电厂化学专业培训教材

..第一章化学在火力发电厂的作用第一节水在火力发电厂中的作用热力发电就是利用热能转变为机械能进行发电。现在我国用得比较普遍的热能来自各种燃料的化学能,此种发电称为火力发电。本书以火力发电为主,对其用水质量的处理加以探讨。在火力发电厂中,水进入锅炉后,吸收燃料〔煤、油或天然气燃烧放出的热能,转变成蒸汽、导入汽轮机；在汽轮机中,蒸汽的热能转变成机械能；汽轮机带动发电机,将机械能转变成电能。所以锅炉和汽轮机为火力发电的主要设备。为了保证它们正常运行,对锅炉用水的质量有很严的要求,而且机组中蒸汽的参数愈高,对其要求也愈严。在凝汽式发电厂中,水汽呈循环状运行。锅炉产生的蒸汽经汽轮机后进入凝汽器,在这里它被冷却成凝结水,此凝结水经泵送到低压加热器,加热后送入除氧器,再由给水泵将已除氧的水送到高压加热器后进入锅炉。图1－1所示就是这类发电厂水汽系统的主要流程。图1－1凝汽式发电厂水汽循环系统主要流程1一锅炉j2一汽轮机；3一发电机；4一凝汽器；5一凝结水泵；6一冷却水泵；7一低压加热器；8一除氧器；9一给水泵；10一高压加热器；11一水处理设备在上述系统中,汽水的流动虽呈循环状,但这是主流,并非全部,在实际运行中总不免有些损失。造成汽水损失的主要原因有如下几个方面：〔1锅炉部分。锅炉的排污放水,锅炉安全门和过热器放汽门的向外排汽,用蒸汽推动附属机械〔如汽动给水泵,蒸汽吹灰和燃烧液体燃料〔如油等时采用蒸汽雾化法等,都要造成汽水损失。〔2汽轮机机组。汽轮机的轴封处要连续向外排汽,在抽气器和除氧器排气口处会随空气排出一些蒸汽,造成损失。〔3各种水箱。各种水箱伯疏水箱等有溢流和热水的蒸发等损失。〔4管道系统。各管道系统法兰盘连接处不严密和阀门漏泄等原因,也会造成汽水损失。‘’为了维持发电厂热力系统的水汽循环运行正常,。就要用水补充这些损失这部分水称为补给水。"凝汽式发电厂在正常运行情况下,补给水量不超过锅炉额定蒸发量的2％~4％。例如额定蒸发量每小时为100t蒸汽的锅炉。其补给水量每小时不超过2-4t。第二节火力发电厂中水处理的重要性长期的实践使人们认识到,热力系统中水的品质,是影响发电厂热力设备〔锅炉、汽轮机等安全、经济运行的重要因素之一。没有经过净化处理的天然水含有许多杂质,这种水如进入水汽循环系统,将会造成各种危害。为了保证热力系统中有良好的水质,必须对水进行适当的净化处理和严格地监督汽水质量。现将热力发电厂中。,由于汽水品质不良而引起的危害,简述如下：〔1热力设备的结垢。如果进入锅炉或其他热交换器的水质不良,则经过一段时间运行后,在和水接触的受热面上,会生成一些固体附着物,这种现象称为结垢,这些固体附着物称为水垢。因为金属的导热性比水垢的高几百倍,而这些水垢又极易在热负荷很高的锅炉炉管中生成,所以结垢对锅炉〔或热交换器。的危害性很大。它可使结垢部位的金属管壁温度过高,引起金属强度下降,这样在管内压力的作用下,就会发生管道局部变形、产生鼓包,甚至引起爆管等严重事故。结垢不仅危害安全运行。而且还会大大降低发电厂的经济性。例如,火力发电厂锅炉的省煤器中,结有lmm厚的水垢时,燃料用量就比原来的多消耗1.5％～2.0％。由于发电厂锅炉的容量一般都很大,每年使用的燃料量也很大<60万的机组煤耗为150-160万吨/年,所以燃料的消耗率虽只有微小的增加,却会给电厂造成巨额的经济损失。另外,在汽轮机凝汽器内结垢会导致凝汽器真空度降低,从而使汽轮机的热效率和出力下降。加热器的结垢会使水的加热温度达不到设计值,使整个热力系统的经济性降低。而且,热力设备结垢以后。必须及时进行清洗工作,这就要停止运行,减少了设备的年利用小时数,此外,还要增加检修工作量和费用等。〔2热力设备的腐蚀。发电厂热力设备的金属经常和水接触,若水质不良,则会引起金属腐蚀。热力发电厂的给水管道、各种加热器、。锅炉省煤器、水冷壁、过热器和汽轮机凝汽器等,。都会因水质不良而腐蚀。腐蚀不仅要缩短设备本身的使用期限,造成经济损失,而且金属腐蚀产物转入水中,使给水中翻增多,从而加剧在高热负荷受热面上的结垢过程,结成的垢又会加速锅炉炉管腐蚀。"此种恶性循环,会迅速导致爆管事故。此外,金属的腐蚀产物被蒸汽带到汽轮机中沉积下来后,也会严重地影响汽轮机的安全、经济运行。〔3过热器和汽轮机的积盐。水质不良会使锅炉不能产生高纯度的蒸汽,随蒸汽带出的杂质就会沉积在蒸汽通过的各个部位,如过热器和汽轮机,这种现象称为积盐。过热器管内积盐会引起金属管壁过热甚至爆管；汽轮机内积盐会大大降低汽轮机的出力和效率,特别是高温高压大容量汽轮机,它的高压部分蒸汽流通的截面积很小,所以少量的积盐也会大大增加蒸汽流通的阻力,使汽轮机的出力下降。当汽轮机积盐严重时,还会使推力轴承负荷增大,隔板弯曲,造成事故停机。火力发电厂化学工作就是为了保证火力系统各部分有良好的水汽品质,以防止热力设备的结垢、积盐和腐蚀。因此,在火力发电厂中,化学工作对保证发电厂的安全、经济运行具有十分重要的意义。火力发电厂的化学工作者,应主持或参与以下这些工作：〔1净化原水,制备力系统所需质量的补给水。它包括除去天然水中的悬浮物和胶体状态杂质的澄清、过滤等处理；除去水中溶解的钙、镁离子的软化处理；或除去水中全部溶解盐类的除盐处理。这些制备补给水的处理,通常称为炉外水处理。〔2对给水进行除氧、加药等处理。〔3对汽包锅炉进行锅炉水的加药处理和排污,这些工作称为锅内水处理。〔4对直流锅炉机组或某些亚临界压力、汽包锅．炉机组进行凝结水的净化处理。〔5在热电厂中,对生产返回水进行除油、除铁等净化处理。〔6对冷却水进行防垢、防腐和防止有机附着物等处理。〔7对热力系统各部分的汽水质量进行监督。此外,化学清洗热力设备以及机炉停运期间的保养工作,化学有直接关系,也应列入水处理工作。第三节岱海一期2×600MW机组主要参数1．锅炉锅炉是北京巴布科克·威尔科克斯生产的亚临界、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、全封闭布置、自然循环单汽包燃煤锅炉,其主要参数：主蒸汽流量：2028．4t/h给水温度：280．3℃给水压力：17．5MPa过热蒸汽温度：541℃过热蒸汽压力：17．5MPa再热蒸汽出口温度：541℃再热蒸汽出口压力：3．3MPa2．汽轮机汽轮机是上海汽轮机厂生产的一次中间再热、单轴、四缸。四排汽、双背压凝汽式汽轮机,其主要参数如下：主汽门前蒸汽压力：16．70MPa主汽门前蒸汽温度：538℃额定进汽量：1757．223t/h3．发电机制造厂家：上海汽轮机厂额定功率：600MW冷却方式：氢冷第四节岱海一期2×600MW机组原水水质全分析报告项目名称单位#1#2#3阳离子K++Na+mg/L103.62101.40101.81Ca2+mg/L36.138.527.3Mg2+mg/L30.126.827.2Fe2+mg/L00.010.02Fe3+mg/L0.120.060.07Al3+mg/L000NH4+mg/L000.03Mn2+mg/L<0.002<0.002<0.002Sr2+mg/L0.1120.1260.102∑mg/L197.05166.89156.54项目名称单位#1#2#3阴离子CL-mg/L19.020.043.5SO42-mg/L31.028.054.0CO32-mg/L000HCO3-mg/L256.28231.88286.79NO2-mg/L00.0070.026NO3-mg/L11.0811.067.27F-mg/L0.680.650.58PO43-mg/L0.0320.0330.036S2-mg/L0.880.790.84∑mg/L318.04291.59404.14总固体mg/L312301414溶解固形物mg/L295292400悬浮性固体mg/L17914电导率410400520总硬度mg/L<CaCO3>214.2198.2180.2碳酸盐硬度mg/L<CaCO3>210.2190.2180.2总碱度mg/L<CaCO3>210.17190.15255.20酚酞碱度mg/L<CaCO3>0020.20甲基橙碱度mg/L<CaCO3>210.17190.15235.19PH7.867.858.14游离二氧化碳mg/L35.2025.0828.50全硅mg/L19.0817.8017.82CODmg/L2.0100第五节化学系统名词解释1、原水原水是指未经任何处理的天然水〔如江河、湖、地下水等,也称为生水,它是热力发电厂中各种用水的来源。