电厂化学水处理教学课件

第一章水质概述

第一节天然水及其分类

一、水源

水是地面上分布最广的物质，几乎占据着地球表面的四分之三，构成了海洋、江河、

湖泊以及积雪和冰川，此外，地层中还存在着大量的地下水，大气中也存在着相当数量的

水蒸气。地面水主要来自雨水，地下水主要来自地面水，而雨水又来自地面水和地下水的

蒸发。因此，水在自然界中是不断循环的。

水分子（山0）是由两个氢原子和一个氧原子组成，可是大自然中很纯的水是没有的，

因为水是一种溶解能力很强的溶剂，能溶解大气中、地表面和地下岩层里的许多物质，此

外还有一些不溶于水的物质和水混合在一起。

水是工业部门不可缺少的物质，由于工业部门的不同，对水的质量的要求也不同！在

火力发电厂中，由于对水的质量要求很高，因此对水需要净化处理.

电厂用水的水源主要有两种，一种是地表水，另一种是地下水。

地表水是指流动或静止在陆地表面的水，主要是指江河、湖泊和水库水。海水虽然属于地

表水，但由于其特殊的水质，另作介绍。

天然水中的杂质

要有氧和二氧化碳天然水中的杂质是多种多样的，这些杂质按照其颗粒大小可分为悬浮

物、胶体和溶解物质三大类。

悬浮物：颗粒直径约在ICT毫米以上的微粒，这类物质在水中是不稳定的，很容易除

去V水发生浑浊现象，都是由此类物质造成的。

胶体：颗粒直径约在毫米之间的微粒，是许多分子和离子的集合体，有明

显的表面活性，常常因吸附大量离子而带电，不易下沉。

溶解物质：颗粒直径约在10*毫米以上的微粒，大都为离子和一些溶解气体。呈离子

状态的杂质主要有阳离子（钠离子Na,、钾离子K'、钙离子Ca\镁离子Mg"），阴离子（氯

离子CI\硫酸根碳酸氢根HC0「）；溶解气体主。

水质指标

二、水中的溶解物质

悬浮物的表示方法：悬浮物的量可以用重量方法来测定（将水中悬浮物过滤、烘干后

称量），通常用透明度或浑浊度（浊度）来代替。

溶解盐类的表示方法：

1.含盐量：表示水中所含盐类的总和。

2.蒸发残渣：表示水中不挥发物质的量。

3.灼烧残渣：将蒸发残渣在800'C时灼烧而得。

4.电导率：表示水导电能力大小的指标。

5.硬度的表示方法：硬度是用来表示水中某些容易形成垢类以及洗涤时容易消耗肥皂

得一类物质。对于天然水来说，主要指钙、镁离子。硬度按照水中存在得阴离子情况。划

分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两类。

6.碱度和酸度：碱度表示水中含OH-、C032-xHC03-量以及其它一些弱酸盐类量得总

和。碱度表示方法可分为甲基橙碱度和酚酥碱度两种。酸度表示水中能与强酸起中和作用

的物质的量。

有机物的表示方法：通常用耗氧量来表示。

溶解物质是指颗粒直径小于W6mm的微粒，它们大都以离子或溶解气体状态存在于

水中，现概述如下。

(1)离子态杂质。天然水中含有的离子种类甚多，但在一般的情况下，它们总是一

些常见的离子。如按含量多少来分，可以将这些离子归纳为表1-2中的三类。其中第一类

杂质的含量为最多，是工业水处理中需要净化的主要离子。

天然水中离子态杂质来自水源经地层时溶解的某些矿物质。列如石灰石(CaCOs)和石膏

(CaS04•2H2O)的溶解。CaCCh在水中的溶解度虽然很小，但当水中含有游离态CO2时，CaC03

被转化为较易溶的Ca(HCO3)2而溶于水中。其反应为

CaC03+C02+H20=Ca(HC03)2

又如白云石(MgCO3-CaC03)和菱镁矿(MRC03),也会被含游离CO?的水溶解，其中

MgCOi溶解反应可表示为

MgCO3+CO?+H?O=Mg(HC03)2

2

由于上述反应，所以天然水中都存在Ca以Mg\HC03\S0?O在含盐量不大的水中，

Mg?’的浓度一般为Ca”的25婷50%,水中Ca-Mg?'是形成水垢的主要成分

含钠的矿石在风化过程中易于分解，释放出Na\所以地表水和地下水中普遍含有NaZ因

为钠盐的溶解度很高，在自然界中一般不存在Na+的沉淀反应，所以在高含盐量水中，Na'

是主要阳离子。天然水中K的含量远低于Na',这是因为含钾的矿物比含钠的矿物抗风化

能力大，所以K*比Na，较难转移至天然水中。

由于在一般水中＜的含量不高，而且化学性质与Na'相似,因为在水质分析中，常以(K*+NaD

之和表示它们的含量，并取加权平均值25作为两者的摩尔质量。

天然水中都含有C「，这是因为水流经地层时，溶解了其中的氯化物。所以CI'几乎存在于

所有的天然水中。天然水中最常见的阳离子是Ca\K\Na+；阴离子是HCOJ、S0/\

CT,某些地区的地下水中还含有较多的FJ和Mn2\

(2)溶解气体。天然水中常见的溶解气体有氧(02)和二氧化碳(COJ,有时还有

硫化氢(H2S)X二氧化硫(SO?)和氨(NH3)等。

天然水中的主要来源是大气中的溶解，因为空气中含有20.95%的氧，水与大气接触

使水体具有自充氧的能力。另外，水中藻类的光合作用也产生一部分的氧，但这种光合作

用并不是水体中氧的主要来源，因为在白天靠这种光合作用产生的氧，又在夜间的新陈代

谢过程中消耗了。

地下水因不与大气相凄触，氧的含量一般低与地表水，天然水的氧含量一般在

0~14mg/L之间。

天然水中co?的主要来源为水中或泥土中有机物的分解和氧化，也有因地层深处进行

的地质过程而生成的，其含量在几毫克/升至几百毫克/升之间。地表水的C0?含量常不超

过20~30mg/L,地下水的CO?含量较高，有时达到几百毫克/升。

天然水中C02并非来自大气，而恰好相反，它会向大气中析出，以为大气中C02的体积

百分数只有0.03%~0.04%,与之相反的溶解度仅为0.5~1.Omg/Lo

水中。2和CO2的存在是使金属发生腐蚀的主要原因。

(3)微生物。在天然水中还有许多微生物，其中属于植物界的有细菌类、藻类和真

菌类；属于动物界的有鞭毛虫、病毒等原生动物。另外，还有属于高等植物的苔类和属于

后生动物的轮虫、涤虫等。

三、天然水的分类

通常，天然水有两种分类方法，一种是按主要的水质指标，另一种是水中盐类的组

成。现分述如下：

1.按主要水质指标

天然水可以按其含盐量或硬度分类，因为这两种指标可以代表水受矿物质污染的程

度。

天然水按其含盐量分类如表1-3。

表1-3按含盐量分类

类别低含盐量水中等含盐量水较高含盐量水高含盐量水

含盐量<200200~500500^1000>1000

(mg/L)

