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1、第一篇：水及工业用水预处理,水，生命之源！,第一章 水及工业用水,第一节：水资源 第二节：天然水的化学特征及工业用水水质要求 第三节：节约水资源和防止水污染的重要性,水资源水资源分布概况,水是自然界中分布最广的一种资源。它以气、液、固三种状态存在。自然界的水主要指海洋、河流、湖泊、地下水、冰川、积雪、土壤水和大气水分等水体，其总员共约1.41019m3，如果将其平铺在地球表面上，水层厚度可达到约3000米深，但是绝大部分是咸的海水，加上内陆地表咸水湖、地下咸水共约占总水量的98。而冰川、积雪约占总水量的1.7目前尚难以利用和开发。.实际上可供开发利用的淡水只占总水量的0.3，约为41019m3
2、。因此，淡水是有限的宝贵资源。我国淡水资源比较丰富，居世界第五位。但人均水资源量与世界许多国家相比。相差很大，只能排到第88位。,地球上水的组成,世界淡水的组成,其它淡水的组成,世界的其它淡水中，河流水和湖泊淡水分别占了世界淡水总储量的0.006%和0.26%，再加上少量的浅层地下水,可利用的淡水占全球淡水总储量的0.3%，水资源是有限的。,表1世界部分国家人均水资源量比较表,我国河流、湖泊众多水量充沛，根据一些特征基本上可分为四个区：潮湿区、湿润区、过渡区和干旱区。(一)潮湿区 潮湿区为我向东南沿海地区，浑浊度也低，一般在10mg/L左右。硬度也低，属软水。水中主要化学组成为碳酸氢钙和碳酸氢
3、钠等。(二)湿润区 湿润区为长江流域及其以南地区，黑龙江和松花江流域之间的地区也属湿润区。但在贵州、广西地区有石灰岩溶洞，水的硬度增大。在长江流域，水中主要化学组成为碳酸氢钙类，在东北地区也有含碳酸氢钠类的。,(三)过渡区 过渡区为黄河流域及其以北地区直到辽河流域。该区降水量较少，蒸发量较大浑浊度较高。水的含盐量较高，因而矿化度和硬度都较高,水中主要组成为碳酸氢钙类但也有相当多的地方为碳酸氢钠类甚至出现硫酸盐或氯化物类。(四)干旱区 干早区为内蒙和西北大片地区。该区降水量少而蒸发强烈，因此形成径流量很低的干旱地带。由于径流量小，土壤中可溶性盐含量高，所以水的含盐量和硬度都很高。水中主要组成是硫
4、酸盐或氯化物类。,二、工业用水的各种水源及其特点,水是工业生产中重要的原料之一，没有合格的水源，任何工业都不能维持下去。工业用水的淡水水源主要来自地表的江河水、湖泊和水库水以及地下水(井水)。,(一)江河水,河流是降水经地面径流汇集而成的，流域面积十分广阔，又是敞开流动的水体，受地区、气候以及生物活动和人类活动的影响而有较大的变化。河水广泛接触岩石土壤，不同地区的矿物组成决定着河水的基本化学成分。此外，河流水总混有泥沙等悬浮物而呈现一定混浊度，可从几十mgL到数百mgL。夏季河水上涨浑浊度还更高，冬季又可阵到很低。河流水中主要离子成分构成的含盐量，一般在100200mgL不超过500mgL，个
5、别河流也可达30000mgL以上。,(二)湖泊和水库水,如果流入和排出的河流水量都较大而湖水蒸发量较小则湖水含盐量较低，形成淡水湖，其含盐量一般在300mgL以下。通常淡水湖泊在湿润地区形成。,(三)地下水,水质组成稳定，水温变化很小，水质透明清澈，有机物和细菌的含量较少，但含盐量较高，硬度较大；随着地下水深度的增加，其主要离子组成从低矿化度的淡水型转化为高矿化度的咸水型。,第二节 天然水的化学特征及工业用水水质要求,一、天然水的化学特征(一)天然水中碳酸化合物 天然水中普遍存在着各种形态的碳酸化合物，它们是决定水质pH值的重要因素并且对外加酸、碱有一定的缓冲能力，同时对水质和水处理有着重要的
6、影响。,1碳酸化合物存在的形态,天然水中碳酸化合物的来源有以下几个方面：首先是空气中二氧化碳的溶解、岩石、土壤中碳酸盐和重碳酸盐矿物的溶解；其次是水中动植物的新陈代谢作用以及水中有机物的生物氧化等产生的二氧化碳；有时在水处理过程中也会加入或形成各种碳酸化合物。上述各种来源的碳酸化合物综合构成水中碳酸化合物的总量。上述四种碳酸化合物存在着以下几种平衡关系：p4,做酸平衡和pH值的关系（版述）（作业：推导）,(二)天然水的酸度,水的酸度是指水中能与强碱发生中和作用的物质的总量。水的酸度通常由三类物质组成：一是强酸，如HCl、HN03、H2S04等；二是弱酸，如H2CO3；H2S、H4Si04以及各