2、锅炉补给水原水经过各种方法净化处理后,用来补充热力发电厂汽水循环系统汽水损失的水,称为锅炉补给水。锅炉补给水按其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、凝结水在汽轮机中做功后的蒸汽经凝汽器冷凝成的水,称为凝结水。4、疏水各种蒸汽管道和用汽设备中的蒸汽冷凝水,称为疏水。它经疏水器汇集到疏水箱或并入凝结水系统中。5、返回水热电厂向热用户供热后,回收的蒸汽冷凝水,称为返回水。返回水又有热网加热器冷凝水和生产返回冷凝水之分。6、给水送进锅炉的水称为给水。凝汽式发电厂的给水,主要由凝结水、补给水和各种疏水组成。热电厂的给水组成中,还包括返回水。7、锅炉水在锅炉本体的蒸发系统中循环流动着的水,称为锅炉水,习惯上简称炉水。8、冷却水用作冷却介质的水称为冷却水。在电厂中,它主要是指通过凝汽器用以冷却汽轮机排汽的水。9、内冷水对于水-氢-氢式发电机,内冷水指冷却发电机定子绕组的水。10、溶解固形物溶解固形物是指水中除溶解气体之外各种溶解物的总量。它除了包括全部阴、阳离子外,还应加上非离子态的二氧化硅、铁铝氧化物和有机物的的含量。11、含盐量含盐量表示水中溶解盐类的总和,它可通过水质全分析后将阴、阳离子全部相加而得。含盐量有两种表示方法：其一是摩尔表示法,即将水中各种阳离子〔或各种阴离子均按带一个电荷的离子为一个基本单元,计算其含量〔mmol/L,然后将它们全部相加；其二是重量表示法,即将水中各种阴阳离子的含量换算成mg/L,然后全部相加。12、碱度水的碱度是指水中含有能接受氢离子物质的量。天然水中碱度主要由重碳酸根所组成。酸度水的酸度是指水中含有能接受氢氧根离子的物质的量。可能形成酸度的物质有强酸,强酸弱碱盐、酸式盐和弱酸。13、硬度硬度是指天然水中多价阳离子的总浓度,对天然水来说主要是钙、镁离子,故水的硬度也就表示水中钙、镁离子之和。硬度可分为以下两种：1．碳酸盐硬度碳酸盐硬度是指水中钙、镁的碳酸氢盐、碳酸盐之和。但由于天然水中碳酸根的含量非常少,所以一般将碳酸盐硬度看作钙、镁的碳酸氢盐。碳酸盐硬度又被称作暂时硬度,这是由于水长时间煮沸后,水中重碳酸钙和重碳酸镁会分解产生碳酸钙和氢氧化镁沉淀,使碳酸盐硬度消失,所以被称作暂时硬度。2．非碳酸盐硬度水的总硬度和碳酸盐硬度之差是非碳酸盐硬度,它们是钙、镁的氯化物和硫酸盐等。它在水沸腾时不能被除去,所以又被称为永久硬度,其值近似等于非碳酸盐硬度。14、电导率在一定温度下,截面积为1平方厘米,相距为1厘米的两平行电极之间溶液的电导。衡量水中含盐量最简便和迅速的方法是测定水的电导率,因为组成天然水含盐量的主要物质为离子,而离子具有导电性。电导率的单位是S/m〔S称为西,表示西门子或us/cm。一般水质的电导率较小,电导率的常用单位是us/cm。实际测量中常用电导率表来测定。15、生物需氧量〔BOD生物需氧量表示用微生物氧化水中有机物所消耗的氧量。在氧化的第一阶段中,主要是有机物转化成二氧化碳、水和氨；第二阶段主要是氨转化成硝酸根和亚硝酸根。测定方法一般分为两种：BOD5和BOD21。目前常以20℃和黑暗条件下用微生物氧化有机物5天所需的氧量进行测定,以BOD5来表示。16、离子交换树脂离子交换树脂是本身带有活性基团的有机合成物质,由于其外形与松树分泌的树脂相象而得名。树脂在水中其本身带有的活性基团中的离子与水中同符号的离子进行交换,如H型强酸性离子交换树脂遇到含有Ca2+的水时,就会发生如下交换反应：2RH+Ca2+R2Ca+2H+交换的结果,水中Ca2+被吸附在树脂上,树脂原有的H+进入水中,水中Ca2+被除去。17、浓缩倍率循环水中盐类的浓度与补充水中盐类浓度之比称为循环水的浓缩倍率。此盐类浓度若以含盐量表示,则因在浓缩过程中可能有盐类析出,不能代表实际的浓缩情况,所以通常是按不易沉淀的Cl–〔或用SiO2作为标准浓度估算浓缩倍率：式中：——循环水中盐类的浓缩倍率；——分别为循环水和补充水中的Cl–浓度。18、极限碳酸盐硬度如果将循环水的补充水,在其工作温度下进行蒸发,则通常可以发现在其浓缩的初期水中碳酸盐硬度随着升高,但当达到某一极限值时,它便不再升高,而是停留在某一数值上。这个值称为此循环水在此温度下的极限碳酸盐硬度,其所以有一个极限是因为在此后的浓缩过程中有CaCO3沉淀物析出,水中碳酸盐硬度不再随着升高的关系。19、溶液一种物质分散在另一种物质之中的体系称做分散体系,均一的分散体系叫做溶液。溶液中被分散的物质叫做溶质,用以分散溶质的物质叫做溶剂,发生这种均匀分散的现象叫做溶解。水能溶解很多种物质,是最常用的溶剂,通常所说的溶液是指水溶液。除此之外,酒精、汽油等也可做溶剂。当两种溶液互相溶解而形成溶液时,一般情况下量多的一种叫溶剂,量少的叫溶质。还有一种体系是,被分散后的物质微粒是由较多的分子或离子所组成,由于它们的颗粒较小,肉眼观察不到,外观也表现为均一的透明状态,但在光线照射下,却能看见由这些颗粒所散射的光束,这种体系为胶体溶液。如果分散体系在水中的颗粒很大,甚至用肉眼都能观察出来的,从外观看它就是不均匀的,而且经过静置后,大部分分散物质会沉降下来,这种体系称之为悬浊液。20、浓度在水处理工作中,常常需要知道某溶液中含有溶质的量,或者要配制某种浓度的溶液。这些都涉及到溶质和溶剂的数量关系。所谓浓度就是指在一定量的溶剂或溶液里所含溶质的量。表示浓度的方法很多,如：〔1质量分数用溶质的质量占全部溶液的质量百分比来表示。在实际应用中,为了方便,有时将100毫升溶液中含有溶质的克数来表示百分浓度,这是重量比体积的百分浓度可写为A%〔质量/体积。〔2物质的量浓度在1升溶液中所含溶质的物质的量。其单位常以M表示。〔3用单位体积或单位质量溶液中含有溶质质量表示的浓度。在工业上有时用1升溶液中含有溶质的克数表示溶液的浓度〔相应的单位为克/升、毫克/升、微克/升。对于以水为溶剂的稀溶液每升的质量近似的等于1千克,所以,上述浓度单位和克/千克、毫克/千克、微克/千克可看作是相等的。ppm是指在一百万份质量的溶液中所含溶质质量的份数,它和毫克/千克的表示方法相同；ppb是表示在十亿份质量溶液中所含溶液的质量份数,它可看成是微克/千克。21、电离〔1电解质：在水溶液中或在加热熔融状态下能导电的物质。〔2电离：电解质溶于水后,在水分子作用下,解离为带正电的和带负电的离子,它们能在水中自由移动,这种过程叫做电离。〔3电离平衡：电解质可分为强电解质和弱电解质。强电解质在溶液中几乎能完全电离成离子；而弱电解质在溶液中只有部分电离,并且有可逆的过程。弱电解质这种电离的正向速度等于其逆向速度的状态称为电离平衡。〔4水的pH值：水是一种极弱的电解质,它只能微弱地电离为H+和OH-,水的离子积为KSH=[H+][OH-],PH=-lg[H+]25℃时,水的离子积KSH=[H+][OH-]=10-14,[H+]=[OH-]=10-7。