我国江河水大都属于低含盐量和中等含盐量水，地下水大部分是中等含盐量水。

天然水按其硬度分类如表1-4。

表1-4按硬度分类

类别极软水软水中等硬度水硬水极硬水

硬度<1.01.0^3.03.0~6.06.0~9.0>9.0

(mmol/L)

根据此种分类，我国天然水的水质是由东南沿海的极软水，向西北经软水和中等硬度

水而递增至硬水。这里所谓软水是指天然水硬度较低，不是指经软化处理后所获得的软化

水。

2.按水中盐类的组成分类

为了研究问题方便起见，人为地将水中阴、阳离子结合起来，写成化合物的形式：这

称为水中离子的假想结合。这种表示方法的原理是，钙和接的碳酸氢盐最易转化成沉淀物，

所以令它们首先假想结合，其次是钙、镁的硫酸盐，而阳离子Na'和K'以及阴离子CI都不

易生成沉淀物。因此它们以离子的形式存在于水中。

第二节电厂用水的类别及水质指标

一、电厂用水的类别

水在火力发电厂水汽循环系统中所经历的过程不同，水质常有较大的差别。因此根据

实用的需要，人们常给予这些水以不同的名称。它们是原水、锅炉补给水、给水、锅炉水、

锅炉排污水、凝结水、冷却水和疏水等。现简述如下：

(1)原水：也称为生水，是未经任何处理的天然水(如江河水、湖水、地下水等)，

它是电厂各种用水的水源。

(2)锅炉补给水：原水经过各种水处理工艺净化处理后，用来补充发电厂汽水损失的

水称为锅炉补给水。按其净化处理方法的不同，又可分为软化水和除盐水等。

(3)给水：送进锅炉的水称为给水。给水主要是由凝结水和锅炉补给水组成。

(4)锅炉水：在锅炉本体的蒸发系统中流动着的水称为锅炉水，习惯上简称炉水，

(5)锅炉排污水：为了防止锅炉结垢和改善蒸汽品质，用排污的方法，排出一部分炉

水，这部分排出的炉水称为锅炉排污水。

(6)凝结水：蒸汽在汽轮机中作功后，经冷却水冷却凝结成的水称为凝结水，它是锅

炉给水的主要组成部分。

(7)冷却水：用作冷却介质的水为冷却水。这里主要指用作冷却作功后的蒸汽的冷却

水，如果该水循环使用，则称循环冷却水。

(8)疏水：进入加热器的蒸汽将给水加热后，这部分蒸汽冷却下来的水，以及机组停

行时，蒸汽系统中的蒸汽冷凝下来的水，都称为疏水。

在水处理工艺过程中，还有所谓清水、软化水、除盐水及自用水等。

二、水质指标

所谓水质是指水和其中杂质共同表现出的综合特性，而表示水中杂质个体成分或整体

性质的项目，称为水质指标。

由于各种工业生产过程对水质的要求不同，所以采用的水质指标也有差别。

火力发电厂用水的水质指标有二类：一类是表示水中杂质离子的组成的成分指标，如

Ca2\Mg，Na'、Cl\SO/等；另一类指标是表示某些化合物之和或表征某种性能，这些指

标是由于技术上的需要而专门制定的，故称为技术指标。

1.表征水中悬浮物及校体的指标

(1)悬浮固体。悬浮固体是水样在规定的条件下，经过滤可除出的固体，单位为毫克/升

(mg/L)o这项指标仅能表征水中颗粒较大的悬浮物，而不包括能穿透滤纸的颗粒小的悬

浮物及胶体，所以有较大的局限性。此法需要将水样过滤，滤出的悬浮物需经烘干和称量

等手续，操作麻烦，不易用作现场的监督指标。

(2)浊度。浊度是反映水中悬浮物和胶体含量的一个综合性指标，它是利用水中悬浮

物和胶体颗粒对光的饿散射作用来表征其含量的一种指标，即表示水浑浊的程度。

浊度是通过专用仪器测定的，操作简便迅速。由于标准水样配制方法不同，所使用的

单位也不相同，目前以硫酸腓(NHSO,)和六次甲基四胺[(CH2)6的配制成浑浊液为标准,

与水样相比较，其单位用福马朋(FTU)表示。

(3)透明度。透明度是利用水中悬浮物和胶体物质的透光性来表征其含量的另一中指

标，即表示水透明程度的指标，单位为厘米(cm)。水的透明度与浊度成反比，水中悬浮

物含量越高，其透明度越低。由于它是通过人的眼睛观察水层厚度来确定水中悬浮物含量

的，因此它带有人为的随意性。

2.表征水中溶解盐类的指标

(1)含盐量。含盐量是表示水中各种溶解盐类的总合，由水质全分析的结果，通过计

算求出。含盐量有两种表示方法：一是摩尔表示法，即将水中各种阳离子(或阴离子)均

按带一个电荷的离子为基本单位，计算其含量(mmol/L),然后将它们(阳离子或阴离子)

