发，以及一部 分碳酸盐分解。 4、电导率：电阻率倒数，s/cm或s/cm。常用电导率仪测定。 水的导电能力与水中离子含量、离子间相对比例和水温有关 。因此，测定电导率时，应保持水温一定、水中离子相对稳定； 且可以用测电导率方法测定水中含盐量。 若水的溶解固形物总量(tds，mg/l)在505000mg/l之间， tds与水的电导率h2o(s/cm)有如下关系： lg tds=1.006lg h2o-0.215 s：西门子，1/，也称作姆欧， 电导的单位。 what? 二、悬浮物和浊度 悬浮物(mg/l)是各种水处理工艺中都需监督的项目，其可通 过重量分析法测定(用定量滤纸过滤后，再在110烘干称重)。 但此法麻烦且准确度不高，不宜作现场监测使用。 浊度（浑浊度）指水体不透明的程度，它实质上反映了水中 的悬浮物和胶体物质会使光线发生散射的性质，故一般用它来衡 量这些物质在水中的大致含量。 浊度的测定开始用杰克孙烛光浊度计，此法不适宜低浊水， 测得结果可能因人而异。现在多用散射浊度仪(如激光浊度仪)， 方法是：先测定样品在90光照下的散光强度，再与标准液的比 较。两种方法测得的结果基本相同，单位分别是jtu和ntu。近 年来，因国际上选用了重现性更好的浊度标准液-福马肼 (ftu) ，ftu也成为浊度单位，1ftu1jtu=1ntu。 三、碱度和酸度 碱度(a)指水中能接受h+的物质(oh-、co32-、hco3-和其它 弱酸盐类)的量之和。天然水中，碱度主要由hco3-的盐类组成； 锅炉水中，则主要由oh-和co32-、甚或po43-(炉内加磷酸盐处理 时)的盐类组成。 碱度用酸中和办法来测定。指示剂不同(酚酞和甲基橙)，滴 定终点也不同(前者：ph值=8.18.3；后者： ph值=4.34.5)，故 有酚酞碱度 pa和甲基橙碱度 ma之分。它们测得的物质也不同， 酚酞把水中的oh-和co32-分别中和成h2o和hco3-；甲基橙把水 中的oh-、co32-和hco3-分别中和成h2o和h2co3。 酸度是指水中能接受oh-的物质（强酸、强酸弱碱盐、酸式 盐和弱酸等）的量之和。天然水不显酸性(只有12%的co2碳 酸)，只有在化学除盐过程中阳床出水会产生酸度。 四、硬度(h) 硬度指天然水中高价金属离子（主要是钙、镁离子）的总浓 度。根据水中阴离子的存在情况，硬度可分为： 1、碳酸盐硬度 指水中钙、镁的碳酸氢盐(以之为主)、碳酸盐浓度之和。由 于水在长时间煮沸后，它们会转化成沉淀的caco3和mg(oh)2， 故又称为暂时硬度。 2、非碳酸盐硬度 总硬度和碳酸盐硬度之差，主要是钙、镁的氯化物和硫酸盐 等。它在水沸腾时不能除去，故又称永久硬度。实际上永久硬度 和非碳酸盐硬度只是近似相等。 教材上表1-3列出了天然水的一般分析项目、危害和处理方 法（pp. 89）。 五、有机物 水中有机物组成复杂、含量难以确定，常采用各种相对表示 有机物含量的指标。 1、化学耗氧量（cod） 指利用化学氧化剂氧化有机物所需的氧量。化学氧化剂一般 用重铬酸钾或高锰酸钾，前者较常用。 2、生物需氧量（bod） 指用微生物氧化水中有机物所消耗的氧量。氧化分为把有机 物转化成co2、水和氨，以及把氨转化成亚硝酸根和硝酸根两个 阶段。测定方法一般有bod5和bod21两种，前者较常用。 为了更好理解水处理工艺，本节介绍几 种主要化合物。 一、碳酸化合物 其在水中的形态主要是co2、hco3-和 co32-，h2co3含量不足1%，分析时可略去。其相对含量与 ph值有关： ph值4.3时，只有游离的co2，可利用吹 脱原理除去； ph值12时，主要是co32-。 