22、酸能在水中电离释放出的阳离子只有氢离子的物质。23、碱能在水中电离释放出的阴离子只有氢氧根离子的物质。24、盐金属离子和酸根离子组成的化合物,并把含有H+的称为酸式盐,含有OH-的称为碱式盐,其余的称为正盐,含有两种金属离子的叫复盐。25、催化剂能改变化学反应速度而本身反应前后的组成和质量均保持不变的物质。26、离子反应方程式用参加反应的离子表示化学反应的方程式。27、热化学反应方程式表明化学反应与热效应关系的方程式。28、烃只含有碳和氢元素的化合物叫碳氢化合物,简称烃。29、官能团有机物中比较活泼而能发生反应的原子或基团,并决定了有机物的主要性质。30、杂环化合物具有环状结构,且构成环的原子除碳原子外还包括有其他原子的化合物。31、指示剂滴定分析中,通过改变颜色指示化学计量点的试剂。32、滴定终点在滴定分析中,指示剂变色点称为滴定终点。33、标准溶液在分析中,已知准确浓度的溶液。34、掩蔽剂一种能与干扰离子起作用,而不影响试验结果的试剂。35、有效数字在分析中实际能测得到并包括一位可疑数的数字。36、温标是用数值表示温度,它规定了温度的读数起点〔零点和测量温度的基本单位,通常使用摄氏温标、华氏温标、热力学温标〔K。37、准确度分析结果与真实值接近的程度。38、精密度指在相同的条件下多次测定结果之间相互接近的程度。39、系统误差由分析过程中某些固定因素造成的误差。40、偶然误差由于外界某些偶然因素引起的误差。41、电位在电场中取任意点B为参考点,单位正电荷在电场作用力下从场中A点移到参考点B点时,电场力所做的功称为A点电位。42、氧化还原电位以标准氢电极为参比零电位,所测处各种物质氧化还原对的电位。规定[氧化态]=[还原态]=1M时,于25℃时测得的电位称为标准氧化还原电位。43、化学反应速度用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加表示。44、元素具有相同荷电荷数〔即质子数的一类原子的总称。45、水泵的扬程单位质量的液体通过水泵所获得的能量。46、反洗强度在单位面积上、单位时间内流过的反洗水量。47、锅炉的排污率锅炉的排污水量占锅炉蒸发量的百分率。48、亨利定律在一定温度下,气体的溶解度与该气体在汽水分界面的分压成正比。49、再生比耗恢复树脂一定交换能力,实际耗用再生剂量与所需理论再生剂量之比。50、溶解携带饱和蒸汽因溶解而携带水中某些杂质的现象。51、机械携带蒸汽因携带炉水水滴而带入杂质的现象。52、参比电极指在测量电池中已知电极电位的电极,而且在一定温度下,其电极电位为一定值。53、滤层膨胀率滤层膨胀后所增加的高度和膨胀前高度之比。54、连续排污指连续地从汽包中排放锅炉水的排污方式。55、定期排污指定期地从锅炉水循环系统的最低点〔如水冷壁的下联箱处排放部分锅炉水的排污方式。56、化学需氧量〔COD化学耗氧量表示利用化学氧化剂氧化有机物所需的氧量,此量常用符号COD表示。化学氧化剂一般用重铬酸钾或高锰酸钾。目前常用重铬酸钾作氧化剂〔CODcr,它可将大部分有机物氧化,从而表示出有机物全部氧化所需的氧量,从而可大致表示水中的有机物的含量。第二章水的概述第一节生物圈与水循环一、生物圈生物圈是指地球上有生命的部分,即地球上所有的生物〔包括人类及其生存环境的总体。它是地球上最大的生态系统,其划分的范围在海平面以上9Km到海平面以下10km,它包括了上千万种物种。在这个范围内有正常的生命活动,有能量的流动和物质的循环,有构成生态系统的生产者、消费者、分解者和无生命物质四个组成部分。二、水循环地球是一个水量极其丰富的天体,这是它与其他星球不同之处,迄今为止天文学家还未发现有水的其他星球。海洋和陆地上的液态水和固态水构成了一个连续的圈层,覆盖着3／4以上的地球表面,称为水圈〔hydrosphere,它包括江河湖海中一切淡水和咸水、土壤水、浅层与深层地下水以及两极冰帽和高山冰川的冰,还包括大气中的水滴和水蒸气。表1．1列出地球上各种水的分布和停留时间。表1．1水的分布和停留时间分布面积〔106Km水量〔103Km3占总量的〔%平均停留时间江河——1~20．000112~20天大气圈〔云和水汽516130．0019~12天土壤水〔潜水面以上130670．00515~30天盐湖与内陆海0．51040．00710~102年淡水湖0．851250．00910~102年地下水13083000．59102~103年冰川与冰帽28．2292002．07104年海洋361137000097．31103~104年总计5161407810由表1.1中的数据可知、,地球上水的总量达1.4х109Km3,占地球质量地0．02％,但能供人类利用的水不多,因为水圈中海水占97·3％,难以直接利用,淡水只占2.7%.这些淡水的99%难以直接被人类利用.因为两极冰冒和冰川的淡水储存量占86%;潜层地下水储量占淡水的12%,必须凿井方能提取;最容易被人类直接利用的江、河、湖、沼水,还不到总淡水量的1％。第二节水的特性一、水分子的结构水的基本化学式为H2O,它不仅是地球上分布最广、贮量最多的物质,也是一切生命体的基本成分,如人体的含水量60％一70％。在水分子的结构中,O－H的键长为0．096nrn,H－H键长为0．154nrn,HO－O－H的夹键角为104．4,两个氢原子核排列成以氧原子核为顶的等腰三角形。从而使氧的一端带负电荷,氢的一端带正电荷,因此水分子是一个极性很强的分子,即氧的一端为负极,氢的一端为正极。由于水分子在正极一方有两个裸露的氢核,在负极一方有氧的两对孤对电子,这样就使每一个水分子都可以把自己的两个氢核交出与其他两个水分子共有,而同时氧的两对孤对电子又可以接受第三个、第四个氢核,使这五个水分子之间形成四个氢键,其中每一个外围分子又再与另外的分子继续生成氢键。这种现象称为水分子的缔合现象,如图1－2所示,所以水是单个分子H2O和〔H2On的混合物,〔H2On称为水分子的集聚体或聚合物。二、水的特性由于水分子的上述结构特点,呈现出以下几种特性。〔1水的状态：水在常温下有三态。水的融点为o℃,沸点100℃,在自然环境中可以固体存在,也可以液体存在,并有相当部分变为水蒸气。图1－3是水的物态图〔或称三相图,图中表明了冰一水一汽、冰一汽、水一汽和冰一水共存的温度、压力条件。火力发电厂的生产工艺就是利用水的这种三态变化来转换能量的。〔2水的密度：水的密度与温度关系和一般物质有些不同。一般物质的密度均随温度上升而减小,而水的密度是3．98℃时最大,为1。这通常由水分子之间的缔合现象来解释,即在3．98℃时,水分子缔合后的聚合物结构最密实,高于或低于3．98℃时,水的聚合物结构比较疏松。〔3水的比热容几乎在所有的液体和固体物质中,水的比热容最大,同时有很大的蒸发热和溶解热。这是因为水加热时,热量不仅消耗于水温升高,还消耗于水分子聚合物的解离。所以,在火力发电厂和其他工业中,常以水作为传送热量的介质,表1-2列出水在定压〔0．1MPa下的比热容。〔4水的溶解能力水有很大的介电常数,溶解能力极强,是一种很好的溶剂,溶解于水中的物质可以进行许多化学反应,而且能与许多金属的氧化物、非金属的氧化物及活泼金属产生化合作用。〔5水的表面张力在水体内部,由于每个水分子受其四方相邻水分子的引力,所以每个水分子受力是平衡的。但靠近表面的水分子则受力不平衡,水体内部对它的引力大,外部空气对它的引力小,从而使水体表面分子受到一种向内的拉力,称为表面张力。水有最大的表面张力,达到72．75X105N／cm,表现出异常的毛细、润湿、吸附等特性。〔6水的粘度表示水体运动过程中所发生的内摩擦力,其大小与内能损失有关。纯水的粘度取决于温度,与压力几乎无关。