水的沉淀软化

1. 什么叫水的沉淀软化法？有哪些方法？
   把天然水中的钙、镁离子转变成难溶化合物，使其沉淀出来，以降低水硬度的过程，称为水的沉淀软化。
   沉淀软化有两种方法：一种是热力软化法；一种是化学软化法。
   (1)热力软化法
   热力软化法就是将水加热到100℃(或以上)煮沸。此时水中的“暂时硬度”会从水中沉积出来，形成沉淀而除去。
   热力法只能将水中的“暂时硬度”基本除去(不可能全除去，因为生成CaCO3和Mg(OH)2还有一定的溶解度)，不能除去水中的非碳酸盐硬度，因此经这样处理的水，不能满足锅炉对用水质量的要求，而且本方法用蒸汽加热，耗能大，经济性差，一般很少采用。
   (2)化学软化法
   化学软化法也称药剂软化法。是向水中投加化学药剂，使钙、镁离子生成难溶化合物而沉淀。由于在化学软化法中常用的药品是石灰(CaO)，纯碱(Na2CO3)，苛性钠(NaOH)，磷酸三钠(Na3PO4)等；可以根据原水水质和处理后不同水质的要求，选择一种药剂或几种药剂同时使用，如石灰法、石灰苏打法等。
   化学软化法适于低压(不超过1.5MPa)无水冷壁锅炉的给水，工业生产过程的循环冷却水和工业洗涤水等的用水处理；对某些水碳酸盐硬度较高的水进行的“脱碱”处理。
   化学软化法操作人员劳动强度大，劳动条件差，并会发生由于处理药剂纯度低而带来的设备堵塞或磨损等问题。
   
2. 什么叫石灰软化法？其出水水质是怎样的？
   石灰软化法是指将石灰乳加入水中，与水中的硬度成分碳酸化合物起反应、生成难溶的碱性物质。使其沉淀析出，达到软化的目的的方法。
   经石灰处理后，水中过剩OH-含量在0.1-0.2mmol/L范围内，水中碳酸盐硬度大部分被除掉，残留碳酸盐硬度可降至0.51.0mmol/L，残余碱度在0.8-1.2mmol/L，有机物去除25%左右，硅化物去除30%-35%，铁残留量可达0.1mg/L。
3. 石灰软化法的工作原理是什么？
   石灰软化过程包括下述几个反应：
   Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O
   Ca(OH)2+Ca(HCO3)2→2CaCO3↓+2H2O
   2Ca(OH)2+Mg(HCO3)2→2CaCO3↓+Mg(OH)2↓+2H2O
   上面的这些反应，实际上就是碳酸平衡中HCO3-向生成CO23-方向的移动。因此在石灰软化处理中，由于HCO3-被破坏，降低了原水碱度；同时从水中除去钙、镁离子硬度和游离二氧化碳，降低了原水的硬度。
   用石灰软化法不能除去水中的非碳酸盐硬度：因为，镁的非碳酸盐硬度虽然与石灰作用生成Mg(OH)2，但同时也生成“等摩尔量”的钙非碳酸盐硬度。
   因此，石灰软化主要用于去除水中的碳酸盐硬度和碱度，故多用于碳酸盐硬度较高，非碳酸盐硬度较低，不需要深化软化；也用于需降低原水碱度的场合。
   
4. 在石灰软化处理中，石灰加入量应如何估算？
   当Hca>Hz时：CaO=28(Hz+CO2+Fe+K+a)，g/m3
   当Hca<Hz时：CaO=28(2Hz-Hca+CO2+Fe+K+a)，g/m3
   式中CaO--石灰投加量，g/m3；
   Hca--原水中钙硬度，mmol/L；
   Hz--原水中碳酸盐硬度，mmol/L；
   28--Ca的“化合质量”；
   CO2--原水中游离二氧化碳含量，mmol/L；
   Fe--原水的含铁量，mmol/L；
   K--混凝剂投加量，mmol/L；
   a--Ca(OH)2过剩量，一般取0.2-0.4mmol/L。
   