7、种有机酸等：三是强酸弱碱盐等。这些物质在水中都会电离产生H+或经过水解产生H+而这些H+均能与OH发生中和反应。这些H+的总数叫做总酸度，用mmolL表示。总酸度与水中pH值并不是一回事。天然水受到强酸污染时其pH值均在4以下。而当水的pH值高于4时，水的酸度一般都由弱酸构成：如果天然水未受到工业弱酸的污染，则弱酸主要指碳酸。,(三)天然水的碱度,水的碱度与酸度相反，是指水中能与强酸即H+发生中和作用的物质的总量。其组成通常也是三类物质：一是强碱，如NaOH、Ca(OH)2等；二是弱碱，如NH3、有机胺类；三是强碱弱酸盐，如各种碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、硫化物等。大多数天然水中，碱度由氢氧化物
8、、碳酸盐和重碳酸盐组成，通常称之为总碱度，以M表示。（版述笔记）,只有当天然水受到强碱物污染或人为地用石灰进行软化处理时，其pH值才高于I0，这时水的总碱度常由氢氧化物和碳酸盐组成如造纸厂、制革厂排出的废水及锅炉用水等。如果天然水中有大量藻类繁殖，在繁殖过程中会吸收水中CO2，使水的pH值迅速升高，这时水中总碱度主要由碳酸根组成。水的碱度常影响到水质特性，因此水的总碱度是最常用的一个水质指标。,(四)天然水的硬度,通常以Ca2+和Mg2+的含量来计算水的硬度，并作为水质的一个指标。天然水都含有一定的硬度，地下水、咸水和海水的硬度较大。总硬度。按照阳离子组成，为钙硬度和镁硬度；按阴离子组成，分为
9、碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。暂时硬度、非碳酸盐硬度称为永久硬度。由于天然水的pH值一般均在8.3以下，因此水中CO32的量极少，可以认为天然水中碳酸盐硬度的阴离子就是HCO3。（版述笔记）,二、工业用水的水质要求,工业用水通常包括工艺用水、锅炉用水、洗涤用水以及冷却用水等。要求也不相同，下面着重对锅炉用水和冷却用水的水质要求作些阐述：,()锅炉用水,锅炉用水是将水在一定的温度和压力下加热产生蒸汽，用蒸汽作为传热和动力的介质。一般工矿企业常采用低压或中压锅炉产生蒸汽作热源或动力用，这种锅炉对水质要求稍低；而发电厂或热电站常采用高压锅炉产生蒸汽以推动汽轮机来发电，为保证蒸汽对汽轮机无腐蚀和结垢沉积，
10、这种锅炉对水质要求非常高。因此，锅炉用水的水质要求根据锅炉的工作压力和温度的不同而不同，不论何种锅炉用水，它对水的硬度拥有较严格的限制。其他凡能导致锅炉、给水系统及其他热力设备腐蚀、结垢及引起汽水共腾现象，使离子交换树脂中毒的杂质如溶解氧、可溶性二氧化硅、铁以及余氯等都应大部或全部除去。,(二)冷却用水,大多数工业生产中都是用水作为传热冷却介质的。因为(1)水的化学稳定性好，易分解；它的热容量大，在常用温度范围内，不会产生明显的膨胀或压缩；（2）它的沸点较高，在通常使用条件下，在换热器中不致汽化；（3）水的来源较广泛；（4）流动性好，易于输送和分配；（5）相对来说价格也较低。目前在钢铁、冶金工
11、业中用大量的水来冷却高炉、平炉转炉、电炉等各种加热炉的炉体；在炼油、化肥、化工等生产中用大量的水来冷却半成品和产品；在发电厂、热电站则用大量的水来冷凝汽轮机回流水；在纺织厂、化纤厂则用大量水来冷却中调系统及冷冻系统。,这些工业的冷却水用量平均约占工业用水总量的67，其中又以石油、化工和钢铁工业为最高。作为冷却用水的水质虽然没有像工艺用水、锅炉用水那样对各种指标有严格的限制。为了保证生产稳定，不损坏设备，能长周期运转，对冷却用水水质的要求还是相当高的。,冷却用水水质的要求,1水温要尽可能低一些 2水的浑浊度要低 3水质不易结垢 4水质对金属设备不易产生腐蚀 5.水质不易滋生菌藻,第三节 节约水资
12、源和防止水污染的重要性,一、水在自然界的循环 二、节水和防止污染的重要性,水资源自然循环,地球上的水经常处于循环中，包括自然循环和社会循环。由自然力促成的循环，称为水的自然循环，它是水的基本运动方式。海水蒸发为云，随气流迁移到内陆，遇冷气流凝为雨雪而降落，称为降水。一部分水沿地表流动，汇成江河湖泊，称为地表径流；另一部分降水渗入地下，形成地下径流。在流动过程中，地表水和地下水相互补给，最终复归大海。这种海洋-内陆-海洋的循环，称为大循环。那些在小的自然地理区域内的循环，称为小循环。生物体内的水，也进行着吸收-蒸发-吸收的内外循环。,地球上的水循环,水资源社会循环,由人的社会需要而促成的循环，称