〔7水的电导因为水是一种很弱的两性电解质,能电离出少量的H离子和OH离子,所以即使是理想的纯水也有一定的导电能力,这种导电能力常用电导率来表示；电导率是电阻率的倒数。电阻率是对断面为1cmX1cm、长1cm体积的水所测得的电阻,单位是欧姆·厘米〔Q·cm,电导率的单位是西门子/厘米〔S/cm或uS/cm。25℃纯水的电导率是0.055uS/cm。〔8水的沸点与蒸汽压水的沸点与蒸汽压力有关。如将水放在一个密闭容器中,水面上就有一部分动能较大的水分子能克服其他水分子的引力,逸出水面进人容器上部空间成为蒸汽,这一过程称为蒸发。进入容器空间的水分子不断运动；其中一部分水蒸气分子碰到水面,被水体中的水分子所吸引,又返回到水中,这一过程称为凝结。当水的蒸发速度与水蒸气的凝结速度相等时,水面上的水分子数量不再改变,即达到动态平衡。在温度一定的情况下,达到动态平衡时的蒸汽称为该温度下的饱和蒸汽,这时的蒸汽压力称为饱和蒸汽压,简称蒸汽压。当水的温度升高到一定值,其蒸汽压力等于外界压力时,水就开始沸腾,这时的温度称为该压力下的沸点。〔22MP时水的沸点为374℃当气体高于某一温度时,不管加多大压力都不能将气体液化,这一温度称为气体的临界温度。在临界温度下,使气体液化的压力称为临界压力。水的临界温度为374℃,临界压力为22MPa。〔9水的化学性质水能与金属和非金属作用放出氢Na+2H2O→NaOH+H2↑Mg+2H2O→Mg<OH>2+H2↑3Fe＋4H2O→Fe3O4+4H2↑C＋H2O→CO+H2↑水还能与许多金属和非金属的氧化物反应,生成碱和酸。CaO＋H2O→Ca<OH>2SO3+H2O→H2SO4第三节天部水体的物质组成一、天然水体的物质组成天然水体是海洋、河流、湖泊、沼泽、水库、冰川、地下水等地表与地下贮水体的总称。它包括水和水中各种物质、水生生物及底质。从自然地理的角度看,水体是指地表水覆盖的自然综合体。天然水体分为海洋水体和陆地水体,陆地水体又可分为地表水体和地下水体。这些天然水体在自然循环运动中,无时不与大气、土壤、岩石、各种矿物质、动植物等接触。由于水是一种很强的溶剂,极易与各种物质混杂,所以天然水体是在一定的自然条件下形成的,是含有许多溶解性的和非溶解性的物质、组成成分又非常复杂的一种综合体。化学概念上那种理想的纯水在自然界中是不存在的。天然水中混杂的物质,有的呈固态,有的呈液态或气态,它们大多以分子态、离子态或胶体颗粒存在于水中。它们几乎包含了地壳中的大部分元素。天然水体的物质组成不仅与它的形成环境有关,也与和水相接触的物质组成及物理化学作用所进行的条件有关。其中,包括溶解一沉淀、氧化一还原、水相一气相间离子平衡、固一液两相之间离子交换、有机物的矿质化、生物化学作用等,从而使天然水体的物质组成相差非常悬殊。影响天然水体物质组成的直接因素主要有岩石、土壤和生物有机体,这些因素可使水增加或减少某些离子和分子,例如：流经石灰岩地区的天然水中富含Ca2+"和HCO-当水透过土壤时溶解氧的含量减少,而CO的含量增多；生物排泄物和残体增加了水中的某些组分含量,生物呼吸作用影响着水中气体的含量。间接因素主要有气候和水文特征,气候是一切水化学作用进行的背景,同时对地表水和地下水化学组成起着总控制作用；天然水体的水文特征使水的组成有很大差异,例如：河水流速快、与河床接触时间短,,河水中离子含量一般较低；地下水既缓慢,与周围岩石接触时间长、永中溶解物的含量比地跳高,但气体组成相对减少；而湖水的化学组成比河水与地下水更为复杂。天然水体的水质就是由所含物质的数量和组成所决定的,因为这些物质从锅炉用水的角度上看都是有害的,所以称这些物质为杂质。二、天然水中物质的特征与来源从水的净化和处理的需要,假定水中的物质均呈球形,并按其直径大小分成悬浮物、胶体和溶解物质三大类。但是水中的各种物质并非全部为球形,各种物质的尺寸界限也不能截然分开,特别是悬浮物和胶体之间的尺寸界限,常因形状和密度的不同而有所变化。〔一悬浮物悬浮物是指颗粒直径为100um～1um以上的物质微粒。按其微粒大小和对密度的不同,可分为漂浮的、悬浮的和可沉降的。如一些植物及腐烂体的相对密度小于1,一般漂浮于水面,称为漂浮物；一些动植物的微小碎片、纤维或死亡后的腐烂产物的相对密度近似等于1,一般悬浮于水中,称为悬浮物；一些粘土、砂粒之类的相对密度大于l,当水静止时沉于水底,称为可沉物。因此,悬浮物在水中很不稳定,分布也很不均匀,是一种比较容易除去的物质。〔二胶体胶体是指颗粒直径大约为1～100之间的微粒,主要是铁、铝、硅的化合物以及动植物有机体的分解产物、蛋白质、脂肪、腐殖质等,它们往往是许多分子或离子的集合体。由于这种颗粒比表面积大,有明显的表面活性,表面上常常带有某些正电荷或负电荷离子,而呈现出带电性。天然水体中的粘土颗粒,一般都带负电荷,而一些金属离子的氢氧化物则带正电荷。因带相同电荷的胶体颗粒互相排斥,不能聚集,所以胶体颗粒在水中是比较稳定的,分布也比较均匀,难以用自然沉降的方法除去。天然水体中的悬浮物和胶体颗粒,由于对光线有散射效应,是造成水体浑浊的主要原因,所以它们是各种用水处理首先清除的对象。〔三溶解物质溶解物质是指颗粒直径小于1nm的微粒,它们往往以离子、分子或气体的状态存在于水中,成为均匀的分散体系,称为真溶液。这类物质不能用混凝、沉降、过滤的方法除去,必须用蒸馏、膜分离或离子交换的方法才能除去。1．呈离子状态的物质天然水体中含有的主要离子有氯离子、硫酸根、碳酸氢根、碳酸根、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子等八种离子,它们几乎占水中溶解固体总量95％以上。另外,水中还有一定的生物生成物、微量元素及有机物。生物生成物主要是一些氮的化合物,磷的化合物,铁的化合物和硅的化合物。下面着重介绍天然水中主要离子的来源。〔1钙离子〔Ca2+钙离子是大多数天然淡水的主要阳离子,是火成岩〔链状硅酸盐一辉石、钙长石、变质岩和沉积岩〔方解石、文石、石膏等的基本组分。当水与这些矿物接触时,这些矿物会缓慢溶解,使水中含有钙离子,如CaAL2Si2O8+H2O+2H+=AL2SiO<OH>4+Ca2+CaCO3+CO2+H2O=Ca+2HCO3-CaSO42H2O=Ca2+2H2O+SO42-CaCO3Mg+2CO2+2H2O=Ca2++Mg+4HCO3-以上说明,当天然水溶解方解石和白云石时,水中Ca、Mg的含量随大气中CO2含量的增加而增加。在土壤或岩层中,由于植物根系的呼吸作用或微生物对死亡植物体的分解作用,使你的分压比地面大气中队的分压高10～100倍,所以地下水中Ca2+的浓度一般比地表水高。当天然水中含有较多的H+时,可使CaCO3、CaSO42H2O、CaSO4同时溶解,使水中Ca2+浓度大大超过HCO3-的浓度。水中Ca2+不仅能与有机阴离子形成络合物,而且能与HCO3-生成CaHCO3+。水中的SO42-含量超过1000mg/L时,可有50%以上的Ca2+与SO42-生成CaSO4离子对。在碱性条件下、OH-、CO3-、PO43-也可与Ca2+生成离子对CaOH+、CaCO3、CaPO4-,在一般天然水体中没有这种情况。不同的天然水中钙离子的含量相差很大．一般在潮湿地区的河水中吹、的含量比其他任何阳离子都高〔在20mg/L左右。在干旱地区的河水中,水中Ca2+含量较高。在封闭式的湖泊中由于蒸发浓缩作用,可能会出现CaCO3沉淀或CaSO4沉淀,从而使水的类型由碳酸盐型演变为硫酸盐型或氯化物型。〔2镁离子镁离子几乎存在于所有的天然水中,是火成岩镁矿物〔橄榄石、辉石、黑云母和次生矿〔绿泥石、蒙鹏。蛇纹石及沉积岩〔菱镁石、水镁石的典型组分。