它会与水中 的ca2+生成caco3，饱和后沉积成垢；但此时游离态的co2 含量很低，从而避免了其对金属的腐蚀，故炉水常保持碱性环 境。 大多数天然水的ph值为6.08.0，主要是 hco3-和游离态的co2。 第三节 天然水中的主要化合物 二、硅酸化合物 硅酸结构复杂，通式为xsio2 yh2o，偏硅 酸(x=y=1)、正硅酸(x=1，y=2)、多硅酸(x1，呈聚合态)。聚合度 增加，硅酸从溶解态变成胶态，甚至会呈凝胶状析出。 sio2的溶解度与ph值有关。 ph值9的水会使石英砂溶解，造成水中sio2增加。 化学稳定性验证：一定条件下，用 中性（0.5mg/l的nacl，ph=6.7）、酸性（盐酸溶液， 2.1）和碱性（naoh溶液，11.8）的水浸泡已预处理（ 洗涤和60干燥）的滤料24h。若溶解固形物、耗氧和 硅酸的增加量均不超过10mg/l，则可被接受。 一般情况下，中性和酸性水可用石 英砂做滤料；碱性水则宜用无烟煤或半烧白云石，不能 用石英砂。 4、颗粒形状 常用滤料非球形，其形状和表面积会 多少影响通流阻力和过滤效果。球状度和形状因子是两个常 用概念，它们互为倒数。前者为等体积的球和颗粒之间的表 面积之比，其值小于等于1。 5、滤层孔隙率 孔隙率为孔隙与总体积之比，与颗 粒形状、排布和均匀程度等有关。不规则滤料的孔隙率一般 大于球形颗粒的。孔隙率一般通过实验测定，计算公式为 ： 滤层体积 滤料总 质量 滤料真密度滤层体积 滤料总 质量 滤料真密度 四、运行的主要参数 滤速、过滤周期和截污能力等。 1、滤速 即空塔流速 。 2、过滤周期 两次反洗之间的实际运行时间 。 3、滤层的截污能力 又称泥渣容量， 指单位面积的滤面或单 位体积的滤料能去除悬浮物的质量，kg/m2或kg/m3。 一般，滤料粒径越大，截污能力越大。 截污能力也与过滤水之前经过的处理方 式有关。 五、影响过滤过程的主要因素 1、滤速 一般1012h/m。 小投资和设备尺寸；大水质，压降， 过滤周期缩短。 2、反洗 目的：恢复滤料的过滤能力。 反洗水流自下而上，滤层膨胀，导致高度增 加一定比例，此即滤层膨胀率。它可直观反映反洗强度，一般取 2050%。 反洗强度【单位滤池面积的通流量， l/(m2s)】和反洗时间(一般取56min)直接影响着反洗效果。滤层 中污泥清洗不净，可能导致滤料结块，破坏滤池正常工作。 反洗强度与滤料粗细、轻重和水温等因素有 关。石英砂和无烟煤（较轻）的反洗强度通常分别为1518、 1012 l/(m2s)。 一般在反洗510个周期后，通入压缩空气 擦洗，以提高清洗效果。擦洗时，一般池中水位在滤层上面 200mm处，擦洗强度为1020 l/(m2s)，时间取35min。 3、水流均匀性 过滤和反洗时，都要求水流尽可能均匀。 进水管上的挡板保证进水的均匀性。 配水系统（或称排水系统，反洗时用于进 水）对水流均匀性影响最大，其分为小阻力、中阻力和大阻力三 类。 小阻力配水系统：水头损失3m，系统孔 隙面积小，阻力较大，阻力分布中滤层和管道所占比例较小。故 只要配水系统孔隙分布合理，即可基本保证水流均匀，故稳定性 较好。 中阻力配水系统的阻力和性能介于上述两 者之间。重力式滤池通常选择小阻力配水系统，要求其配水不均 匀性不大于5%。 4、滤池滤料的结块 原因：反洗不彻底、原水水质变化等造成 滤料中积累了污泥、油泥或微生物及其排泄物，并与之粘结成块。 消除方法： （1）加强反洗。强度+时间+压缩空气擦洗，针 对轻度结块。 （2）卸出滤料人工清洗。 （3）碱洗。针对油泥结块，把naoh或na2co3 溶液注入滤池静泡或进行循环冲洗。 （4）酸洗。针对滤料上的重金属沉淀，一般使 用盐酸，注意设备防腐（加缓冲剂）和滤料对盐酸的稳定性。 （5）氯清洗。针对微生物和有机物生长而致的 结块。