13、为水的社会循环。它是直接为人们的生 活和生产服务的。取之自然而直接供生活和生产（特别是工业生产）使用的 水，称为给水；使用后因丧失原有使用价值而废弃外排的水，称为废水。为 保证给水能满足用户的使用要求（水量、水质和水压）而采取的整套工程设 施，称为给水工程。为保证废水（有时也包括部分雨水）能安全排放或再用 而采取的整套工程设施，称为排水工程。给水工程和排水工程构成了水的社 会循环。完善的给水系统和排水系统是现代城市和工业区所必须 具备的基础条件。,中国水资源的特点,数量上：“总量不少，人均不多”空间分布上：“南方多、北方少，东部多、西部少”时间分配上：“夏秋两季多，冬春两季少，各年之间变率大”
14、,地枯井枯人枯,淹了,造成水资源紧缺的原因：自然原因：如水资源时空分布不均、部分地区气候反常等。人为原因：用水量迅速增加；水质污染。,世界用水量的增加,城市居民用水,工业用水,农业用水,长江之污,“红”河,2001年度七大水系污染由重到轻的顺序依次是：海河、辽河、淮河、黄河、松花江、长江和珠江。,长江水系的主要污染指标是石油类、氨氮和高锰酸盐指数。,主要污染指标为溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、挥发酚和石油类。黄河干流悬浮物浓度很高，最高达4851毫克/升。,水资源的合理利用和保护,建立蓄水工程修建跨流域的引水工程合理开采地下水科学用水，节约用水保护水资源，防治水污染,水的时间分配不均水的空
15、间分布不均地下水更新周期长水资源有限及世界用水量的迅速增加水污染严重,第二节 工业用水预处理,地表天然水中混入的悬浮物、胶体物构成水的浊度，不除去则不能作锅炉水和冷却水使用。通常用混凝沉淀、过滤等方法去除。以离子和分子状态存在子水中的溶解盐类特别是硬度、铁等不除去不适用于锅炉水，通常采用离子交换、软化、除铁等方法去除。以自来水作锅炉用水，在进行离子交换软化前还需除去水中存在的余氯否则会影响离子交换树脂的性能。,一、混凝,(一)混凝机理,2电解质对双电层的作用机理,3吸附架桥作用机理,4沉淀物卷扫作用机理,(二)影响混凝的因素,1水温的影响 2水的pH值和碱度的影响 3水质的影响(三)混凝剂,二
16、、沉淀与澄清,(一)沉淀与沉淀池 水中悬浮的固体颗粒，依靠本身重力作用，由水中分离出来的过程称为沉淀。原水中悬浮固体颗粒较大，能依靠自身重力自然沉降的称为自然沉降沉淀。这种沉淀只能对含泥砂量高的原水进行预沉淀时采用。通常，原水预处理都是先经过混凝，使水中较小的颗粒凝聚并进一步形成絮凝状沉淀物(俗称矾花)，再依靠其本身重力作用由水中沉降分离出来，这种沉淀称混凝沉淀。,1.平流沉淀池,平流沉淀池通常为矩形水池，水流平面流过水池，构造简单，管理方便，可筑于地面，也可筑于地下，不仅适用于大型水处理厂，也适用于处理水量小的厂。它可作自然沉淀用，也可作混凝沉淀用。,2辐射沉淀池,3料板斜管沉淀池,2水力循
17、环澄清池,三、过滤(一)过滤过程,2重力式无阀滤池,重力式无阀滤池，是因过滤过程依靠水的重力自动流入滤池进行过滤或反洗，且滤池没有阀门而得名的。,四、除铁,我国含铁的地下水分布颇广，一般含铁量在430mgL左右。含铁地下水由于在地下，铁是以二价状态存在。这种水刚抽到地面时，水质清彻干净，但有铁腥味；时间略长，水质即发浑，洗涤织物及器具时会留下锈色斑点。离子极易污染离子交换树脂，使树脂中毒而降低交换能力。当用含铁水做锅炉补给水时，容易在锅炉受热面上结成铁垢，不仅影响传热，还易引起管壁腐蚀。冷却水中铁含量超过0.5mg/L时，会促使铁细菌繁殖，产生的粘泥除会堵管道和腐蚀，因此，除铁要引起足够的重视
18、。,(一）曝气除铁法,（二）锰砂过滤除铁法,天然锰砂中含有，它是氧化成的良好催化剂，其催化反应为：沉淀物经锰砂层过滤后除去。因此，锰砂既是催化剂又是滤料。,五、软化,当硬度高、碱度也高的水直接作补充水进入循环冷却水系统后，会使循环水水质处理的难度增大，同时浓缩倍数的提高也受到限制。另外高硬水也不宜直接作锅炉水的给水。立式水管锅炉、立式火管锅炉及卧式内燃锅炉的给水总硬度要求在3.5mmol/L以下。总硬度过高的水不能直接采用离子交换方法达到软化水的要求，经济效果也不好。碱度过高的水，也不能直接作为锅炉的补给水。所以上述这类水质均需在进入冷却水系统、锅炉和离子交换软化系统前，首先采用化学药剂方法进