当水遇到这些矿物时,镁离子进人水中。由于镁离子的离子半径比Ca2+、Na+都小,所以有较强的电荷密度,对水分子有较大的吸引力。在水溶液中,每一个Mg2+周围有6个水分子,形成一层较厚的水膜,水化后Mg2+表示为Mg〔H2O62+。Mg2+可与SO42-、OH生成离子对硫酸镁、氢氧化镁,其中氢氧化镁称为羟基络合物。当水中SO42-、HCO3-的含量大于1000mg/L时,Mg2+与SO42-、HCO3-形成络合物。因为菱镁石〔MgCO3的溶解度比方解石〔CaCO3约大两倍,而水化菱镁石〔MgCO3.3H2O,MgCO3.5H2O的溶解度又明显地大于菱镁石,所以在与白云石接触的天然水中Ca2+、Mg2+的含量几乎相等,但在过饱和的水溶液中,由于CaCO3析出,使水中的Mg2+的含量高于Ca2+镁离子在天然水中的含量仅次于钠,很少见到以Mg2+为主要阳离子的天然水体。在淡水中Ca是主要阳离子,在咸水中钠是主要阳离子、在大多数的天然水体中,镁的含量一般在1～40mg/L。当水中溶解固形物的含量低于500mg/L时,Ca2+与Mg2+的摩尔比为4：1～2：1。当水中溶解固形物的含量高于1000mg/L时,Ca2+与Mg2+的摩尔比降至2：1~1：1。当水中溶解困形物含量进一步增大时,Mg2+的含量可能高出Ca2+许多倍。、。〔3钠离子〔Na+钠主要存在于火成岩的风化产物和蒸发岩中,钠几乎占地壳矿物组分的25％,其中以钠长石中的含量最高。这些矿物在风化过程中易于分解。释放出Na,所以在与火成岩相接触的地表水和地下水中普遍含有Na。在干旱地区岩盐是天然水中Na"的重要来源,被岩盐饱和的水中Na的含量可达150mg/L。因为大部分钠盐的溶解度很高,所以在自然环境中一般不存钠的沉淀反应,也就不存在使水中Na含量降低的情况。Na在水中的含量在不同条件下相差非常悬殊．在咸水中Na含量可高达100000mg/L以上,在大多数河水中只有几毫克/L至几十毫克/L,在赤道带的河水中可低至1mg/L左右。所以,在高含盐量的水中,Na是主要阳离子,如海水中Na含量〔按重量计占全部阳离子的81％。当钠的含量低于1000mg/L时,水中的Na主要以游离状态存在水中。在高含盐量的水中。钠离子可与碳酸根、碳酸氢根、硫酸根形成离子对碳酸钠、碳酸氢钠、硫酸钠。在海水中几乎所有的阴离子都可与钠生成离子对。在天然淡水中钠离子主要来源于铝硅酸盐矿物的溶解,钠离子与氯离子之间的摩尔关系为钠＞氯。在天然咸水中钠离子与氯离子之间的摩尔关系几乎相等。说明天然水中钠离子的主要来源是由于氯化钠的溶解。〔4钾离子在天然水中K的含量远远低于Na,一般为钠含量的4％～10％。由于含钾的矿物比含钠的矿物抗风化能力大,所以Na容易转移到天然水中,而K则不易从硅酸盐矿物中释放出来,即使释放出来也会迅速结合于粘土矿物中,特别是伊利石中。另外,K是植物的基本营养元素,在风化过程中释放出来的K容易被植物吸收、固定。从而使大部分天然水中Na含量比K高。在某些咸水中,K的含量可达到十几到几十毫克,在苦咸水中可达几十到几百毫克二对。由于在一般天然水中K的含量不高,而且化学性质与Na相似,因此在水质分析中,常以〔Na＋K之和表示它们的含量,并取其加权平均值25作为两者的摩尔质量。〔5铁离子在天然水中除了以上四种阳离子之外,在一部分地下水中还含有Fe,当含有二氧化碳的水与菱铁矿FeSO4或FeO的地层接触时,发生以反应：最终生成了铁离子。在含有机质的地下水中,由于微生物的厌氧分解,常含有一定量的H2S气体,可将地层中三氧化二铁还原,并在二氧化碳的作用下溶于水中。从而使地下水中含有一定数量的一价铁离子。Fe在地表水中含量很小,因为地下水暴露大气后二价铁离子很快被水中氧氧化成三价铁离子,进而形成难溶于水的氢氧化铁胶体沉淀出来。〔6碳酸氢根和碳酸根碳酸氢根是淡水的主要成分,它主要来源于碳酸盐矿物的溶解,碳酸氢根在水中的含量也与水中二氧化碳的含量有关。水中的碳酸氢根、碳酸根、二氧化碳共同组成了一个碳酸化合物的平衡体系,水中的碳酸氢根含量与氢离子浓度［H＋］成反比,计算表明,当水的pH＜4．0时,碳酸氢根的含量已很少了,即在酸性条件下不存在碳酸氢根。在一般的地表水中,碳酸氢根的含量一般在50～400毫克/升之间,在少数水中达到800毫克/升。水中碳酸根含量也与氢离子成反比,计算表明,当水的pH＜8．3时,碳酸根的含量也很少了,即在中性和酸性条件下不存在碳酸根。〔7硫酸根硫不是地壳矿物的主要成分,但它常以还原态金属硫化物的形式广泛分布在火成岩中。当硫化物与含氧的天然水接触时,硫元素被氧化成明一。火山喷出的二氧化硫和地下泉水中的硫化氢也可被水中氧氧化成硫酸根。另外,沉积岩中的无水石膏〔CaSO4和有水石膏都是天然水中硫酸根的主要来源。含有硫的动植物残体分解也会增加水中硫酸根的含量。硫酸根在天然水中的含量是居中的阴离子,在一般的淡水中,碳酸氢根＞硫酸根＞氯离子,在咸水中也是碳酸氢根＞硫酸根＞氯离子。在含有硫酸钠和硫酸镁的天然咸水中,硫酸根的含量除了与各种硫酸盐的溶解度有关以外,还与水中是否存在氧化还原条件有关。在还原条件下,硫酸根是不稳定的,可被水中的硫酸盐还原菌还原为自然硫S和硫化氢H2S。水中的硫酸根易与某些金属阳离子生成络合物和离子对,水中硫酸根的含量增加。〔8氯离子氯离子也不是地壳矿物中的主要成分,在火成岩中的含氯矿物中主要是方钠石和氯磷灰石所以火成岩不会使正常循环的天然水体中含有很高的氯离子。天然水中的CI比较重要的来源与蒸发岩有关,氯化物主要存在于古海洋沉积物和干旱地区内陆湖的沉积物中。另外,还存在于曾经遭受海水侵蚀过的岩石孔隙中以及海洋泥质岩中。在所有这些岩石和沉积物中,几乎都是Na和CL伴随在一起。氯离子几乎存在于所有的天然水中,但其含量相差很大,在某些河水中只有几个毫克/升,在海水中却高达几十克/升。由于氯化物的溶解度大,又不参与水中任何氧化还原反应,也不与其他阳离子生成络合物及不被矿物表面大量吸附,所以氯离子在水中的化学行为最为简单。〔9硅硅的氧化物〔二氧化硅是火成岩和变质岩中大部分矿物的基本结构单元,也是天然水中硅化合物的基本结构单元。在锅炉水处理中,水中的硅均一二氧化硅表示。由于硅化物在锅炉的金属表面上或者在汽轮机的叶片上形成沉积物后,非常难以清除,所以成为锅炉水处理中的重点清除对象。天然水中的硅主要来源于硅酸盐、铝硅酸盐的水解,所以,硅酸盐矿物的水解,不仅是天然水中碱金属和碱土金属阳离子的主要来源,也是水中硅酸化合物的主要来源。硅酸是一种复杂的化合物,在水中可呈离子态、分子态和胶态。它的通式常表示为xSiOyH2O。当X＝1,y二1时,分子式写成H2SiO3,称为偏硅酸；当X=1,y=2时,分子式写成H4SiO4,称为正硅酸；当X＞1时,硅酸呈聚合态,称为多硅酸；当硅酸的聚合度较大时,由溶解态变为胶态；当浓度再大和聚合度更大时,会呈凝胶状从水中析出。天然水中硅化合物的含量一般在1～20毫克/升范围内,地下水有时高达60毫克/升以上。这与二氧化硅和水之间的溶解平衡有关。由于硅酸化合物有多种存在形态,所以它的测定方法与其他化合物有些不同。通常采用的钼蓝比色法只能测得水中分子量较低的硅酸化合物,分子量较大的硅酸,有的不与钼酸反应,有的反应缓慢,所以根据反应能力不同,将水中硅酸化合物分成两种：凡是能够直接用比色法测得的称为活性二氧化硅〔简称活性硅,凡是不能直接用比色法测得的称为非活性二氧化硅〔简称非活性硅。2．呈分子状态的气体天然水中常见的溶解气体有氧,二氧化碳和氮,有时还有硫化氢、二氧化硫和氨等。