相加；二是重量表示法，即将水中各种阴、阳离子的含量以mg/L为单位全部相加。

由于水质全分析比较麻烦，所以常用溶解固体近似表示，或用电导率衡量水中含盐量

的多少。

(2)溶解固体。溶解固体是将一定体积的过滤水样，经蒸干并在105~110°C下干燥至恒

重所得到的蒸发残渣量，单位用毫克/升(mg/L)表示。它只能近似表示水中溶解盐类的

含量，因为在这种操作条件下，水中的胶体及部分有机物与溶解盐类一样能穿过滤纸，许

多物质的湿分和结晶水不能除尽，碳酸氢盐全部转换为碳酸盐。

(3)电导率。表示水中离子导电能力大小的指标，称作电导率。由于溶于水的盐类都

能电离出具有导电能力的离，所以电导率是表征水中溶解盐类的一种代替指标。水越纯净,

含盐量越小。电导率越小。

水的电导率的大小除了与水中离子含量有关外，还和离子的种类有关，单凭电导率不

能计算水中含盐量。在水中离子的组成比较稳定的情况下，可以根据试验求得电导率与含

盐量的关系，将测得的电导率换算成含盐量。电导率的单位为微西/厘米(uS/cm)o

三.表征水中易结垢物质的指标

表征水中易结垢物质的指标是硬度，它是指水中某些易于形成沉淀的金属离子，它们

都是二价或二价以上的金属离子。在天然水中，形成硬度的物质主要是钙、镁离子，所以

通常认为硬度就是指水中这两种离子的含量。水中钙离子含量称钙硬(KJ,镁离子含量

称镁硬(HQ,总硬度是指钙硬和镁硬之和,即H二也+H蛇工(1/2)C?]+[(1/2)M/]。根

据Ca，Mg?•与阴离子组合形式的不同，又将硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。

(1)盐硬度(HT)是指水中钙、镁的碳酸盐及碳酸氢盐的含量。此类硬度在水沸腾时就

从溶液中析出而产生沉淀，所以有时也叫暂时硬度。

(2)非碳酸盐硬度(HF)是指水中钙、镁的硫酸盐、氯化物等的含量。由于这种硬度在

水沸腾时不能析出沉淀，所以有时也称永久硬度。

硬度的单位为毫摩尔/升(mmol/L),这是一种最常见的表示物质浓度的方法，是我国

的法定计量单位。在美国硬度单位为ppmLCCh,这里的ppm表示百分之一，它与mg/L大致

相当；在德国硬度单位采用的是德国度。G,1°G相当于10mg/LC,0所形成的硬度。

以上几种硬度单位的关系如下：

1mmol/L=2.8°G=50Ppmc

1、征水中碱性物质的指标

表征水中碱性物质的指标是碱度，碱度是表示水中可以用强酸中和的物质的量。形成减度

的物质有：

(1)强碱，如NaOH、Ca(OH)2等，它们在水中全部以OH-形式存在；

(2)弱碱，如NH3的水溶液，它在水中部分以0H-形式存在；

(3)强碱弱酸盐类，如碳酸盐、磷酸盐等，它们水解井产生0H-。

在天然水中的碱度成分主要是碳酸氢盐，有时还有少量的腐殖酸盐。

水中常见的碱度形式是OH、C03?和HCO；,当水中同时存在有HCO「和Of的时候，就发生如

(2-2)式的化学反应，

2

HC03+0H-*C03+H?0(2-2)

故一般说水中不能同时含有HCO3碱度和OH碱度。根据这种假设，水中的碱度可能有

五种不同的形式：只有0H碱度；只有CO,碱度；只有HC同碱度;同时有OH+CO/碱度；

同时有(XhrHCO「碱度。

水中的碱度是用中和滴定法进行测定的，这时所用的标准溶液是HCI或H2s04溶液，

酸与各种碱度成分的反应是，

CH+H*->H2O(2-3)

M+H'THCCV(2-4)

HCO3+MTH2O+CO2(2-5)