19、行预处理。,(一)软化方法,1、石灰软化法 通常对硬度高、碱度高的水采用石灰软化法；对硬度高、碱度低的水采用石灰纯碱软化法；而对碱度高的负硬水则采用石灰石膏处理法 2、石灰纯碱软化法 石灰软化法只适用于暂硬度、永硬低的水质处理。对硬度高碱度低即水硬高的水，可采用石灰纯碱软化法，即加石灰的同时再投加适量的纯碱(Na2CO3又称苏打)。3、石灰石膏处理法 对于高碱度的负硬水，多余的碱度用石灰石膏法除去。,六、除氯,原水经过混凝、沉淀、澄清、过滤后，即可作为工业用水使用。如果作为饮用水，还必须进行消毒处理，以防止疾病传播。通常在水中通入氯气作为杀死细菌等微生物的消毒方法。当采用经过消毒处理的自来水作
20、锅炉给水时，必须除去自来水中的余氯。因为余氯的存在会破坏离子交换树脂的结构，使其强度变差，容易破碎。,(一)活性炭脱氯法,活性炭由木炭、沥清炭和果壳、果核、动物骨头等经高温焙烧和活化制成。活性炭脱氯不完全是由于物理吸附作用，它还有催化作用，使余氯进一步转化成碳的化合物。(二)化学药和脱氯法 化学药剂脱氯法是利用投加还原性药剂如二氧化硫和亚硫酸纳等，将余氯还原。,第三章 循环冷却水系统及其水处理概况,第一节 循环冷却水系统一、冷却水系统(一)直流冷却水系统(二)循环冷却水系统 第二节 敞开式循环冷却水处理的重要性,(一)直流冷却水系统,在直流冷却水系统中，冷却水仅仅通过换热设备一次，用过后水就被
21、排放掉，如图31所示。因此，它的用水量很大，而排出水的温升却很小，水中各种矿物质和离子含量基本上保持不变。这种冷却水系统不需要其他冷却水构筑物，因此投资少、操作简便，但是冷却水的操作费用大，而且不符合当前节约使用水资源的要求。这种系统(除了用海水的直流冷却水系统外)在国外已被淘汰，在国内一些中、小型老厂仍在采用。,(二)循环冷却水系统,1封闭式循环冷却水系统,2敞开式循环冷却水系统,溅水装置或填料,冷却塔内部装有溅水装置或填料，由一排排板条交错排列而成。水顺着板条逐排淋降，溅成水滴。也可采用膜式填料，使水在填料表面上以薄膜形式与空气接触。填料可由木材、水泥板或聚氯乙烯板等制成。填料必须受湿良好
22、，否则水在填料上形成水流而不是水滴或水膜。,图3-4中，空气靠冷却塔简体的高度，像烟囱一样自然拔风，将空气吸入塔内与水滴逆向接触。图3-5中，空气由塔顶的抽风机抽吸进入塔内，空气流动速度为90210mmin。在冷却塔内，热水与空气之间发生两种传热作用，一是蒸发传热，二是接触传热。,传热,传热是当水在其表面温度时的饱和蒸汽压大于空气中水蒸气分压时，水滴表面的水分子克服液态水分子之间的吸引力而汽化逸人空气中，并带走气化潜热，使液态水的温度下降。每蒸发lkg水，要带走约243X106j的热量。蒸发传热带走的热量约占冷却塔中传热量的75一80。接触传热是当空气的湿球温度低于水温时，热量从水传向空气，使
23、空气温度提高而水温降低，带走的热量是显热，约占冷却塔中传热量的20一25。,玻璃钢冷却塔,玻璃钢冷却塔的优点,由于玻璃钢冷却塔生产已系列化，规格齐全，而且体积轻，占地面积小，排列灵活，可以拆迁，运输方便，造价相对来说也较低，因此常为一些中小型化工厂、化肥厂、制药厂、宾馆等单位改建、扩建或新建循环冷却系统中采用。,三敞开式循环冷却水系统,（一）浓缩倍数,在敞开式循环冷却水系统中，由于蒸发，系统中的水会愈来愈少，而水中各种矿物质和离子含量就会愈来愈浓。为了使水中含盐量维持在定的浓度，必须补入新鲜水，排出浓缩水。通常在操作时，用浓缩倍数来控制水中含盐的浓度。设以K表示浓缩倍数，则K的含意就是指循环水
24、中某物质的浓度与补充水中某物质的浓度之比。,式中CR循环水中某物质的浓度；CM补充水中某物质的浓度。用来计算浓缩倍数的物质，要求它们的浓度除了随浓缩过程而增加外，不受其他外界条件，如加热，沉淀、投加药剂等的干扰。通常选用的物质有Cl、Si02、K+等物质或总溶解固体。,（二）补充水量（34）,(1)蒸发损失E与气候和冷却幅度有关，冬季e-损失系数，与季节有关，夏季(2530)时为015016；冬季(15 10)时为006008；春秋季(010)时为010012。为什么？,（三）排污水量,排污水量B(m3h)的确定与冷却塔的蒸发损失E和浓缩倍数K有关。为什么要排污？,第二节 敞开式循环冷却水处理