大气中的任何一种气体分子〔G〔g与水溶液中相应的同一种气体分子G〔aq之间存在以下平衡：G〔g=G〔aq按亨利定：气体在水溶液中的溶解度G〔aq与水溶液相接触的那种气体的分压P成正比,由于亨利定律没有考虑某些气体可能在水溶液中进行某些化学反应,所以,有的气体在水溶液中的实际量比亨利定律的计算值高得多,也有的气体在水溶液中的实际量又比亨利定律的计算值低得多。表1－1给出25℃时某些气体的亨利定律常数值。25℃时某些气体的亨利定律常数气体K[mol/<L.MP>]气体K[mol/<L.MP>]气体K[mol/<L.MP>]氧气1.28×10-2氢气7.90×10-3甲烷1.34×10-2二氧化碳3.38×10-1氮气6.48×10-3一氧化氮2.0×10-2气体在水溶液中的溶解度随温度升高而降低,表1-2列出几种常见气体在不同温度下的溶解度。二氧化碳、氧气在水中的溶解度〔毫克/升温度℃二氧化碳氧气温度℃二氧化碳氧气0335069．530126035．95277060．74097030．810231053．75076026．615197048．06058022．820169043．48013．825145039．3100天然水体中O的主要来源是大气中氧的溶解,因为干空气中含有20．95％的氧,水体与大气接触使水体具有再充氧的能力。另外,水中藻类的光合作用也产生一部分氧：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,又在夜的新陈代谢过程中消耗了。氧在水中的溶解量除与氧的分压和水温有关以外,还与水的紊流特性、空气泡的大小等因素有关。由于水中微生物的呼吸、有机物的降解以及矿物质的化学反应都消耗氧,如水中氧不能从大气中得到及时补充,水中氧的含量可以降低。所以一般情况下地下水的氧含量总是比地表水低,地表水中氧的含量一般在0～14毫克/升之间。天然水中的二氧化碳主要来自水中或泥土中有机质的分解和氧化。因为大气中二氧化碳的分压很小,按体积比只有0．03％一0．04％,所以25度时大气中二氧化碳在水中的溶解浓度只有0．5～1．0毫克/升,但其饱和浓度可以达到1450毫克/升。在实际的天然水中,毫克/升的含量一般为20～30毫克/升,地下水有时达到几百毫克/升,说明水中有机质降解时,一方面消耗了氧气,另一方面也产生了毫克/升,使水中毫克/升含量远远超过了与大气接触时的平衡二氧化碳量。第四节影响陆地水化学组分的地质、地理因素陆地水在渗透、径流、蒸发浓缩过程中,无时不与岩石矿物、土壤,生物有机体接触,同时还受气候条件、水文条件的影响,这些地质、地理因素也对陆地水的化学组分起着作用。1．岩石矿物由于岩石矿物在水中的溶解特性不同,使水体流经岩石矿物时溶解了不同的化学组分。方解石、白云石、石膏、无水石膏、硫化物等易溶于水,当水体与这些岩石矿物接触时从中获得大量的钙、镁、碳酸氢根、钠、氯、硫酸根等离子。相反,石英、长石、辉石、粘土等硅酸盐矿物和磷铁矿、赤铁矿等氧化物矿物,由于难溶于水,当水体与这些矿物接触时,从中只能获得很少量的组分含量。由于火成岩的风化作用,使地壳表面形成一层很厚的沉积岩,它覆盖了陆地的大部分,由于这层沉积岩中的可溶盐类占了5．8％,所以成为陆地水中各种离子组分的主要来源；岩石矿物的化学组成及溶解特性对地下水化学组分的影响更为重要。如在蛇纹石地地区,地下水的化学组分以镁离子为主。在花岗岩地区,以钙离子为主。在钠长石的地区,则以钠离子为主。2．土壤当水渗过土壤时,可使水中的离子含量和有机物含量增加。土壤的组成不同,会影的化学组分,如水渗过红土壤、砖红土壤时,从中获得很少量离子,并使水呈酸性,因为这种土壤已被强烈淋洗过,可溶性组分已很少。如水渗过栗钙土、棕钙土、荒漠土或盐渍土。从中获得大量离子,水呈碱性。如水渗过含有机质的土壤时,由于微生物的生化反应,水中氧气减少,二氧化碳增加。另外,水中离子与土壤中离子的交换反应也会改变水体的化学组分。3．生物有机体水中生物有机体的新陈代谢过程可使水中含有一定数量的有机质,也可改变水中气组成。如在夏季,水中藻类可利用阳光进行光合作用,使水中氧气处于过饱和状态。进入水中的有机质,可在好氧微生物的作用下进行分解消耗氧,甚至造成缺氧环境。4．气候条件气候条件能间接地影响天然水的化学组分。气候条件不同时地壳所进行的化学风化不同,所以,当水与其接触时从中获得的化学组分和数量也就不同。另外,气候条件不同时,其降水量、径流量、蒸发量等都不同,也会使水的化学组分不同。如在潮湿地区,降水量大,径流量也大,但蒸发量小,使水中化学组分减少。在干旱地区,降水量小,径流小,但蒸发量大,陆地水蒸发浓缩,水中化学组分含量增加。5．水文条件由于江河水更替迅速,与河床中岩石矿物及土壤的接触时间短,所以一般河水中化分含量比地下水的低。另外,江河水的径流量随季节变化,使江河水中的化学组分也随而变化。湖泊水与江河水相比,水的更替速度慢,与岩石矿物的接触时间长,所以湖泊水中的化学组分含量比江河水高。湖泊水中的化学组分还与流入水量、流出水量及蒸发量有关。在潮湿地区,湖泊的流人量远大于蒸发量,并有大量水排出,这时由河流带人的溶解组分不因流水带走,这种湖多为淡水湖,化学组分总量不高。在干旱地区,蒸发量大于流人量,而水量很小,这时由河流带人的溶解组分不断积累,形成咸水湖或盐湖,如我国XX的清湖。第五节火电厂用水水质指标水质表示水的质量,反映水的使用性质。水质指标也称水质参数,它只表示这些指标的具体含义,不涉及这些指标的实际数值,只有水质指标的实际数值才反映水质的好坏。由于工业用水的种类繁多,因此对水质的要求也各不相同。锅炉用水根据自己的使用性质制定了自己的水质指标,如表2一1所示。表2－1水质指标水质指标常用单位水质指标常用单位水质指标常用单位悬浮物mg/L化学耗氧量mg/L磷酸根mg/L浑浊度FTU生物需氧量mg/L硝酸根mg/L透明度cm含油量mg/L亚硝酸根mg/L含盐量mg/L稳定度钙mg/L溶解固形物mg/L二氧化碳mg/L镁mg/L灼烧残渣mg/L溶解氧mg/L钾mg/L电导率us/cm碳酸氢根mg/L钠mg/L碱度mmol/L碳酸根mg/L氨mg/L硬度mmol/L氯离子mg/L铁mg/L碳酸盐硬度mmol/L硫酸根mg/L铝mg/L非碳酸盐硬度mmol/L二氧化硅mg/LPH在表2-1所列出的水质指标中,有两种类型。一种是反映水中某一具体组分,如pH及各种无机离子,含义非常明确。另一种不是代表水中某一具体组分,而是表示某一类物质的总和,这一种水质指标称为技术指标,也有的称为替代参数或集体参数,它是根据水的某一种使用性能而制定的,如水的悬浮物和浑浊度表示水中所含造成水体浑浊的物质总量,而不表示某一具体组分。由于这类杂质能对人的视觉产生刺激,所以也称感官性或物理性指标,如水的浑浊度超过10度,便会使人感到不愉快。有些技术指标反映某一类物质的总量,概念比较清楚。如硬度,这个指标反映水中造成结垢物质的总阳离子含量,而且知道它主要表示钙镁离子之和。但也有些技术指标不易推测出它的组分,如色度、嗅、味等,它只是反映造成水体带有颜色深浅或嗅、味大小的物质总量,很难推测有哪些具体组分。下面介绍锅炉用水中的几种主要技术指标的含义。一、悬浮物与浑浊度悬浮物表示水中悬浮物质的含量,由于它容易在管道、设备内沉积和影响其他水处理设备的正常运行．所以t它是任何水处理系统首先要清除的杂质。悬浮物可用重量分析法测定,即取1升水经过定量滤纸过滤后,将滤纸截留物在110度下烘干称重,一毫克/升表示。由于这种分析法比较麻烦,所以常用浊度表示水中悬浮物的含量。浊度通常用光电浊度仪测定,它是利用光的散射原理制定的。当光束透过水样时,由于水悬浮物的影响,在颗粒任何一个方向都会产生一定强度的散射光。散射光的强度与颗粒的特性有关。