如果水的PH值较高，用酸滴定是，上述三个反应(2-3)X(2-4).(2-5)将依次进行。

当用甲基橙作指标剂，因终点的PH值为4.2,所以上述三个反应都可以进行到底，所测得

的碱度是水的全碱度，也叫甲基橙碱度；如用酚酰作指示剂，终点的PH值为8.3,此时只

进行(2-3)x(2-4)式的反应，反应式(2-5)并不进行，测得的是水的酚猷碱度。因此,

测定水中碱度时，所用的指示剂不同，碱度值也不同。

碱度的单位为毫摩尔/升(mmol/L),与硬度一样，在美国和德国分别用ppmC£03和。G

为单位。

2、表示水中酸性物质的指标

表示水中酸性物质的指标是酸度，酸度是表示水中能用强碱中和的物质的量。可能形

成酸度的物质有：强酸、强酸弱碱盐、弱酸和酸式盐。

天然水中酸度的成分主要是碳酸，一般没有强酸酸度。在水处理过程中，如H离子交

换器出水出现有强酸酸度。水中酸度的测定是用强碱标准来滴定的。所用指示剂不同时，

所得到的酸度不同。如：用甲基橙作指示剂，测出的是强酸酸度。用酚猷作指示剂，测定

的酸度除强酸酸度(如果水中有强酸酸度)外，还有H2c酸度，即C0?酸度。水中酸性物

质对碱的全部中和能力称总酸度。

这里需要说明的是，酸度并不等于水中氢离子的浓度，水中氢离子的浓度常用PH值

表示，是指呈离子状态的H.数量；而酸度则表示中和滴定过程中可以与强碱进行反应的全

部印数量，其中包括原已电离的和将要电离的两个部分。

3、表示水中有机物的指标

天然水中的有机物种类繁多，成分也很复杂，分别以溶解物、胶体和悬浮状态存在。

因此很难进行逐类测定，通常是利用有机物比较容易被氧化这一特性，用某些指标间接地

反映它的含量，如化学氧化、生物氧化和燃烧等三种氧化方法，都是以有机物在氧化过程

中所消耗或氧化剂的数量来表示有机物可氧化程度的。

(1)化学耗氧量(COD)o在规定条件下，用氧化剂处理水样时，水样中有机物氧化

所消耗该氧化剂的量，即为化学耗氧量。计算时折合为氧的质量浓度，简写代号为CCD,

单位用毫克/升表示。化学耗氧量越高，表示水中有机物越多。常采用的氧化剂有重铭

酸钾和高镒酸钾，氧化剂不同，测得有机物的含量也不同。如用重铭酸钾K2c2。/作氧化剂，

在强酸加热沸腾回流的条件下，以银离子作催化剂，可对水中85k95%以上的有机物进行

氧化，不能被完全氧化的是一些直链的、带苯环的有机物，但这种方法基本上能反应水中

有机物的总量。如用高镒酸钾作氧化剂，只能氧化约70%的一些比较容易氧化的有机物，

并且有机物的种类不同，所得的结果也有很大差别，所以这项指标具有明显的相对性！目

前它较多地用于轻度污染的天然水和清水的测定。

(2)生化需氧量(BOD)o在特定条件下，水中的有机物和无机物进行生物氧化时所

消耗溶解氧的量，即为生化需氧量。单位也用毫克/升表示。构成有机体的有机物大多

是碳水化合物、蛋白质和脂肪等，其组成元素是碳、氢、氧、氮等，因此不论有机物的种

类如何，有氧分解的最终产物总是二氧化碳、水和硝酸盐。

生物氧化的整个过程一般可分为两个阶段，第一个阶段主要是有机物被转化为二氧化

碳、水和氨的过程；第二个阶段主要是氨转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。对于工业用水，

因为氨已经是无机物，它的进一步氧化，对环境卫生的影响较小，所以，生化需氧量通常

只指第一阶段有机物氧化所需的氧量。

通常都以5天作为测定生化需氧量的标准时间，称5天生化需氧量，用BODs表示，试

验证明，一般有机物的5天生化需氧量约为第一阶段生化需氧量的70%左右，因此，E0D5

具有一定的代表性。

此外，用仪器测定有机物完全燃烧后所产生的气体来反映总含碳量的，称为总有机碳

(简称T0C),或反映消耗氧的量的，称总需氧量(简称TOD)。

下表为我公司用淡水水质全分析资料，供学习时参考

北海电厂一期工程水质全分析资料(时间：2003.1.22)水源：地下水

项目5#井6#并7#井8#井9#井

PH(25DC)4.614.504.604.614.40

全固形物(mg/L)31.430.524.823.526.8

总硬度(mmol/L)0.03540.02270.01030.03200.0370

暂时硬度(mmol/L)0.03540.02270.01030.03200.0370

总碱度(mmol/L)0.06910.04510.05090.07230.0272

甲基橙碱度(mmol/L)0.06910.04510.05090.07230.0272

CODwn(mgO2/L)

项目5#井6#井7#井8#井9#井

电导率(25℃)(RS/cm)31.128.727.631.034.2

游离二氧化碳(mg/L)179.0147.0131.90187.0112.0

K*(mg/L)0.390.070.030.280.09

Na*(mg/L)2.772.02.992.02.48

Ca2t(mg/L)1.410.910.381.311.52

Fe”(mg/L)0.450.150.130.280.10

R2O3(mg/L)0.640.210.190.400.14

1.66

HC03'(mg/L)4.212.753.104.41

Cl-(mg/L)3.692.583.311.814.12

SiO?(全)(mg/L)20.5022.1016.3017.3017.60

11.0

Si02(溶)(mg/L)11.8910.217.9811.67

备注：表中各种物质的基本单元为高Me"

全在含量最大值：^25mg/Lo

其它未列指标含量约为零。

四、天然水中几种主要化合物的化学特性

天然水中含有杂质的种类虽然较多，但天然水中主要杂质的种类差不多是一致的，它

们总是几种常见的化合物，所以在研究水的净化处理时，只需研究若干常见的化合物，

1、碳酸化合物

碳酸和它的盐类统称碳酸化合物，在天然水中特别是在含盐量较低的水中，含量最大

的化合物常常是碳酸化合物。而切，在自然界发生的自然现象中，如天然水对酸、碱的缓

冲性，沉积的生成与溶解等，碳酸也常常起非常重要的作用。

(1)碳酸化合物的存在形式

水中碳酸化合物通常有以下四种形式：溶于水的气体二氧化碳；分子态碳酸；碳酸氢

根及碳酸根。在水溶液中，这四种碳酸化合物之间有下列几种化学平衡：

C02：aq)+H20=H2CO3(2-6)

H2cO3=H++HCO；(2-7)

HC03'=+CO3”(2-8)

若把上述平衡式综合起来可以得到

C02(aq)+H2O=H2CO3=H'+HCO3"=2H*+CO3”(2-9)

利用上述关系式解决有关碳酸化合物的问题是有困难的，因为在进行水分析时，不能

区分水中的二氧化碳和碳酸，用酸碱滴定测得的二氧化碳是两者之和。实际上，分子态

的碳酸的形态只占总量的百分之一以下，故实际工作中可以将二氧化碳和碳酸一起用二氧

化碳表示，此时式(2-9)式可表示为

4-2-

C02+H2O=H+HCO3=2H'+C03(2-10)

(2)碳酸化合物的形态与PH值的关系

碳酸为二元弱酸,可进行分级电离。不同温度下有着不同的电离平衡常数，如在25时,

的平衡常数值为：

=4.45x10一7(2-11)

[CO2]

=4.69x1011(2-12)

f[HCO；]

式中K,-H2CO3的一级电离平衡常数

K2-H2CO3的二级电离平衡常数

[]一表示相应物质的浓度

fixf2-分别表示1价和2价离子的活度系数

PH值和各种碳酸化合物相对含量间的关系。碳酸化合物在各种溶液中的相对含量主

要取决于该溶液的PH值。

设碳酸化合物总浓度为Cmol/L,则

[CO?]+[HC03]+[COM=C(2-13)

根据H2cO3一级电离平衡常数(2-12)式，以及(2-13)式，并假定在稀溶液中F和

fz可视为1,那么可解得一定的pH值条件下各种碳酸化合物的相对量，如(275)、(276)、

(2-17)式所示

(2-15)

C[H+][H+]

旧CO"[”+]a尸

(2-16)

C&[H+]

[C。；][/TP[“+]-

(2-17)

C-KKK2

根据(2-15)〜(2-17)式，可绘制图2-4所示的pH值与各种碳酸化合物相对量的

关系曲线。

由图可知，当pH^4.2时，水中碳酸化合物基本是CG；当pH=4.2〜6.3时，CCh和HCO；

同时存在;当pH=8.3时，白分之98%以上的碳酸化合物呈HCO；状态;当PH28.3时，HCO；

和C0广同时存在。

pH、[HCO；]X[CO门和[CO2：的关系。由图2-4可知，在pH〈8.3时,碳酸进行的是一级

电离，将(2-11)式等号两边取负对数并加以整理，则得

pH=pKi+Ig[HCO3]-Ig[CO?]+Igfi

对于稀溶液,—Igf尸0;在25℃时,PK,=6.35；所以

pH=6.35+lg[HC03]-lg[C02](2-19)