25、的重要性,一、敞开式循环冷却水泵统产生的问题(一)水垢附着 在循环冷却水系统中，重碳酸盐的浓度随着蒸发浓缩而增加，当其浓度达到过饱和状态时，或者在经过换热器传热表面使水温升高时会发生反应，形成致密的碳酸钙水垢，它的导热性能很差。轻者是降低换热器的传热效率，影响产量，严重时，则管道被堵。,(二)设备腐蚀,1冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀 2有害离子引起的腐蚀 3微生物引起的腐蚀,(三)微生物的滋生和粘泥,冷却水中的微生物一般是指细菌和藻类。在新鲜水中，一般来说细菌和藻类都较少。但在循环水中，由于养分的浓缩，水温的升高和日光照射，给细菌和藻类创造了迅速繁殖的条件。大量细菌分泌出的粘液嫁粘合剂一样，
26、能使水中飘俘的灰尘杂质和化学沉淀物等粘附在一起，形成粘糊糊的沉积物粘附在换热器的传热表面上。这种沉积物有人称它为生物粘泥，也有人把它叫做软垢。粘泥积附在换热器管壁上，除了会引起腐蚀外，还会使冷却水的流量减少，从而降低换热器的冷却效率；严重时，这些生物粘泥会将管子堵死，迫使停产清洗。,二、敞开式循环冷却水处理的重要性,(1)稳定生产(2)节约水资源（3）减少环境污染（4)节约,第四章 循环冷却水系统中的沉积物及其控制,第一节 循环冷却水系统中的沉积物 一、沉积物的分类 循环冷却水系统在运行的过程中，会有各种物质沉积在换热器的传热管表面。这些物质统称为沉积物。它们主要是由水垢(scale)、淤泥(
27、sludge)、腐蚀产物(corrosion products)和生物沉积物(biological deposits)构成。通常，人们把淤泥、腐蚀产物和生物沉积物三者统称为污垢(fouling)。,(一)水垢,天然水中溶解有各种盐类，如重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等。其中以溶解的重碳酸盐如Ca(HC03)2、Mg(HC03)2为最多，也最不稳定，容易分解生成碳酸盐。因此，如果使用含重碳酸盐较多的水作为冷却水，当它通过换热器传热表面时，会受热分解。冷却水通过冷却塔相当于一个曝气过程，溶解在水中的CO2，会逸出，因此，水的pH值会升高。此时，重碳酸盐在碱性条件下也会发生如下的反应：如水中溶有适
28、量的磷酸盐时，磷酸根将与钙离子生成磷酸钙，其反应为：,碳酸钙和磷酸钙均属微溶性盐，它们的溶解度比氯化钙和重碳酸钙要小得多。碳酸钙和磷酸钙的溶解度与一般的盐类不同，它们不是随着温度的升高而升高，而是随着温度的升高而降低。因此，在换热器的传热表面上，这些微溶性盐很容易达到过饱和状态而从水中结晶析出。当水流速度比较小或传热面比较粗糙时，这些结晶沉积物就容易沉积在传热表面上。水中溶解的硫酸钙、硅酸钙、硅酸镁等，当其阴、阳离子浓度的乘积超过其本身溶度积时，也会生成沉淀沉积在传热表面上。称为水垢。又称为无机垢；结晶致密，比较坚硬，又称为硬垢。它们通常牢固地附着在换热表面上，不易被水冲洗掉。,大多数情况下，
29、换热器传热表面上形成的水垢是以碳酸钙为主的。这是因为硫酸钙的溶解度远远大于碳酸钙。例如在0时，硫酸钙的溶解度是1800mgL，比碳酸钙约大90倍，所以碳酸钙比硫酸钙更易析出。同时天然水中溶解的磷酸盐较少，因此，除非向水中投加过量的磷酸盐，否则磷酸钙水垢将较少出现。,(二)污垢,污垢一般是由颗粒细小的泥砂、尘土、不溶性盐类的泥状物、胶状氢氧化物、杂物碎屑、腐蚀产物、油污、特别是菌藻的尸体及其黏性分泌物等组成。水处理控制不当，补充水浊度过高，细微泥砂、胶状物质等带入冷却水系统，或者菌藻杀灭不及时，或腐蚀严重、腐蚀产物多以及操作不慎，油污、工艺产物等泄漏入冷却水中，都会加剧污垢的形成。当这样的水质流