在颗粒的大小、密度、形状、颜色等的特性固定的情况下,颗粒浓度与入射光、散射光之间有如下关系LogPo/Pt=KLnPs/Po=kln式中PO一光源的人射光强度；Ps——在光源垂直方向产生的散射光强度；Pt——在光源光束方向产生的透射光和散射光之和；l——水样槽的长度；K/l——常数。浊度测定原理二、溶解固形物溶解固形物是指水中除溶解气体之外的各种溶解物质的总量。它和悬浮物一样包含水中许多物质,只是一种理论上的指标,没有找到与它涵义相同的测定方法。它虽然也可以按测定悬浮物的重量分析法来测定,但同样存在操作麻烦、费时的问题,所以目前都是采用一些与其涵义相近似的指标进行测定。1．含盐量含盐量表示水中各种溶解盐类的总和,可由水质全分析得到的全部阳离子和阴离子相加而得,单位用mg/L〔或PPm表示。也可用摩尔表示,即将得到的全部阳离子〔或全部阴离子均按一个电荷的离子为基本单元相加而得,单位用mmol/L表示。水质全分析操作起来比较麻烦,只能定期<如一个季度或一年测定,不宜作运行控制指标。2．蒸发残渣蒸发残渣是指过滤后的水样在105~110度下蒸干所得的残渣量。由于在蒸发过程中水中的碳酸氢盐转变成了碳酸盐及在此温度下还有一些湿分和结晶水不能除尽,所以它并不与溶解固形物完全相等,只是相近。3．灼烧残渣灼烧残渣是将蒸发残渣在800℃下灼烧所得的残渣量,由于在灼烧过程中大部分有机物被烧掉,所以经常用蒸发残渣与灼烧残渣量之差．即灼烧减量表示有机物的多少,但它不完全与有机物相等,因为在灼烧过程中,残存的湿分、结晶水及一些氯化物挥发掉了,一部分碳酸盐分解了。4．电导率因为纯水本身的导电能力是非常小的,但只要水中含有少量离子杂质就会使导电能力明显增加。水中所含离子杂质越多,导电能力越大。所以可借用测电导的方法测定水中的含盐量。水的导电能力不仅与水中离子杂质的含量有关,而且还与水的温度和离子之间的相对比例有关,所以测定水的电导率时要求水温一定和水中离子保持相对稳定。如果水的溶解固形物总量〔TDS在50－5000ms／L之间,水的电导率与TDS之间有以下关系：lgTDS=1.006lgkH2O-0.215式中kH2O——水的电导率,US／Cm；TDS一水的溶解固形物总量,mg／L。三、硬度〔H硬度表示水中多价金属离子的总浓度,对天然水体来说主要是钙离子和镁离子,其他多价金属离子很少,所以通常称水中钙离子和镁离子之和为硬度,它在一定程度上表示了水中结垢物质的多少。水中钙、镁离子的含量对饮用水或一般工业用水并无严格要求,但它是衡量锅炉给水水质好坏的一项重要技术指标。硬度按阳离子分为：钙硬〔Hca和镁硬〔Hmg硬度按阴离子分为：碳酸盐硬度〔HT和非碳酸盐硬度〔HF四、碱度〔B和酸度〔A水的碱度表示水中所含能接受氢离子物质的总量。对一般天然水来讲,水中碱度主要是碳酸氢根。水的酸度表示水中所含能与强碱发生中和反应的物质总量。对一般天然水来讲,水中酸度只是碳酸和碳酸氢盐。五、有机物天然水中的有机物种类众多,成分也很复杂,如果受到工业废水或生活污水的污染,成分就更加复杂。它们是以溶液、胶体和悬浮状态存在的,因此难以进行逐个测定。但可以利用有机物的可氧化性或可燃性,用某些指标间接地反映水中有机物的含量,这对水处理工作来讲已足够了。下面对这些间接技术指标的概念作简单介绍。1．化学需氧量〔COD化学需氧量是指用化学氧化剂氧化水中有机物时所需要的氧量,单位以mg/lO2表示。化学需氧量越高,表示水中有机物越多。且前常用的氧化剂有高锰酸钾和重铬酸钾口由于每一种有机物的可氧化性不同,每一种氧化剂的氧化能力也不同,所以化学需氧量只能表示所用氧化剂在规定条件下所能氧化的那一部分有机物的含量,并不表示水中全部有机物的含量。如用重铬酸钾作氧化剂,在强酸加热沸腾回流的条件下对水中有机物进行氧化〔并以银离子作催化剂人可将水中80％以上的有机物氧化〔CODcr；如用高锰酸钾作氧化剂,只能将水中70％左右的有机物氧化〔COD。所以高锰酸钾法多用于轻度污染的天然水和清水的测定。2．生化需氧量〔BOD生化需氧量是指利用微生物氧化水中有机物所需要的氧量,‘单位也是用mg/lO2表示。生化需氧量越高,表示水中可生物降解的有机物含量越多。样,它也不能表示水中全部的有机物由于利用微生物氧化水中有机物是一种生化反应,所以反应速率一般比化学反应慢,而且受温度的影响。因此,测定生化需氧量时,一般规定在20℃下测定。当温度等于20℃时,河流中有机物的氧化分解时间大约一百多天才能完成,全过程需要的氧量叫总生化需氧量。因此,目前都以5d或20d作为测定生化需氧量的标准时间,分别用BOD5和BOD20表示。对于一般有机物BOD相当于最终需氧量的60％～70％,BOD20相当于最终需氧量的70％左右。3．总需氧量〔TOD因为水中的有机物如碳水化合物、蛋白质、脂肪等的主要元素都是碳、氢、氧、氮、硫,所以当有机物全部被氧化时。碳氧化成二氧化碳,氢、氮、硫分别被氧化成水、一氧化氮和二氧化硫,这时的需氧量称为总需氧量。4．总有机碳〔TOC总有机碳是指水中有机物的总含碳量,即将水样中的有机物在900℃高温测和催化剂的条件下气化、燃烧。这时水样中的有机碳和无机碳全部氧化成二氧化碳,然后利用红外线气体分析仪分别测定总的二氧化碳量和无机碳产生的二氧化碳量,两者之差即为总有机碳量。第三章水的预处理第一节水中胶体颗粒的主要特性天然水体中常含有泥砂、粘土、腐殖质等悬浮物和胶体杂质及细菌、真菌、藻类、病毒等微生物,它们在水中具有一定的稳定性,是造成水体混浊、颜色和异味的主要原因。混凝处理、沉降澄清和过滤处理,就是以除去这些杂质为主要目的,使水中悬浮物的含量降至5mg/l以下,即得到澄清水,习惯上称它们为水的预处理。经过预处理后的水,根据不同的用途再进行深度处理。如作为锅炉用水,还必须用离子交换的方法除去水中溶解性的盐类及用加热或抽真空和鼓风的方法除去水中溶解性的气体。如不首先除去这些杂质,后续处理如除盐等将无法进行。因此,水的混凝处理是水处理工艺流程中的一个重要环节。混凝处理包括药剂、水的混合及反应〔包括脱稳、凝聚、絮凝两个阶段。为了提高凝处理的效果,必须选用性能良好的药剂,创造适宜的化学和水力学条件。一、胶体分散体系根据胶体化学的概念,一种或几种物质均匀地分散在另一种物质中,它们共同组成的体系称为分散体系,其中被分散为许多微小粒子的物质称为分散相,而微小粒子周围的另一种连续物质称为分散介质。如悬浮粘土颗粒分散在水中,粘土颗粒叫分散相,水就是分散介质。把天然水中粒径在10-4-10-6的各种微小粒子都划为胶体范围,是因为它们都具有胶体的性质。这些微小粒子可以是细小的粘土颗粒,也可以是溶质分子的集合体或分子量比较大的高分子化合物。粘土颗粒和溶质分子的集合体都占有一定的体积和面积,由于它们不溶于水,所以与水之间存在相间分面,组成一个微多相分散体系,也称热力学不稳定体系。高分子化合物与水组成的分散体系,在水中处于溶解状态,与周围水之间没有分界面,属于单相体系,也称热力学稳定体系。天然水体虽然是一种由多种胶体颗粒共存的体系,但其中以粘土矿物质及腐殖质最为普遍。粘土微粒是造成天然水体混浊的主要物质,其中粒径大于10pm的主要是石英、长、云母等原生矿物颗粒,粒径小于10mp的主要是高岭石、蒙脱石等次生矿物颗粒,后者是混凝处理的主要对象。高岭石、蒙脱石各类粘土矿物质都属于铝硅酸盐类,具有不同的形状,呈非对称性,即长度和宽度比厚度大得多。腐殖质是分子量在300～30000以上的有机高分子化合物,按其在酸、碱溶液中的溶解特性。分为三类：富里酸,是指既溶于酸也溶于碱的部分,分子量从几百到数千；腐殖酸,是指只溶于稀碱溶液不溶于酸的部分,分子量从数千到数万；腐里物,是指在酸、碱溶液中都不溶的部分厂在腐殖质的分子结构中,除含有苯环以外,还含有大量的一OH基团和一COOH基团,它们在水中进行解离,形成带有负电荷的长链阴离子。由于活性基团相互排斥,分子结构伸展,亲水性增强。具有稳定性,故在水处理中也划为胶体范畴。二、胶体颗粒的主要特性1．水中分散颗粒的稳定性表3-1是球形悬浮颗粒〔砂在10PAGE\#"'页：'#'