对于pH<8.3的天然水来说，因为水中碳酸氢根的浓度实际就是水中的碱度(B),于

是(2—19)式可变为

pH=6.35+lg[B]-lg[C02](2-20)

当水的pH>8.3时，由碳酸的二级电离平衡方程式(272),可求得

2

pH=10.33+lg[C03-]-lg[HC03](2-21)

2、硅酸化合物

硅酸是一种比较复杂的化合物，它的形态多，在水中有离子态、分子态以至胶态。硅

酸的通式为xSiQyWO。当x和y等于1时,分子式可写成MSi(k称为偏硅酸;当x=1,y=2

时，分子式为HSiO,,成为正硅酸；当x>1时，硅酸呈聚合态，称多硅酸。当硅酸的聚合

度增大时，它会由溶解态转化成胶态，当其浓度较大时，会呈凝胶状析出。

当水的pH值不很高时，溶于水的二氧化硅主要是分子态的简单硅酸，至于这些溶于

水的桂酸到底是正硅酸还是偏硅酸的问题，还有待研究。因为硅酸通常显示出二元酸的性

质。所以本书中均以偏硅酸来表示。畦酸的酸性很弱，电离度不大，所以当纯水中含有硅

酸时不易用pH或电离率检测出来。

当pH值增大到9时，二氧化硅的溶解度就明显增大，此时在酸电离成HzSiOj的量增

多，所以溶解的二氧化畦除了生成硅酸外，还会生成大量的H?S03,其反应方程式为

H2SiO3=HSiO：+H'