5. 如何制备合格的石灰料桨？
   要制备浓度稳定的石灰料浆应注意如下几点：
   ①选用纯度合格的石灰粉，通常要求CaO含量在85%以上。
   ②控制好进入消化器的石灰层厚度。石灰加料速度要均匀，不可过量或断料。
   ③调整好喷淋水，使水直接喷淋在消化室出口灰浆分离堰处，以防止石灰渣堆积而影响消化室的正常出料。
   ④调整好消化器加水量，注意使其不超过浆叶电机的负荷，并保持浆叶转动灵活。
   ⑤在料浆制备过程中，注意使浆液与石灰消化后的料渣分开，及时排出，以免料渣进入澄清池而影响正常运行。
   ⑥控制抽雾水的流量，以便及时排走石灰消化时放出的热气和石灰粉尘，净化环境。
6. 在进行石灰软化处理时应注意哪些问题？
   ①要保证石灰处理设备的正常运行，操作人员必须严格遵守操作规程和认真执行(电业安全工作规程)的有关规定。
   ②石灰浆液质量的好坏是保证石灰处理设备正常运行的重要因素之一。制浆系统中要加装分离装置(捕砂器)并精心制浆，尽量保证浆液中无石块、炭渣、砂粒和柴草等杂物。
   ③石灰搅拌器浆液入口处应装设铅丝滤网，以防石块等杂物进入搅拌器堵塞药泵。
   ④处理水温应控制在35℃±2℃(短期最低不低干20℃)，且波动幅度不宜过大，这是由于碳酸钙(CaCO3)和氢氧化镁[Mg(OH)2]均为负溶解系数，也即它们的溶解度是随温度的升高而下降。所以适宜提高水温可以加快反应速度；并使水的黏度降低，有利于获得好的沉淀效果。但水温过高，影响后续工序的设备运行，特别是离子交换树脂的运行。但水温太低则随水的黏度的增加，水中CO23-碱度会增加，沉淀物溶解度增加，使沉淀效果不好。
   ⑤石灰过剩量应适当高一些，这时提高沉淀效果，降低水中CO23-碱度都有利，但石灰过剩量过高，则可能使澄清水的硬度增大，使离子交换设备的负担增大，并增加了药耗。
   ⑥水中悬浮物浓度应<20mg/L。
   
7. 为什么石灰处理常与混凝处理同时进行？
   石灰处理常常与混凝处理同时进行有下面两个原因：
   ①混凝处理有利于沉淀过程的进行。众所周知，石灰处理可以将水中的Ca2+、Mg2+分别转变为CaCO3和Mg(OH)2等难溶于水的物质，从水中沉淀出来。
   然而，由于种种原因，这些沉淀物常常不能形成大颗粒物，有些则呈胶体状态悬浮于水中。当水中有有机物存在时，有机物微粒则会吸附在这些胶体颗粒上，形成“双电层”，从而使沉淀物胶体不能聚合成大颗粒物沉淀下来。
   当石灰处理与混凝处理同时进行时，混凝剂聚合氯化铝可以从水中除去某些对沉淀过程有害的有机物，有利于沉淀物的析出。同时混凝处理所形成的凝絮也可以吸附石灰形成的胶体共同沉淀。可见上述的混凝过程有利于石灰处理。
   ②石灰处理为混凝过程创造适宜的pH值。石灰处理中使用的混凝剂多为铁盐(例如硫酸亚铁FeSO4)，而铁盐使用的适宜pH值在8.5以上，这样有利于将Fe2+氧化为Fe3+，提高混凝效果，而石灰处理过程恰好可以提高水的pH值，有利于将亚铁盐氧化为铁盐，絮体形成迅速，稳定，混凝效果较好。
   基于上述原因，通常将石灰处理与混凝处理放在一起进行。
8. 什么叫“沉淀后移”现象？有什么危害？
   由于混凝工序特别是石灰软化运行不稳，致使水中析出的凝絮或结晶等沉淀物不能在澄清池中完全沉淀下来，而是被带出澄清池(俗称“跑白水”)，在工艺流程的其他地方沉积下来，这种现象被称为“沉淀后移”。
   “沉淀后移”易产生“白色污染”；当“白水，进入砂滤池中时，凝絮或结晶就会沉积在滤砂表面，使砂粒增大，影响过滤效果；当“白水”进入离子交换床时，凝絮或结晶会包复在树脂表面，使离子交换过程受到限制；如果凝絮以离子形成(多为Al3+)进入离子交换器时，由于其与树脂的交换基团有很强的吸附，而被紧紧地固定在交换位置上，用再生剂溶液也很难去除，这样树脂的交换位置就会不断减少，其工作交换容量也随之降低。
   白色结晶多为碳酸钙(CaCO3)，当这些杂质包覆在树脂表面上时，由于运行中不断产生溶解，会使交换器产生Ca2+过早漏泄，而影响离子交换器的出水水质。
   