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'"颗粒直径〔mm颗粒名称沉降速度<mm/s>沉降1米需时颗粒直径〔mm颗粒名称沉降速度<mm/s>沉降1米需时1010001秒0．001细泥土0．001547天1细砂10010秒0．0001细泥土0．00001542年0．1细砂82分0．00001胶体0．00000154200年0．01泥土0．1542时表3－1球形颗粒的沉降速度表3-1中的数据说明,颗粒直径大于0．1mm以上的细砂,可借助重力在2分以内除去。而颗粒直径小于0．001mm的细粒粘土,沉降速度非常缓慢。当颗粒直径达到胶体大小时,实际上已不可能自行沉降,它们能长时间在水中保持悬浮分散状态,这种现象统称为"分散颗粒的稳定性"。因为从水处理的观点,凡沉降速度缓慢的颗粒都不可能在停留时间很短的水处理设备中沉降分离出来,所以认为它们在水中均是稳定的。2．胶体颗粒的动力稳定性分散于水中的各种悬浮颗粒,随时都受到水分子热运动的撞击。当悬浮颗粒直径比较大时,每一个颗粒从各个方向同时受到水分子的数次撞击,所以各个方向的撞击力可以相互平衡抵消,使这种颗粒能在重力作用下沉降分离。当颗粒直径小至胶体范围时,每一个颗粒受到水分子撞击的次数较少,各个方向的撞击力在瞬间内达不到平衡,朝合力的方向不断高速位移,运动的轨迹是不规则的,这种运动被称为"布朗运动"。另外,由于这种颗粒质量很小,重力沉降作用甚微,从而导致胶体颗粒处于均匀的分散状态,这称为胶体颗粒的动力稳定性。这是粘土颗粒能长期稳定存在于水中。致使天然水体产生混浊的主要原因。布朗运动的速度与颗粒的直径大小有关。拉径越九布朗运动的速度就越小,当颗粒直径达到3～5um以上时,布朗运动就停止了。3．胶体颗粒的带电现象。如果将胶体础的水溶液放人一支U形管中,两端插人电极并接直流电源,可见到水中胶体颗粒向某一个电极方向迁移和浓集,说明这些胶体颗粒是带亘电的。有的胶体颗粒向正极方向移动,如粘i颗粒、细菌及蛋白质一类的高分子有机化合物,说明它们带有负电荷；有的胶体颗粒向负极方向移动,如金属铝和铁的氢氧化物等,说明它们带有正电荷。由于胶体颗粒的这种带电现象,使相同的胶体颗粒之间产生相互排斥作用,不能相互凝聚,而长期稳定的存在于水中。4．胶体颗粒的溶剂化作用胶体颗粒按其对溶剂〔水的亲合力强弱,分为亲水性胶体和憎水性胶体。亲水性胶体在水中保持稳定性的原因是在胶体颗粒表面上有一个具有一定厚度的水膜。水膜具有定向排列结构,当两个亲水性胶体颗粒相碰时,水膜被挤压变形,但因水膜有力图恢复原定向排动结构的能力,而使水膜具有弹性,从而使两个相碰撞的胶体颗粒"擦肩而过",而不凝聚。天然水体中的亲水胶体主要是一些高分子的有机化合物,在其分子结构中含有带正电的氨离子或带负电的碳酸氢根等极性基团。它们具有吸附大量水分子的能力,在其表面形成一个水膜,增加了这种胶体颗粒在水中的稳定性。憎水胶体颗粒在水中的稳定性在于它的带电性,这可由双电层结构来说明。第二节联体颗粒的稳定性与脱稳方法一、肢体颗粒的双电层结构根据胶体化学的概念,胶体颗粒由胶核、吸附层和扩散层三部分组成。现以Fe〔OH3胶体为例说明其双电层的结构。胶核是许多yi〔on方分子的集合体,它不溶于水而成为胶体颗粒的核心,故称胶核。胶核具有较大的表面积,有从水中吸附某些离子的能力,如吸附FeO+,使胶核表面上拥有一层带电离子,称为电位决定离子。如果电位决定离子为阳离子,胶核就带正电荷；如果电位决定离子为阴离子,胶核就带负电荷。胶核表面的电位决定离子在静电引力的作用下,吸引水溶液中电荷符号相反、电荷量相等的离子〔氯离子、硫酸根离子到胶核周围,被吸引的离子称为反离子。这样就在胶核与周围水溶液之间的界面区域内形成了一个双电层结构,内层为胶核的电位决定离子层,外层为溶液中的反离子层。其中部分反离子因受到较大的静电引力,与胶核表面的电位决定离子接合紧密、牢固,形成吸附层〔也称固定层,其厚度大约有一个离子的厚度〔约0．2~0．3nm。由于在吸附层以外的反离子受到的静电引力弱,在反离子热运动和浓差扩散作用的推动下,分散到溶液深处,形成一个扩散层,其厚度比吸附层大得多。胶核、电位决定离子与反离子的吸附层一起叫胶粒,胶粒是带电的。胶核电位决定离子、反离子的吸附层和散层组成一个整体,叫胶团,胶团是不带电的,可表示为式中的地、n、p表示任何正整数,m表示胶核中Fe〔OH3的分子数,n表示吸附在胶校表示面上的电位决定离子数,力表示扩散层中的反离子数。图3．1k示出胶体颗粒的结构。水中的粘土颗粒〔如高岭石大都是一些规则排列的片状结晶体,当在水中溶解了一部分原子或吸附了水中某些阴离子。〔如OH－后,便变成了一个带电荷的粒子。同样会由于静电引力作用吸引水中某些阳离子〔反离子构成吸附层和扩散层,形成一个双电层结构。当胶体颗粒在某种力的作用下与水溶液之间发生相对位移时,吸附层中的反离子和扩散层中的部分反离子随胶核一起运动,而扩散层的其余反离子滞留在水溶液中,这样就形成了一个脱开的界面。称为滑动面,滑动面的电位叫￡电位,吸附层与扩散层分界面处的电位用gd表示,胶核表面上的电位叫总电位,也称热力学电位90,如图3-3。图3．3胶体结构和双电层中的电位分布二、胶体颗粒之间的排斥力与吸引力带有相同电荷的胶体颗粒之间除了存在静电排斥力之外,还存在有吸引力,这种吸引力称为范德华引力。当两个胶体颗粒在运动中相互接近时,实际上它们是以滑动面为界面的带相同电荷的两个颗粒相互接近。按库仑定律,相同电荷的两个颗粒之间的静电斥力大小与两个颗粒中心距的2—3次方成反比关系,即靠得越近斥力越大,如图3－4所示。图3－4相互作用位能与颗粒间距的关系两个胶体颗粒之间的范德华吸引力是由胶体中的分子产生的引它包括三个部分：静电力、感应力和色散力。三、胶体颗粒的脱稳胶体颗粒的脱稳是指通过降低胶体颗粒的电位或减小水化膜的厚度,破坏它的稳定性,使相互碰撞的颗粒聚集成大的絮凝物,最后从水中沉降分离出来的过程。下面介绍在水处理领域内经常采用的几种脱稳方法。1．投加带高价反离子的电解质在含有带负电荷的粘土胶体颗粒的水中,投加带高价反离子的电解质后,水中反离子浓度增大,胶体颗粒的扩散层因受到压缩而变薄,Z电位降低或消失。此时颗粒之间的排斥位能减小或消失,总位能为吸附位能,颗粒之间很容易凝聚。Z电位等于零的状态,称为等电点。但凝聚不一定在Z电位降至等电点时才开始发生,而在Z电位大致等于0．03H时就开始凝聚,这一电位值是胶体颗粒保持稳定的限度,故称临界电位值。试验证明,投加的电解质,其反离子的价数越高,脱稳的效果越好。在投加量相同的情况下,2价离子的脱稳效果为二价离子的50～60倍,3价离子为1价离子的700—1000倍,即要使水中带负电荷的胶体颗粒脱稳,所需正1价、2价、3价离子的投加量之比,大致为1：102：103,这条规则被称为Schulze-Hardy法则。对于亲水胶体颗粒,要使其脱稳．主要是压缩水化膜的厚度,也可由投加电解质来完成,只是投加量要比憎水胶体大得多。2．投加带相反电荷的胶体向天然水中投加与原有胶体电荷相反的胶体后,由于电性中和作用,使两种胶体的电位值均降低或消失而发生脱稳,产生凝聚。为使两种胶体凝聚,必须控制适当的投加量,如投加量不足,仍保持一定的Z电位值,凝聚效果不好。但如果投加量过大,由于原来水中带负电荷的粘土颗粒因吸附了过多的正离子而带正电荷,使胶体颗粒发生再稳现象,这称为电荷变号。例如,向水中