当pH值较大，且水中溶解的硅酸化合物较多时，他们会形成多聚体，其反应方程式

为

2-

4H2SiO3=H6Si40i2+2H*

在天然水中，硅酸化合物是常见的杂质。它来自水流经地层时与含有硅酸盐和铝硅酸

盐岩石的反应。地下水的硅酸化合物含量通常比地面水多，天然水中畦酸化合物(以二氧

化硅表示)含量一般在1〜20mg/L范围内，地下水有高达60mg/L的。

硅酸化合物的许多形态会影响到它的测定方法。通常采用的铝蓝比色法能测得的只是

水中分子量较低的硅酸化合物。至于分子量较大的硅酸，有的不与铝酸反应，有的反应缓

慢。根据此种反应的能力不同，水中硅酸化合物可分成两类。那些能够直接用比色法测得

的称为活性二氧化硅(简称活性硅)，不能测得的称为非活性二氧化硅。

在火力发电厂中，水中硅酸化合物是有害的物质。当锅炉水中铝、铁和硅的化合物量

较高时，会在热负荷很高的炉管内形成水垢。在高压锅炉中，硅酸会溶于蒸汽，随之带出

锅炉，最后沉积在汽轮机内。所以，硅酸化合物是水净化的主要对象之一。

3、铁化合物

在天然水中铁是常见的杂质。水中的铁有Fe2\Fe”两种。在深井中因溶解氧的浓度

很小和PH值较低，水中会有大量的Fe",高达10mg/L以上，这是因为常见的亚铁盐类的

溶解度较大，水溶解度较小，Fe-不易形成沉淀物。

当水中溶解氧浓度较大和PH值较高时，FJ会氧化成Fe"，而Fe”的盐类很易水解，从

而转变成Fe(0H)3沉淀物或胶体，其反应方程式为

2>

4Fe+O2+2H?0T4Fe”+40K

3

Fe*+3H2。tFe(0H)34+3H*

当pH28时，水中亚铁离子被溶解氧氧化的速度很快。在地表水中，由于溶解氧的含

量较多，所以Fe"的量通常很小，但在含有腐殖酸的沼泽水中，Fe”的量可能较多，因为这

种水的pH值常接近于4,Fe"会与腐殖酸形成络合物，这种络合物不易被溶解氧氧化。在

pH为7左右的地表水中，一般几乎只有含有呈胶态氢氧化铁的铁。锅炉给水携带铁的氧化

物会引起锅炉炉管内生成氧化铁垢。

4、氮的化合物

在天然水中有时含有氮的无机化合物，如NH「NO,、NO、。它们的主要来源为动植物

及各种含氮有机物，以及随工业排污水混入的NIT等。

随污水带入水源的含氮有机物(如蛋白质、尿素等)，在微生物的作用下会逐渐分解,

生成组织较简单的氮化合物，在没有氧存在的情况下，氨是有机氮分解的最终产物；如果

水中有氧，则在细菌参与下，能使氨继续分解，逐步转变成亚硝酸盐和硝酸盐。为此，根

据天然水中各种氮化合物的相对含量，可以推测此水被有机物污染的时期。如果NH.含量

百分率较大，则表示被污染的时期不长；反之，如N0。含量百分率较大，则表示被污染已

很久。

第二章水的预处理

天然水未进锅炉前除掉水中杂质的工作，称为炉外水处理，也叫做补给水处理。根据

水中所含杂质种类不同，采取不同的水处理方法。

对水中较大的悬浮物，靠重力沉淀就可以除掉，这种处理称为自然沉淀法。

对于水中的胶体微粒，常向水中加入一些化学药品，使胶体颗粒凝聚沉淀，这种处理

称为混凝沉淀法。

对于溶于水中的盐类，可采用蒸t留法、离子交换法、电渗析法等等。目前电厂多采用

离子交换法。

炉外水处理就是由上述某些方法联合组成的水处理流程，一般为：

现将一般水处理流程中，各种水处理方法、原理及其设备分述如下。

第一节混凝沉淀

一、混凝沉淀的原理

混凝、沉淀过程一般是在澄清器内进行的。处理方法，是向水中加入混凝剂(硫酸铝、

聚合铝和硫酸亚铁,氯化铁等)、石灰乳和镁剂(菱苦土或白云粉)等化学药品。各种药品

的作用如下：

1.混凝剂的作用。混凝剂在水中的作用：是促使水中微小的悬浮物或胶体颗粒相互

凝聚成大颗粒而下沉。

2.石灰乳的作用。石灰乳的成分是氢氧化钙｛Ca(OH"。石灰乳加入水中可以提高水

的pH值，有利于不溶性氢氧化物的中沉淀出来：

Ca(OH)2+Ca(HCO3)2T2CaCO3X+2H?0

2Ca(OH)2+Mg(HC03)2T2CaCO31+Mg(CH)21+2H20

上述化学反应的结果，使水中的暂硬降低了。

3.镁剂的作用。镁剂的主要化学成分是氧化镁(MgO)。如果在石灰、混凝处理的同时,

向水中加入镁剂，就会使产生的氢氧化镁沉淀物增多。当氢氧化镁沉淀达到一定数量时，

就能吸附水中大部分硅化物，然后它们渐渐变成难溶于水的硅酸镁而沉淀。因此，加镁剂

的目的就是利用生成硅酸镁的的应，除掉水中的硅化物。

除硅效果的好坏，除了必须加入适量的镁剂外，还与水的温度和pH值有关。最好的

温度为40±1℃,pH值为10.1—10.3。

二、混凝、沉淀设备及处理过程

利用混凝沉淀方法除掉水中悬浮物的沉淀设备叫做澄清池。目前常见的澄清池也有水

力循环澄清池、机械搅拌澄清池、脉冲澄清池和泥渣悬浮澄清池等。各种澄清池尽管在结

构上有差异，但它们的工作原理则是相似的。这里仅以悬浮澄清池为例来阐述澄

清池的工作过程。图13-2是悬浮澄清池的结构示意图。

原水首先经过空气分离器，把水

中含有的空气分离出去。这样就可以

避免空气进入澄清池内，搅动悬浮层

和把悬浮泥渣带出澄清池,破坏悬浮

层的正常工作。

不含空气的水和各种药剂，经过

喷嘴送入澄清池下部的混合区。由于

混合区水流旋涡很强，可以使混凝剂

与水充分混合。

在混合区上部装有水平和垂直

的多孔隔板，从混合区出来的水继续

向上流经多孔板时，多孔板既能使水图13-2悬浮澄清池

得到进一步的混合，又能消除旋涡使1一空气分离器；2—喷嘴；3-混合区；

其成为平稳水流，进入反应区。反应4—水平隔板；5—垂直隔板；6—反应区；

区是澄清器的中心部分,是主要工作7—过渡区；8一出水区；9—水棚；10一集水槽;