投加漂白粉和次氯酸钠，使水中活性氯达到4050mg/l，通 过滤层，待排水中有氯臭味时，停止排水并静泡12d，杀死有关微 生物后，再反洗。 为提高清洗效果，上述方法可几种结合使 用。 5、单层滤料和多层滤料 单层一种滤料；多层多种滤料+分层聚集 。 单层：反洗后颗粒分布上小下大。过滤主要 依赖滤料表面形成的一层滤膜。滤膜会加大阻力，同时下部滤层的过 滤功能没得到充分发挥。因此运行周期短，截污能力差。 双层：上层滤料密度小、颗粒大，下层的恰 好相反，如无烟煤在上、石英砂在下。粒径上大下小分布，破坏了滤 层表面滤膜的形成，下层滤料的截污能力得以发挥。因而压降增加慢 、截污能力强，运行周期长，滤速可适当提高。 双层滤料间分层不好，则不利于过滤。但混 杂无法避免，一般认为混杂厚度为510cm是可以的，关键是其粒度和 密度（材料）的选择。实际应用中，双层滤料的粒度和反洗强度可实 验确定，后者一般为1315l/(m2s)。 多层滤料道理类似。考虑到反洗效果和滤料 结块问题，其运行终点时的水头损失一般应在30kpa左右，不宜过大 。 第四节 过滤设备（过滤器） 过滤设备虽有多种，但组成大致相同，都有滤层、进排水装 置、配水装置、反冲洗设备及必要的管道、阀门等。 一、普通过滤器 简单(单路进出水)，圆形钢制容器。运行流速810m/h。 进水装置：有向上布置的漏斗或环形布置的水管，以使进水 均匀。滤层与其之间有一充满水的空间(水垫层)，可缓冲进水、 使滤料反洗时有膨胀空间。 配水装置：有水帽式(小阻力)或支母管式(大阻力)等，均匀 分布反洗水； 运行、反洗和正洗三步周期运行。反洗前应先用压缩空气搅 拌擦洗，以提高清污效果。正洗是为了清除滤料内的残余污物， 水流也是自上而下。 二、双流式过滤器 进水分上下两路，分别利用薄膜过滤和接触凝絮过滤，中间 排水。以出水量计，运行流速约为1218m/h。 滤层分布：配水系统以上滤层高0.60.7m、以下1.51.7m。 滤料为石英砂时，粒径0.41.5mm(均值0.80.9mm)，k80=2.53 。 运行：开始上下进水各50%，而后上少下多，后期下部达80% 。当压降达允许值或出水达失效点，设备停运。 反、正洗：先用压缩空气吹洗，再水中进上排，反洗上层滤 料；而后水中、下进上部排，整体反洗。最后正洗(上进下排)。 补充：多层(23层)过滤器的结构和水流阻力与普通过滤器相同或相当 ，只是滤料分布为上轻而大、下重而小。如三层滤料，则可按着无烟煤 、石英砂和石榴石(或磁铁矿石等)自上而下布置。 三、无阀滤池 特点：利用虹吸的形成和破坏， 实现过滤和反洗的自动切换，虹 吸装置只起控制作用。 工作周期：从开始过滤到开始 抽气，一般为几到十几小时。反 洗形成时间和反洗时间分别为 23min和45min。 反洗后不能正洗排水，影响初 期出水水质，故在虹吸辅助管上 常设强制反洗装置，在出水不合 格时使用。 允许压降约为1520kpa；进 水悬浮物不大于100mg/l时，出 水的小于5mg/l。 防止 反洗 时进 空气 破坏 虹吸 说 明： 滤池也有单阀、双阀和四阀的等。 单阀的与无阀滤池工作原理相同。只是其虹吸管从滤 池顶盖上接出后即行下弯，且其上装设一个阀门。顶盖上 设有一个玻璃管水位计来观察滤层压降，根据其读数，利 用阀门控制反洗的开始和结束。 现在多采用双阀滤池，即进排水管上各装一个阀门。 普通快滤池应用较广，其有进水阀(浑水阀)、出水阀 （清水阀、进反洗水阀(冲洗水阀)和排反洗水阀(排水阀) ，故又称之为四阀滤池。 活性碳：多种含碳原料(木材、果壳、煤、 沥青等)经脱水、碳化(300400，去除挥发分)，再经药剂 (zncl2)或水蒸气高温活化(800900)后，得到的多孔碳质材料 。