9. 为什么会发生“沉淀后移”的现象？
   从生产实践上，生产工艺运行时，pH值控制不当是发生“沉淀后移”的重要原因之一。
   ①对正在进行石灰软化的水而言，水中各化合物间存在一个平衡关系：H2CO3→←H+HCO3-→←2H+ +CO23-
   从平衡关系可以看出：当处理水pH值过低时，化学反应从右向左进行，由于反应向着CaCO3产生溶解的方向进行，因而水中的CaCO3处于不饱和状态，出水不易产生“沉淀后移”的情况，但由于有CO2的生成，使水具有腐蚀性。
   当处理水的pH值过高时，沉淀反应完全、充分。但由于水中CaCO3处于过饱和状态，稍有不慎。即可能出现“沉淀后移”的情况。
   所以严格控制石灰软化水的pH值，并保持稳定，是防止石灰软化工艺出现“沉淀后移”的重要控制条件之一。
   ②使用铝盐Al2(SO4)3做混凝剂时，其最佳混凝效果的pH值为5.5-7.5，pH值过高或过低都会使其产生溶解而影响混凝效果。
   同时由于Al2(SO4)，为强酸弱碱盐，它的水解会增加水的酸度，对混凝效果有影响，所以当处理水的pH值较低时，可人为地向水中投加碱(例如石灰)来提高水的pH值。当工艺pH值控制不当而使处理水pH值较高(例如超过8.5时)，会产生下述反应：
   Al(OH)3+OH- →AlO2- +2H2O
   上述反应的结果使澄清水中带有大量溶解性铝。
   当澄清水的pH值降低时，上述化学反应向左进行，水的铝酸盐又会水解成溶解度很低的氢氧化铝，从而在后续工序例如砂滤池或离子交换床中产生黏性很强的“铝垢”。
   因此控制混凝工序的pH值是避免澄清水产生“沉淀后移”的重要条件之一。
   
10. 如何防止“沉淀后移”现象的发生？
    为防止:“沉淀后移”现象的发生，应注意以下几个问题。
    (1)严格控制运行pH值。
    ①对石灰软化工艺而言，可按照氢氧根规范控制。一般出水的OH-控制在0.2-0.4mmol/L之间，这样会使CaCO3和Mg(OH)2沉淀，减轻碳酸盐带入锅炉分解出CO2造成的酸性腐蚀，也可以避免“沉淀后移”现象的发生。
    ②采用Al2(SO4)3做混凝剂时，为保证混凝效果，防止“沉淀后移”的发生，其适宜pH值应控制在5.5-7.5之间，最佳pH值为6.0-6.5。
    (2)石灰软化工艺宜采用铁盐(通常可采用硫酸亚铁FeSO4)做混凝剂。
    (3)澄清装置应保持稳定的加药计量和出水水质。运行负荷无幅度波动，运行水温应稳定。
    (4)如进入澄清装置的水中带有空气，宜先分离后再送入。同时还应清除因加药系统吸气而使药液带气的异常。
    (5)澄清装置内应保持较高的泥渣层，以提高澄清效果，泥渣层高度通常应维持在反应区上部和过渡区之间，并保持稳定。
    (6)当澄清装置由低负荷转入高负荷运行时，为防止泥渣层突然上升至出水区，除需逐渐加大负荷外，还应适当开大排泥门，保持泥渣层有适宜的高度。
    
11. 石灰-纯碱软化处理的工作原理是什么？
    对于硬度高而碱度较低的原水，可采用石灰-纯碱软化处理。即：用石灰除去水中的碳酸盐硬度，用纯碱Na2CO3除去非碳酸盐硬度。这种处理方法是向水中同时投加石灰和纯碱，所以称为石灰-纯碱处理。在这里，石灰主要与水中的CO2和碳酸盐硬度反应，纯碱则与非碳酸盐硬度发生如下化学反应：
    CaSO4+Na2CO3→+CaCO3↓+Na2SO4
    CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaCl
    MgSO4+Na2CO3→MgCO3+Na2SO4
    MgCl2+Na2CO3→MgCO3+2NaCl
    水中生成的MgCO3与Ca(OH)2作用，发生下述反应：
    MgCO3+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓
    