11一排泥系统；12—泥渣浓缩器；

区。当水进入反应区后，水中杂质逐

13—采样管；14—可动罩子

渐凝聚成絮状悬浮物(称为泥渣)，由

泥渣组成的悬浮层对水起过滤作用。

经过反应区悬浮层的水，继续上升，进入过渡区。由于筒体截面逐渐增大，水的流速

逐渐减小，使悬浮物与水分离。澄清池上部出水区截面最大，水在这里流速最低，水与悬

浮物得到了很好的分离。最后，澄清水由环形集水槽引出，送至清水箱。

澄清池的中央设有垂直圆形的排泥筒。沿着排泥筒的不同高度开有许多层窗口，多余

的泥渣自动地经排泥窗口进入浓缩器，浓缩后的泥渣由底部排污管排入地沟。

浓缩器与集水槽之间设有回水导管。由于浓缩器与集水槽之间有水位差，使浓缩器上

部的清水经加水导管送入集水槽，而悬浮层上部的水经排泥窗口进入浓缩器，同时带走了

多余的泥渣，使悬浮层保持固定的高度。

澄清池的出水质量，一般可以达到以下标准：

(1)悬浮物含量不大于20毫克/升。

(2)碱度不大于0.85毫克当量/升。

(3)硅酸根含量，平均可降至毫克/升。

(4)耗氧量不大于5毫克/升

第二节过滤处理

生水经过混凝、沉淀处理后，虽然已将水中大部分悬浮物等杂质除掉，但是水中仍残

留有20毫克/升左右的细小悬浮颗粒，需要进一步处理。

除去残留有悬浮杂质，常用的方法是过滤。在电厂水处理中，主要是采用粒状滤料形

成滤层，当浑水通过滤层时，就可以把水中悬浮物吸附截留下来，流出的是清水。

一、过滤原理浑水通过滤层时，为什么能除掉水中的悬浮物呢？对过滤的机理，现

在还有些不同的看法。目前人们认为，经过混凝处理的水，通过滤层的滤料时，有两个作

用：一个是滤料颗粒表面与悬浮物之间的吸力，使悬浮物被吸附；另一个作用滤层对悬浮

颗粒的机械筛除作用，而主要是吸附作用。

二、滤料选择做滤料的固体颗粒，应有足够的机械强度和很好的化学稳定性，以免

在运行和冲洗时，因摩擦而破碎，或因溶解而引出水水质恶化。

石英砂有足够的机械强度，在中性、酸性水中都很稳定。但是在碱性水中石英砂能够

溶解，使水受到污染。

无烟煤的化学稳定性较高，在一般碱性、中性和酸性水中都不溶解，它的机械强度也较好。

此外，滤料的粒度和级配都应该选择合适。

三、过滤设备及运行过滤设备有多种，电厂水处理中常见的有机械过滤器和无阀滤池等。

1.机械过滤器

(1)设备结构。机械过滤器的结构如图13-3所示。

-殄/诏"籍影

I排水［初渔排水

图13-3机械过滤器

1一放空气管；2一进水漏斗；3一缝式滤头；4—配水支管；5—配水干管；6—混凝土

它的本体是一个圆柱形容器，内部装有：进入装置、滤层和排水装置。外部设有必要

的管道、阀门等。在进、出口的两根水管上装有压力表，两表的压力差就是过滤时的水头

损失(运行时的阻力)。

进水装置可以是漏头形式或其他形式的，其主要作用是使进水沿过滤器截面均匀分

配。滤层由滤料组成，滤料的粒径一般采用0.6~1.0毫米。滤层的厚度一般为1.r1.2米。

排水系统多采用支管缝隙式配水装置。它的作用：一是使出水的汇集和反洗水的进入,

能沿着过滤器的截面均匀分布；一是阻止滤料被带出。

(2)设备运行。过滤器在工作时，浑水经进水口流到进水漏斗，然后流经过滤层除掉

浑水中的细小悬浮物而成为清水。此清水上排水系统送出。滤速为8~10米/时，或更大些。

过滤器的运行过程中，由于滤料不断吸附浑水中的悬浮杂质，使运行阻力逐渐增大。

当阻力增大到一定时，应停止运行，对滤料进行反洗。

反洗滤料时，先将过滤器内的水排放到滤层以上约W厘米处，用压缩空气吹洗3分

钟左右，然后将反洗清水和压缩空气从过滤器底部排水系统进入，经过滤层上升并冲动滤

料使滤料浮动起来。此时滤料颗粒在水中游动并相互摩擦，这样将滤粒表面所吸附的杂质

洗掉。在用清水和压缩空气混合反洗3~5分钟后，停止压缩空气，仅用清水继续反洗约2

分钟后停止反洗。洗掉的吸附杂质随水上升，经上部进水漏斗上底部排水门排入地沟。最

后，用水正洗至合格投入运行或备用。

(3)双层滤料。一般机械过滤器多用单层滤料，但单层滤料反洗后，在水流的作用下,

滤料颗粒形成了“上细下粗”的排列。由于滤层上部的砂粒细，砂粒之间孙隙小，所以吸

附的悬浮物大多数集中在上面，致使滤层下部的滤料不能充分发挥吸附作用。这样就带来

了水流阻力增长快，运行周期短的缺点。

为了消除上述缺点，采用了双层滤料的办法。就是将滤层上部石英砂换一层颗粒较大

的无烟煤，组成无烟煤-石英砂的双层滤料的过滤器。由于无烟煤的比重比石英砂的小，

所以反洗后无烟煤仍然保持在上层。上层无烟煤颗粒之间的孔隙较大，水中悬浮物除被无

烟煤吸附外，还可以进入下层石英砂滤层。这样就充分发挥了滤料的截污能力，使水流阻

力增长较慢，延长了运行周期。

2.无阀滤池

(1)设备结构。无阀滤池

的结构如图13-4所示。

这种过滤设备是用钢筋

水泥筑成的主体，由冲洗水

箱、过滤室、集水室、进水装

置以及冲洗用的虹吸装置等

组成。

(2)设备运行。无阀滤池

运行时，浑水由进水槽1进入,

经过进水管2流入过滤室4,图13-4无阀滤池

然后通过滤层除掉浑水中悬

1一进水槽；2—进水管；3一档板；4一过滤室；

浮杂质，成为清水汇集到下部

5一集水室；6—冲洗水箱；7一虹吸上升管；8一虹吸下降管;

集水室此清水再由连通管

5,9一虹吸辅助管；10—抽气管；11一虹吸破坏管；

进入上部冲洗水箱当水箱

6,12—锥形挡板；13—水封槽；14一排水井；15一排水管

充满水后，澄清的水便经出水

漏斗送出。

随着运行时间的增长，滤层的阻力逐渐增大。虹吸上升管7中的水面也随之升高，当

水面上升到虹吸辅助管9的管口时，水立即从此管中急剧下降。这时主虹吸管(包括51吸

上升管7和虹吸下降管8)中的空气，便通过抽气管10抽走，管中产生负压，使虹吸上升

管和下降管中的水面同时上升，当两管水面上升达到汇合时，便形成了虹吸作用。这时，

冲洗水箱的水，便沿着与过滤时相反的方向从下而上的经过滤层，形成

自动反洗。这样，冲洗水箱的水位便下降，当水位降到虹吸破坏管11的管口以下时，空

气便进入虹吸管内，虹吸作用遭到破坏，虹吸上升管的水位下降，反洗过程自动停止，过

滤又重新开始。

经过机械过滤器或无阀滤池处理后的水，可以使出水中的悬浮物含量达到5毫克/升以下。

第三章水的除盐处理

第一节离子交换树脂

水中能电离的杂质可用离子交换法除掉，这种方法是用离子交换剂进行的。离子交换

剂包括天然沸石、人造铝硅酸钠、磺化煤和离子交换树脂等四类，其中离子交换树脂在水

处理中应用得比较广泛。因此，在讨论离子交换法前，先对离子交换树脂的结构和性质做

一些介绍。

一、树脂的结构

离子交换树脂是一种不溶于水的高分子化合物，外观上是一些直径为0.3~1.2毫米的淡黄

色或咖啡色的小球。微观上是一种立体网状结构的骨架；骨架上联结着交换基团，交换基

团中含有能解离的离子，图13-5是一种离子交换树脂的结构示意图。下面简单的介绍树

脂网状结构的孔隙和交换基团。

HHH

n

HvZHH

、咫«H

H/ft/HW)

图13-5H型离子交换树脂结构示意

1.树脂孔隙。树脂内部的网架形成树脂中许多类似毛细孔状的沟道，即树脂的孔隙。

实际上这些孔隙非常小，一般常用树脂的孔隙直径为20~40埃（1埃二IO'厘米），而且同一

颗粒内的孔隙也是不均匀的。孔隙中充满着水分子，这些水分子也是树脂孔隙的一个组成

部分。水和交换基团解离下来的离子组成浓度很高的溶液，离子交换作用就是在这样溶液

条件下进行的。

树脂孔隙的大小，对离子交换运动有很大影响，孔隙小不利于离子交换运动，以致半

径大的离子不能进入树脂内，也就不能发生交换作用。

树脂网状骨架部分不溶于水，在交换反应时也是不变的，一般用英文树脂的第一个字

母R来表示不变的这一部分。

2.交换基团。交换基团是由能解离的阳离子（或阴离子）和联结在骨架上的阴离子（或

阳离子）组成。例如，磺酸基交换基团一SO,H+,季胺基交换基团一N（CH3）；OH一等，其

中H+或OFT是能解离的并在反应中发生交换的离子；一SO3或一N（CH3）+是联结在骨架

上的离子，即R—SO三或R—NSHT,它们在反应中是不变的。

在书写某种离子交换树脂时，一般只写出树脂骨架符号R和交换基团中能解离的离子

本身符号，如RH或R0H等。

二、树脂的分类

离子交换树脂的分类，一般按交换基团能解离的离子种类分为阳离子交换树脂和阴离

子交换树脂。

1.阳离子交换树脂。交换基团能解离的离子是阳宸子的，叫做阳离子交换树脂。在

使用时通常是游离酸型即RH型，而且各种RH解离出H'能力的大小不同。所以，其中又分

为强酸性阳离子交换树脂和弱酸性阳离子交换树脂。

2.阴离子交换树脂。交换基团能解离的离子是阴度子的，叫做阴离子交换树脂。使

用时通常是游离碱型即R0H型，而且各种R0H解离出0H能力的大小不同。所以，其中又

分为强碱性阴离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。

3.此外，离子交换树脂按其孔隙结构上的差异，又有大孔型树脂和凝胶型(或微孔型)