果壳类活性碳在水处理中应用最好。活性炭可用于去除水中游 离氯和有机物。 1、活性炭的性质 多孔固体，比表面积5001500m2/g，孔径 可达10000nm以上。其中的孔隙分为大孔(孔径100nm)、过渡孔 (2?100nm)和微孔 (2nm?以下) 。用于吸附过滤的活性炭是粒径 为14mm的颗粒，吸附主要由其中的微孔支配。 活性炭本身无极性，物理吸附为主。但其 表面带有的某些氧化物会使其表面带有微电荷，这对脱除水中极 性物质有利，但会降低非极性物质的吸附量。 四、水的吸附处理（活性炭过滤 ） 2、活性碳的吸附原理 吸附(表面现象、物理和化学)、吸附质和吸 附剂。 物理吸附的原理： 固体表面分子受力不均 ，产生表面张力，具有表面能，故可吸附外界分子，并降低其表 面能。物理吸附是自发行为，可多层吸附，无需外界能量且放热 ，升温对其不利。 吸附剂的比表面积都很大，硅胶、活性氧 化铝和分子筛等也可用作水处理的吸附剂。 活性炭利用其物理吸附和表面催化作用， 能较彻底地除去水中游离氯。但因会同时生成卤代烃类化合物(致 癌)，故高cl2含量的水不宜用它处理后供饮用。 活性炭对水中有机物的吸附率约为 2080%，去除效果与活性炭本身和水中有机物的组成等有关。 3、影响活性碳吸附的因素 a) 活性碳性质 比表面积，粒径大小和分布， 孔构造和分布等。 b) 吸附质性质 溶解度低，浓度高，利于吸附；有机物的 分子量增大，吸附量上升，但若太大，则不易被吸附。 c) 介质ph值 对水中有机酸，ph降低，吸附量上升；对 有机胺，则相反。 d) 温度 低温有利于吸附，高温有利于解析。 e) 接触时间 不能太短。 f) 多种物质间的相互影响 相互诱发、相互竞争 、互不干扰。 4、活性碳吸附在水处理中的应用 1) 活性炭的选用 吸附性能好，可提高出水品质，延长其 使用寿命。应以水中天然有机物作吸附质，通过试验比较效果 而定。 2) 活性碳使用前的预处理 先用hcl浸泡，中和其中少量碱性物质， 再用水冲洗至ph值达68。 3) 活性碳再生 活性炭因沾染悬浮物或胶体而影响去除 率时，应先清洗。如仍无效，则可采用如下方法再生：1）蒸汽 吹洗；2）高温焙烧；3）溶液(naoh或nacl等)解析；4）用有 机溶剂萃取；5）微生物法；6）电再生法等。 第四章 离子交换处理 第一节 离子交换树脂概述 第二节 离子交换树脂的性能指标 第三节 离子交换的原理 第四节 树脂预处理、变质和污染 在现代电厂锅炉的水处理中，离子交 换法除盐是必须采用的工艺。工艺的核心 是离子交树脂。离子交换工艺可将水中的 离子态杂质几乎全部除尽，制得的水可接 近“纯水”。 第一节 离子交换树脂概述 一、离子交换树脂的结构 白色、黄色或棕色小球，=0.31.2mm；内部为网状结构 骨架。骨架上有许多离子交换基团（功能基），骨架孔隙里充满 了水和可交换离子，后者可与外部水中的离子发生交换作用。 组成树脂母体(骨架)的单体有苯乙烯系、丙烯酸系、酚 醛系等。 苯乙烯系应用广泛，它以苯乙烯做单体原料，以二乙烯 苯为交联剂，经悬浮缩合反应而成；然后引入不同的交换基 团，分别制得阳离子或阴离子交换树脂。 交换基团的固定部分称为固定离子，它固结在母体上， 不能自由移动。常将它和树脂母体合起来用r 表示。 交换基团的活动部分遇水可以电离，并与水中的同种离 子交换，称为可交换离子。 二、苯乙烯系树脂的合成 骨架的制备 + 在骨架上引入可交换的基团。 骨架：单体（苯乙烯）+交联剂（二乙烯苯）共聚而成，即 聚苯乙烯，也称白球。 交联剂在高聚物中起空间架桥作用，它使聚合物形成网状 ，其含量愈多，白球的网状结构就愈坚固。常把高聚物中交联 剂的质量百分数叫做交联度。 