30、经换热器表面时，容易形成污垢沉积物，特别是当水走壳程，流速较慢的部位污垢沉积更多。由于这种污垢体积较大、质地疏松稀软，故又称为软垢。它们是引起垢下腐蚀的主要原因，也是某些细菌如厌氧菌生存和繁殖的温床。,由于污垢的质地松散稀软，所以它们在传热表面上粘附不紧，容易清洗，有时只需用水冲洗即可除去。但在运行中，污垢和水垢一样，也会影响换热器的传热效率。当防腐措施不当时，换热器的换热管表面经常会有锈瘤附着。其外壳坚硬，但内部疏松多孔，而且分布不均。它们常与水垢、微生物粘泥等一起沉积在换热器的传热表面。这类锈瘤状腐蚀产物形成的沉积物，除了影响传热外，更严重的是将助长某些细菌如铁细菌的繁殖，最终导致管壁腐蚀
31、穿孔而泄漏。,二、水垢析出的判断,(一)碳酸钙垢析出的判断 1饱和指数(LSI)碳酸盐溶解在水中达到饱和状态时，存在着下列动平衡关系1936年朗格利尔(Langelier)根据上述平衡关系，提出了饱和pH和饱和指数的概念，以判断碳酸钙在水中是否会析出水垢，并据此提出用加酸或用加碱预处理的办法来控制水垢的析出。如果碳酸钙在水中呈饱和状态，则处于平衡状态，重碳酸钙既不分解成碳酸钙，碳酸钙也不会继续溶解。此时水的pH值称为该水的饱和pH值，以pHs表示之。朗格利尔推导出了计算pHs的公式，并以水的实际pH与其pHs的差值来判断水垢的析出。,早期水处理工作者曾有意让冷却水在换热器传热表面上结一层薄薄的
32、致密的碳酸钙水垢，这样既不影响传热效率，又可防止水对碳钢的腐蚀。因此，朗格利尔提出：LSI0时，碳酸钙垢会析出，这种水属结垢型水；当LSI0时，则原来附在传热面上的碳酸钙垢层会被溶解掉，使碳钢表面裸露在水中而受到腐蚀，这种水称作腐蚀型水,计算饱和pH的简化方法,A总溶解固体系数；B温度系数；C钙硬度系数；DM碱度系数。,例题 已知某水的水质分析值如下：,(3)饱和指数的应用,2.稳定指数（R.S.I）,R.S.I2pHspH 6 腐蚀 R.S.I2pHspH 6 稳定 R.S.I2PHspH 6 结垢,3.结垢指数（P.S.I.）,P.S.I2pHspHeq 6 腐蚀 P.S.I2pHspHe
33、q 6 稳定 P.S.I2PHspHeq6 结垢 帕科拉兹认为P.S.I.比L.S.I和R.S.I在判断水质性能上更接近实际。,L S I只从热力学平衡角度出发，在工程应用中有局限性，特别是在冷却水中投入各种化学处理剂后根本失去预测作用。同样RSI虽然是在工程应用中总结出来的经验式，比L S I接近实际，但同样对用化学药剂处理过的冷却水失去了预测作用。而PS I也是局限于平衡观点，只是将RSI中水的实际pH用水的总碱度加以校正，因此也存在的问题，但对未加水质稳定剂的原水作水质性能的初步判断仍是可取的。临界PH结垢指数完全是用实验测定值代替热JJ学平衡推导式来预测水中的碳酸钙是否会沉淀出来，其实
34、用意义好，国内外均有人以此方法研制成测垢仪投入实际应用。,（二)磷酸钙析出的判断,在许多水质处理方案中，常在循环冷却水中投加聚磷酸盐作为缓蚀剂或阻垢剂，而聚磷骸盐在水中会水解成为正磷酸盐，使水中有磷酸根离子存在。磷酸根与钙离子结合会生成溶解度很小的磷酸钙沉淀，如附着在传热表面上，就形成磷酸钙水垢。因此，在投加有聚磷酸盐药剂的循环冷却水系统中，必须要注意磷酸钙水垢生成的可能性。预测磷酸钙水垢析出与否，提出磷酸钙饱和pH值。其原理是根据磷酸三钙在水中存在着下列平衡关系：,三、污垢热阻,Q=KFtm。(4-14)式中 Q单位时间内传递的热量，Js；F换热器的传热面积，如传热管内径(水侧)为di米，传
35、热管有效传热长度为L米，共有n根，则F=tm冷却水和热流体温度差的平均值，即 K比例系数，w(m2K)。,(二)管壁两侧为流体的传热原理,三)总传热系数的计算,(四)污垢热阻的测定和计算,在循环冷却水系统中，冷却水中各种沉积物在换热器水侧传热表面上沉积，同时热流体中也可能有沉积物在热流体一侧管壁上沉积。这些沉积物都会影响传热效果，即增加传热阻力。由沉积物引起的热阻通常称为污垢热阻。若冷却水侧的污垢热阻以rF表示，热流体侧的污垢热阻以r表示，则此时的传热总热阻1K 可表示为,如在试验中用饱和水蒸气代替热流体，可使热流体侧管壁上不生成污垢，保证r=0，同时还可使T1=T2=T0，并只用一根传热管做
36、试验，则 n=1。将这些条件代人上式，并整理后可得,图4-4为南京化工大学白行研制的可测定污垢热阻的动态模拟测试装置。,(五)恒温态污垢热阻的测定,第二节 循环冷却水系统中沉积物的控制,一、水垢的控制(一)从冷却水中除去成垢的钙离子(二)污垢,(二)常用的有机膦酸,1ATMP化学名称为氨基三亚甲基膦酸，ATMP系其英文名称Aminotrimethylenephosphonic acid的缩写。其分子结构式为,2EDTMP,化学名称为乙二胺四亚甲基膦酸，EDTMP则是其英文名称Ethylenediaminetetramethylene phosphonic acid的缩写。其分子结构式为,合成与