12. 在石灰-纯碱软化处理中，其加药量应如何估算？
    ①石灰用量的估算：[CaO]=28/ε1{[CO2]+A总+Hmg+a}，mg/L
    ②纯碱用量的估算：[Na2CO3]=53/ε2(H非+β)，mg/L
    式中 [CO2]--水中CO2含量，mmol/L；ε1--工业石灰的纯度；A总--水中总碱度，mmol/L；Hmg--水中镁硬度，mmol/L；a--石灰过剩量，一般为0.2-0.4，mmol/L；ε2--工业纯碱的纯度；H非--水中非碳酸盐硬度，mmol/L；β--纯碱过剩量，一般为1.0-1.4，mmol/L。
13. 石灰-纯碱软化处理后的出水水质是怎样的？
    表2-7给出了石灰-纯碱处理后的“软水”水质。从表中可以看出，增加石灰、纯碱的投入量，可以使水中残留的总硬度进一步降低。。这是因为由于水中OH-含量有明显增加，使更多的镁硬以Mg(OH)2形式沉淀的缘故，但由于大量石灰中的Ca2+消耗了CO23-，使CaCO3有形成过饱和溶液的倾向，也给后续处理带来一定问题。

    石灰-纯碱处理后水质 mmol/L 表2-7

    项目		原水	石灰-纯碱处理
    			冷法	热法
    总硬度		3.2	1.38	1.04
    Ca2+		2.2	0.48	0.48
    Mg2+		1.0	0.9	0.56
    酚酞碱度		0	0.44	1.20
    总碱度		2.6	1.22	1.64
    pH		7-8	8.3-9.5	＞10
    SO24-		1.0	1.0	1.0
    cl-		1.0	1.0	1.0
    备注	石灰加入量	0	1.96	3.12
    	纯碱加入量	0	0.44	1.28

    石灰-纯碱法在不同温度下处理后水质 mmol/L 表2-8

    项目	原水	石灰-纯碱处理
    		冷法	热法
    总硬度	5	1.6	0.24
    Ca2+	3	0.7	0.16
    Mg2+	2	0.9	0.08
    酚酞碱度	0	0.74	0.38
    总碱度	3	1.1	0.5
    pH	7.5	10.6	10.4

14. 什么叫镁剂除硅？
    硅化物在天然水中含量较少(几个mg/L--几十个mg/L),多以离子或分子状态的胶体存在。在pH值增高时能转变成真溶液。硅的化合物在高压锅炉中，易于形成铝、铁和钙的盐类，沉积在热强度高的水冷壁受热面上，结成水垢。分子状态的二氧化硅SiO2又容易被高压蒸汽选携性携带出高压锅炉，造成蒸汽通路或在汽轮机叶片上沉积形成坚硬的水垢，降低汽轮机的出力。为了防止二氧化硅在中、高压锅炉和汽轮机中的危害，必须对锅炉补给水进行不同程度的除硅。
    利用镁药剂除去补给水中硅化物(主要是胶体硅)的方法称为镁剂除硅。
    
15. 在使用镁剂时应注意什么？
    经常用于除硅的镁剂有菱苦土和白云灰。菱苦土的主要成分是MgO；白云灰的主要成分为MgO·CaO。当用于除硅时，单使用白云灰，其中的MgO含量往往不足，此时应搭配菱苦土配合使用。
    在使用镁剂时应注意以下问题：
    ①菱苦土具有很强的吸湿性，应注意保存。
    ②菱苦土对机械的磨损较大，在选用设备(例泵)时应注意设备的材质和参数(例泵的转数)。
    ③菱苦土可以用干法加入，也可以用湿法加入。湿法加药时应将菱苦土加水搅拌成乳状液，进行计量加药。
    ④如果水质变化不大，可将石灰和菱苦土按一定加药比例在一个搅拌箱中本配制成乳状液同时加入；变化较大时，应将石灰和菱苦土分别加入，以便调节加药量。
    ⑤为了防止搅拌流速过低而造成的药剂沉积，堵塞加药管道或泵的问题，采用水力搅拌时，循环泵的流速，对菱苦土应不小于26m/h，石灰搅拌不小于29m/h。
    