将白球通过磺化反应得到阳离子交换树脂，与氯甲基反应 和胺化反应，得到阴离子交换树脂。磺化反应是向有机分子中 引入磺酸基(so3h)或磺酰氯基(so3cl)的反应。 交联度是重要参数，其大小与树脂的原料配方有关，影响 着产品的物化性能。对于同类化学组成的树脂，交联度大，则 树脂的网孔小、机械强度大、密度大、稳定性好，但交换容量 小、树脂的反应速度也较慢。 三、离子交换树脂的类型 1、按活性基团的性质分类 按活性基团性质：阳离子或阴离子交换树脂； 按功能基特点：强、弱酸性；强、弱碱性；螯合性；两性 ；氧化还原性树脂等。 螯合物(chelate complex)：在固-液界面上或固-气界面上 由多齿配体键结合形成的化合物。 2、按孔型分类 凝胶型：透明或半透明的凝胶结构；交联度小(7%左右)； 干状态下无孔，浸入水中才显示出大小不一的微孔；孔径小( 约为12nm) ，不易于离子运动，网孔也易被大分子堵塞。 适合用于吸附无机离子，且易被大分子有机物污染。 大孔型：制备骨架时使用了致孔剂，内部有大量永久性的微 孔，孔多且径大(约为20100nm) ，因此其比表面积大。 具有抗有机物污染的能力，再生过程中容易洗脱网孔中截留 的有机物；交联度大(可达1620%)，机械强度和抗氧化能力高； 但因离子交换基团相应减少，离子交换能力相对较低。 3、按单体种类分类： 苯乙烯系、丙烯酸系等。 四、离子交换树脂的命名 离子交换树脂产品的命名和型号是根据有关国标制定的。 全名=分类名称+骨架名称 (或+活性基团性质)+基本名称。 基本名称为：“阳”或“阴”+“离子交换树脂” ；分类以“大孔型” 和“凝胶型(可略)”代表等。如： 凝胶型 苯乙烯系 强酸性 阳离子交换树脂 或 凝胶型 强酸性 苯乙烯系 阳离子交换树脂 型号以三位阿拉伯数字组成。第一位是代表产品分类，第二 位代表骨架组成，第三位为顺序号(以区别功能基或交联剂)。 另外，大孔型树脂的型号前加“d”；凝胶型的型号前不加任何 字母，但其后用“x+数字”表示交联度值。详见后面有关表格。 表1 分类代号（活性基团代号） 表2 骨架代号 如：1104(凝胶型)弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，交联度为4。 d201大孔型强碱性苯乙稀系阴离子交换树脂。 代号0123456 骨架类型苯乙烯系丙烯酸系酚醛系环氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系 代号0123456 功能基强酸性弱酸性强碱性弱碱性螯合性两性氧化还原 第二节 离子交换树脂的性能指标 离子交换树脂是由几种不同单体化合成的高聚物，制造的原 料配方和(或)聚合温度影响着产品的分子结构和物理性能。 一、物理性能 1、外观 多为球状。圆球率(球状颗粒量所占的百分率)应达90%以上。 通常，凝胶型是透明或半透明的，大孔型不透明。树脂颜色 与树脂种类有关，苯乙烯系树脂呈黄色。树脂颜色常因污染而加 深，但其性能是否受影响需实验测定。 2、含水率 指树脂在潮湿空气中所保持的水量，表征树脂的交联度和孔 隙率。其值愈大，孔隙率愈大、交联度愈小。 3、密 度（g/ml） 估算设备中树脂的装载数量等时，要用到“密度”。 u 干真密度 干燥状态下树脂本身的真实密度。 约为1.6 左右，实用意义不大，在研究树脂性能等时用到。 u 湿真密度 指在水中充分膨胀后的密度，约为1.041.3。 计及颗粒及其孔隙中所含的水分，不包括颗粒间的。与树脂 在水中的沉降性能有关，是影响实际使用性能的指标，阳树脂的 相对要大。 u 湿视密度 湿视密度是指树脂在水中充分膨胀后的堆积密度。 湿视密度用来计算交换器中装载湿树脂的质量，一般为0.60 0.85 。