37、作用,EDTMP是由乙二胺、甲醛和三氯化磷一步合成的。它能与多价离子Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+、Al3+、Fe3+等形成稳定的络合物，这些大分子络合物是疏松的，可以分散在水中或混入钙垢中，使硬垢变松软。EDTMP对抑制碳酸钙、水合氧化铁和硫酸钙等水垢都有效，而对稳定硫酸钙的过饱和溶液最为有效，并且在200高温下也不分解，因此更适用于低压锅炉作炉内处理。国外还曾用EDTMP纯品作注射用药，作牙膏的添加剂，以阻止磷酸钙垢在牙齿上的沉淀。,3HEDP,HEDP是同碳二膦酸型中的一种有机膦酸。它的分子结构中不含N，其化学名称为羟基亚乙基二膦酸。HEDP是其英文名称1-Hydroxyethy
38、lidene一1，1一diphosphonic acid的缩写。其分子结构式为,合成与作用,HEDP是用醋酸和三氯化磷一步合成的。由于分子结构中只有CP键而无CN键，因此其抗氧化性比上述两种有机膦酸好。HEDP也能与金属离子形成六元环螯合物，并且有临界值效应和协同效应，因此它对抑制碳酸钙、水合氧化铁等的析出或沉积有很好的效果，但对抑制硫酸钙垢的效果较差。纯的HEDP是无毒的，国外还曾用它作为酒的稳定剂。此外，纯品还用于无氰电镀。,4DTPMP,DTPMP是国外20世纪80年代开发的一种有机膦酸。其化学名称为二亚乙基三胺五亚甲基膦酸。DTPMP是其英文名称diethylenetriaminepe
39、ntamethylenephosphonic acid的缩写。其分子结构式为。它的特点是与Mn2+复合对碳钢和铜合金均有很好的缓蚀能力。由于Mn2+不在环境法规限制范围之内，因此，这种药剂的配方在国际上已引起较大的兴趣。DTPMP与上述有机膦酸一样，也可以和多个金属离子螫合，形成两个或多个立体大分子环状络合物，松散地分散于水中，破坏了碳酸钙晶体的生长，从而起到阻垢的作用。,分子结构,三、膦羧酸,膦羧酸分子中同时含有磷酸基一PO(OH)2和羧基一COOH两种基团。根据它们在化合物中的位置和数目的不同，可以有很多品种。但目前在实际应用中，使用较多的是PBTCA，它的化学名称为2-膦酸基丁烷-1,2
40、,4-三羧酸，PBTCA是其英文名称2-phosphonobutane-1,2,4-tricarboxylic acid的缩写。其分子式为,作用,由于PBTCA分子结构中同时含有磷酸基和羧基两种基团，在这两种基团的共同作用下，使得PBTCA能在高温、高硬度和高pH值的水质条件下，具有比常用有机膦酸更好的阻垢性能。与有机膦酸相比，PBTCA不易形成难溶的有机膦酸钙。同时它还具有缓蚀作用，特别是在高剂量使用时，它还是一种高效缓蚀剂。PBTCA与锌盐和聚磷酸盐复配可产生良好的协同效应。,四、有机磷酸酯,有机磷酸酯的种类很多，但其分子结构中均有下列基团有机磷酸酯由醇和磷酸或五氧化二磷或五氯化磷反应制得
41、。采用不同配比可制得磷酸一酯、磷酸二酯等，如用多元醇与磷酸或五氯化磷反应，即可得到多元醇磷酸酯。它们的分子结构式分别为,分子结构,作用,有机膦酸酯抑制硫酸钙垢的效果较好，但抑制碳酸钙垢的效果较差。有机磷酸酯分子结构中有COP键，它虽比聚磷酸盐难水解，但比有机膦酸容易水解生成正磷酸。有人在其键中接入几个氧乙烯基，如聚氧乙烯基磷酸酯，可提高有机磷酸酯的阻垢和缓蚀性能。它们对炼油厂含油污冷却水的水质控制能保持良好的缓蚀、阻垢作用，有着特殊的效果。由于有机磷酸酯对水生动物的毒性很低，且会缓慢水解，水解后的产物还可以生物降解，因此对环境没有什么影响。有机磷酸酯一般与其他药剂如聚磷酸盐、锌盐、木质素和苯并