之分。目前生产一种孔隙直径为2001000埃的树脂，称为大孔树脂；而把一般孔径在40

埃以下的树脂，称为凝胶型树脂。

三、物理性质

离子交换树脂的物理性质很多，下面只介绍常见的几种。

1.粒度。树脂颗粒的大小，对树脂的交换速度、树脂层中水流分布的均匀程度,水

通过树脂层的压力降和反洗时树脂的流失等，都有很大影响。树脂颗粒大，离子交换速度

小；颗粒小，水流阻力大，而且反洗时容易发生树脂流失。因此，颗粒的大小应适当，常

用的树脂颗粒为20~40目，国产离子交换树脂的颗粒为16~50目(粒径为1.2~0.3毫米)。

2.比重。树脂的比重对树脂的用量计算和混合床使用树脂的选择很重要。树脂比重

的表示有以下几种：

(1)干真比重。干真比重就是树脂在干燥状态下其本身的比重。

干直比重-干树脂的重量

一=干树脂的体积

此处所指的干树脂的体积，既不包括颗粒与颗粒之间的空隙，也不包括树脂本身的网

架孔隙。测干树脂体积时是将一定重量的干树脂，浸入某种不使树脂膨胀的液体(如甲苯)

中，测量其排出液体的体积，此体积即为该一定重量干树脂的体积。干真比重一般为1.6

左右。

(2)湿真比重。湿真比重是树脂在水中经过充分膨胀后，树脂颗粒的比重。

湿真比重一湿树脂的重量

湿树脂的体积

这里的湿树脂体积是指颗粒在湿状态下的体积，包括颗粒中的网孔，但不包括颗粒与

颗粒之间的空隙。湿真比重决定了树脂在水中的沉降速度。因此，树脂的湿真比重对树脂

的反洗强度和混床再生前树脂的分层有很大影响。湿真比重一般为1.04~1.3左右。

(3)湿视比重。湿视比重是指树脂在水中充分膨胀时的堆积比重。

湿神比.二湿树脂的重量

视重一湿树脂的堆积体积

湿视比重用来计算交换器内装入一定体积树脂时，所需湿树脂的重量。湿视比重一般

为。为0.85o

3.溶胀性。树脂的溶胀性是指树脂由干态变为湿态，或者由一种离子型转换成为另

一种离子型时，所发生的体积变化。前者称为绝对溶胀，后者称为体积溶胀。

4.树脂绝对溶胀度的大小与合成树脂用的二乙烯苯的数量有关。同一种树脂如果浸

入不同浓度的电解质溶液中，其溶胀度也不同；溶液浓度小，其溶胀度大；溶液浓度大，

其溶胀度就小。

因此，当把干树脂开始湿润时，不宜用纯水浸泡，一般饱和和食盐水浸泡，以防止树

脂因溶胀过大而碎裂。

树脂体积溶胀度的大小与可交换离子的水合离子半径大小有关，树脂内可交换离子的

水合离子半径越大，其溶胀度越大。

由于树脂转型时其体积发生变化，所以转型前后两种树脂的湿真比重也随之发生变

化。当转型后的树脂体积增大时，其湿直比重减小；当转型后的树脂体积缩小时，其湿真

比重增大。这一性质在混床树脂分层时作用很大。

由于树脂转型时发生体积变化，也能使树脂在交换和再生过程中发生多次胀、缩，致

使树脂颗粒破碎。从这种情况来看，应尽量减少树脂的再生次数，延长使用时间。

5.机械强度。树脂的机械强度是指树脂经过球磨或溶胀后，裂球增加的百分数。

机械强度好的树脂，应呈均匀的球形，没有内部裂纹，有良好的抗机械压缩性以及很

低的脆性，在失效和再生时具有足够的抗裂能力。

6.耐热性。各种树脂所能承受的温度有一定的最高极限，超过这个限度树脂就会发

生迅速降解，交换容量降低，使用寿命减少。

一般阳树脂可耐100℃左右，阴树脂中强碱性树脂可耐60℃左右，弱碱性树脂可耐80℃

左右。此外，盐型树脂比氢型或氢氧型树脂耐热性好些。

四、化学性质

离子交换树脂的化学性质有：离子交换、催化、络盐形成等。其中用于电厂水处理的,

主要是利用它的离子交换性质。所以，这里仅介绍离子交换反应的可逆性、选择性和表示

交换能力大小的交换容量。

1.离子交换反应的可逆性。当离子交换树脂遇到水中的离子时，能发生离子交换反

应。反应结果，树脂的骨架不变，只是树脂中交换基团上能解离的离子与水中带同种电荷

的离子发生交换。例如，用8$左右的食盐水，通过RH树脂后，出水中的H'浓度增加，Na'

浓度减小。这说明食盐水通过RH树脂时，树脂中的H'进入水中，食盐水中的Na'交换到树

脂上。这一反应为：

RH+NaClTRNa+HCI

或RH+Na'->RNa+H+

如果用4$左右的盐酸通过已经变成RNa的树脂后，出水中的Na.浓度增加，H'浓度减

小。说明树脂中的Na,进入水中，而盐酸中的交换到树脂上。这一反应为：

RNa+HCI->RH+NaCI

或RNa+H'TRH+Na*

对照两个反应我们知道：离子交换反应是可逆的。这种可逆反应，可用可逆反应式表

示：

RH+NaCIRNa+HCI

或RH+Na'q今RNa+H'

2.离子交换反应的选择性。这种选择性是指树脂对水中某种离子所显示的优先交换

或吸着的性能。

同种交换剂对水中不同离子选择性的大小，与水中离子的水合半