同样阳树脂的相对要大，偏于上限。 4、粒度 离子交换过程相当于通过粒状介质过滤水的过程； 树脂颗粒的大小和均匀性直接影响着通流阻力、交换速度 和反洗时颗粒层表现。 树脂粒度也用平均粒径、有效粒径和不均匀系数等表示。 用于水处理的树脂粒径一般为0.31.2mm。 5、机械强度 包括耐磨性、抗渗透冲击性及其物理稳定性等。 树脂颗粒破碎的原因：水流压力、重力挤压、冲洗时的磨 轧、胀缩等。一般情况下，树脂的机械强度应保证每年的树脂 耗损量不超过3%7%。 6、溶胀性 干树脂浸于水中会膨胀，即溶胀。交换和再生过程中胀缩会导致： 改变树脂颗粒之间及其与器壁间的空隙，加重截面上的水流不均； 树脂颗粒碎裂。 溶胀有可逆或不可逆之分，即指新树脂溶胀后再干燥，能否恢复到 原来的大小。影响树脂溶胀的因素有： 在极性溶剂中的溶胀性强。 交联度高，溶胀能力低。 活性基团越易电离，溶胀性越强。 交换容量越大，越强。 溶液中电解质浓度越大，则树脂内外的渗透压差越小，越弱。 可交换离子的水合离子半径越大，其溶胀率越大。对于强酸和强碱 性离子交换树脂，溶胀率大小的次序为： h+na+nh4+k+ag+ h+mg2+na+ca2+ oh-hco3-co32-so42-cl- 一般情况下，强酸性阳离子交换树脂由na型变成h型，强碱性阴离 子交换树脂由cl型变成oh型，其体积均增加5%。 7、溶解性 在水中基本不溶，但有时会微量溶解。原因： a、新树脂中少量杂物(低聚物)在其最初使用阶段的溶解； b、出现胶溶现象：其中离子发生化学降解，崩裂成较小分 子，并呈胶状溶于水中。影响因素：交联度小、交换容量大、活 性基因的电离能力强和离子水合半径大等。 8、耐热(温)性 温度愈高，树脂愈易发生水解。阳树脂耐温性一般较高，可 耐100或更高；就阴树脂而言，强碱性可耐60 ，弱碱性可耐 80以上。树脂长期使用的温度不宜超过40。树脂置于0 以 下时，会由于结冰而胀碎。 9、导电性 湿树脂可以导电，不过属于离子型导电。 二、化学性能 指在酸、碱等化学作用下的稳定性(不会破裂、降解等)。 一般，阳树脂的稳定性较好；高交联的优于低交联的；阳树 脂中na 型优于h 型，阴树脂中cl 型优于oh 型。 1、离子交换反应的可逆性 这是树脂通过再生而能反复使用的理论基础。如h 型阳树脂 置换了水中na+后，就可用稀盐酸或稀硫酸使其再生。即下面的可 逆反应的平衡移动。当水中na+和树脂上h+多时，反应向正方向移 动；反之，则逆向移动。 rso3h+na+ rso3na+h+ 2、酸、碱性和中性盐的分解能力 h 型阳树脂与oh 型阴树脂在水中能电离出h+和oh，显 示出一定的酸碱性。此性质也有强弱之分，水处理工艺中常用 的强、弱型树脂及其特点见pp. 69。 酸(或碱)性强的h 型阳树脂(或oh 型阴树脂)，易于与中性 盐的阳离子(或阴离子)发生置换反应，生成游离酸或碱；而酸( 或碱)性弱的则难与中性盐交换离子，但相应逆反应容易进行。 离子交换树脂与中性盐进行离子交换反应，并在溶液中生 成游离酸或碱的能力，称为树脂的中性盐的分解能力。显然， 树脂的这种能力与其酸(或碱)性的强弱有关。 3、中和与水解 离子交换树脂这一性质和电解质一样，例如oh 型强碱阴树 脂与酸液相遇或h 型强酸阳树脂与碱液相遇，进行很完全的中和 反应。 盐型树脂的水解反应也与通常的盐一样，如水解产物有弱酸 和弱碱时，水解度较大。 4、离子交换树脂的选择性 指其对不同离子的亲合力有所差异。亲合力大的离子容易被 树脂吸着，但吸着后难以把它们置换下来；亲合力小的离子则恰 好相反。交换离子的种类、树脂的本质、溶液的浓度和离子组分 等都会影响离子交换的选择性。 常温、低浓度水溶液中