16. 什么叫钙化-镁剂除硅？有什么特点？
    将石灰处理，镁剂除硅和混凝处理同时在一个容器中进行的工艺，统称为钙化-镁剂除硅工艺。
    将三个工艺过程放在一起进行，不仅可以充分利用设备，而且三个过程还能互相创造有利条件，提高处理效果：当pH值在8-10时，硫酸亚铁FeSO4水解速度最快，石灰处理可以为FeSO4的水解提供适宜的pH值；同时，由于石灰处理创造的pH条件，为镁剂MgO的水解提供了有利条件：pH在10左右时，MgO可以较快地形成氢氧化镁；混凝剂水解形成的氢氧化铁絮状物，具有较大的活性表面，能吸附水中的有机物、色素等。并可加速CaCO3的结晶，还能黏附水中悬浮物，形成沉渣，这又给氢氧化镁更好地吸附水中的硅酸，特别是胶体二氧化硅创造了条件。而形成的沉渣，又利于水中悬浮物的接触混凝，加速其从水中析出。
    由于联合理工艺的合理性，使其在原水中胶体硅含量较高时、高压锅炉，作补给水的预处理中有一定的应用。
    但钙化-镁剂除硅有工艺系统复杂，设备庞大，操作条件不好，劳动强度大等间题。
    
17. 钙化-镁剂处理中，其加药量应如何估算？
    ①采用菱苦土和石灰处理：
    菱苦土用量={PmgO*[SiO23-]-Hmg*20.16}*1/C，g/m3
    石灰用量=28(Hz+Hmg+CO2+Fe+K+2)，g/m3
    ②采用白云灰和石灰处理：
    白云灰加入量={Pmgo+[SiO23-]-Hmg*20.16}*1/C，g/m3
    石灰加入量=28(Hz+Hmg+CO2+Fe+K+a)-Rb*Ccao，g/m3
    ③采用白云灰与菱苦土同时处理：
    白云灰用量=28/Ccao(Hz+Hmg+CO2+Fe+K+a)，g/m3
    菱苦土用量={Pmgo*[SiO23-]-Hmg*20.16-Rb*C`}1/C，g/m3
    式中 Pmgo--除1mgSiO23-所需MgOmg数；一般为10-15mg/mgSiO23-；
    [SiO23-]--被处理水中SiO23-含量，mg/L；
    Hz--原水中碳酸盐硬度，mmol/L；
    Hmg--原水中镁离子含量，mmol/L；
    CO2--原水中游离CO2含量，mmol/L；
    Fe--原水中含铁量，mmol/L；
    K--原水中混凝剂含量，mmol/L；
    a--原水中Ca(OH)2过剩量，一般为0.2-0.4mmol/L；
    RB--白云灰加药量，g/m3；
    C--菱苦土中MgO的纯度，%；
    C'--白云灰中MgO的纯度，%；
    Ccao--白云灰中CaO的纯度，%。
    
18. 钙化-镁剂除硅处理后的水质是怎样的？
    经钙化-镁剂除硅处理后的水质：
    碳酸盐硬度：0.7-1.0mmol/L
    硅酸化合物(SiO23-)：1.0-1.5mg/L
    铁<0.1mg/L
    有机物可除掉60%-80%
    出水悬浮物<20mg/L(一般在10mg/L以下)
    出水pH=10.0-10.5
19. 影响镁剂除硅效果的因素有哪些？
    ①水的pH值。水的pH值过低，会使加入的MgO与水中的HCO3-，游离CO2等反应而消耗镁。同时是硅酸电离成HSiO3-的量减少，HSiO3与OH-的交换量下降，除硅效果变差。如果水的pH值过高，则会使大量的OH-压缩到Mg(OH)2胶粒的吸附层中，使胶粒的带电量减少，除硅效率降低。
    镁剂的硅的适宜pH范围为10.0-10.3。
    ②水温与接触时间。温度是保证除硅效果的重要因素，水温在20-40℃之间，提高温度可以提高除硅效果(40℃时水中残留SiO2可在1mg/L以下)。水温超过40℃时，对除硅效果影响不大。
    所以在进行镁剂除硅时，常用温度为35-40℃，接触时间一般为1h。
    ③原水水质，原水硬度高，对镁剂除硅有利。因为当碳酸盐硬度高时，生成的沉淀物多，有利于沉淀过程：由于Mg(OH)2胶粒也能吸附CO23-，非碳酸硬度高时，水中残留CO23-含量减少，则HSiO3-更易于被吸附；当原水中有机物较多时，能阻碍沉淀物结晶，不利于除硅，此时可适当增加混凝剂聚合氯化铝投加量，例当原水耗氧量大于20mg/L时，用FeSO4·7H2O做混凝剂时，加药剂量可大于0. 5mmol/L。

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