42、三氮唑等复合作用。,五、聚羧酸,(一)聚羧酸的种类和性质 聚羧酸作为阻垢剂和分散剂，使用最多的是丙烯酸的均聚物和共聚物，以及以马来酸为主的均聚物和共聚物。聚羧酸的阻垢性能与其相对分子质量、羧基的数目和间隔有关。每个品种有其最佳相对分子质量值。如果相对分子质量相同，则碳链上羧基数愈多，阻垢效果愈好。因为当羧基聚积密度高时，阻碍了相邻碳原子的自由旋转作用，相对地固定了相邻碳原子上羧基的空间位置，增加了它们与碱土金属晶格的缔合程度，从而提高了阻垢能力。,作用,这类化合物对碳酸钙等水垢具有良好的阻垢作用。同时也有临界值效应，因此用量也是极微的。但它们与聚磷酸盐和膦酸盐不同，后者只能对结晶状化合物产生影
43、响，而对泥土、粉尘、腐蚀产物和生物碎屑等污物的无定形粒子不起作用；而聚丙烯酸等聚合电解质却能对这些无定形不溶性物质起到分散作用，使其不凝结，呈分散状态而悬浮在水中，从而被水流所冲走。,(二)常用的聚羧酸,1聚丙烯酸 聚丙烯酸是由丙烯酸单体在异丙醇调节剂下以过硫酸铵为引发剂聚合而成的，也可以通过丙烯腈水解生成丙烯酸再聚合而成。作为水处理剂，其平均相对分子质量一般10006000范围内较好，其最佳值视水质条件和操作条件而异。用于海水、含盐的井水，以及温度较高时，相对分子质量要高一些，约在20004000左右。对硫酸钙垢，有人曾做过试验，发现聚丙烯酸相对分子质量在720左右时，其消垢效果最好。聚丙烯
44、酸除有良好的阻垢性能外，还能对非晶状的泥土、粉尘和腐蚀产物以及生物碎屑等起分散作用。因此在现代使用的各种复合水处理剂中常加有聚丙烯酸。,聚丙烯酸与聚甲基丙烯酸分子结构,2聚甲基丙烯酸,聚甲基丙烯酸由甲基丙烯酸单体聚合而成。其分子结构式为 聚甲基丙烯酸的阻垢和分散性能与聚丙烯酸相似，其耐温性较好，但价格较贵，一般不如聚丙烯酸那样使用广泛。,3丙烯酸与丙烯酸羟丙酯共聚物,丙烯酸与丙烯酸羟丙酯的共聚物系20世纪80年代初由日本栗田公司引进，代号为T225。它是由丙烯酸与丙烯酸羟丙酯共聚而成。它抑制碳酸钙结垢的性能较差，效果不如有机膦酸和上述几种聚合物，但对磷酸钙、磷酸锌以及氢氧化锌、水合氧化铁等有非
45、常好的抑制和分散作用，其效果超过上述各种阻垢剂。因此用T-225替代聚丙烯酸，与聚磷酸盐等复配往往可以收到显著的缓蚀和阻垢效果。目前该共聚物已在国内得到较为广泛的使用。,分子结构,4丙烯酸与丙烯酸酯共聚物,丙烯酸与丙烯酸酯共聚物是由该两种单体共聚而成。美国Nalco公司的N7319就是这种产品。它对磷酸钙和氢氧化锌有良好的抑制和分散作用，常与聚磷酸盐、磷酸酯和锌盐等药剂复配使用。除了上述一些丙烯酸类聚合物外，低分子量的聚丙烯酰胺及聚丙烯酰胺与丙烯酸等的共聚物也有较好的阻垢性能。,分子结构,5水解聚马来酸酐,水解聚马来酸酐简称HPMA，是其英文名称Hydrolyzedpolymaleicanhy
46、dride的缩写。它由马来酸酐单体在甲苯中以过氧化二苯甲酰为引发剂聚合成聚马来酸酐，再通过加热水解，使分子中酸酐大部分被水解为羧基。其分子结构较复杂，,作用,水解聚马来酸酐由于分子结构中羧基数比聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸多，因此阻垢性能比它们好，而且能在175C左右的较高温度下保持良好的阻垢性，因此在海水淡化的闪蒸装置中和低压锅炉、蒸汽机车上得到广泛应用。尽管其阻垢性能和耐温性都比前两种好，但是价格要贵得多，因此在循环冷却水处理中除特殊情况外，一般不大采用。,6马来酸酐丙烯酸共聚物,降低水解聚马来酸酐的价格，又保持其较高的耐温性，人们又开发了一种以马来酸酐和丙烯酸两种单体在过氧化二苯甲酰引发剂作用
47、下共聚成水解聚马来酸酐和丙烯酸的共聚物。它的阻垢性能与水解聚马来酸酐相似，但价格要低些，因此生产实际中，常以马来酸酐丙烯酸共聚物替代水解聚马来酸酐，可获得同样效果。,分子结构,7苯乙烯磺酸-马来酸(酐)共聚物,国外已开发出相当多品种的带磺酸基团的共聚物。据称这类共聚物具有良好的阻垢性能，特别是对抑制磷酸钙垢效果更显著。除此之外还兼有良好的分散性能，适应pH值范围宽，对“钙容忍度”高，是一种应用前途广泛的新品种。,作用,由于苯乙烯磺酸马来酸共聚物中引入了苯环，使其热稳定性有所提高，又由于分子结构中引入磺酸基团，使该共聚物的分散作用也得到了加强。苯乙烯磺酸马来酸共聚物常用于冷却水系统和中、低压锅炉
48、中，用来控制磷酸钙、碳酸钙、硅酸盐、铁的氧化物以及污泥等的沉积，效果显著。,8丙烯酸2甲基2丙烯酰胺基丙基磺酸类共聚物,2甲基2丙烯酰胺基丙基磺酸简称AMPS。用于水处理时，AMPS通常是与丙烯酸(AA)共聚，生成丙烯酸2甲基2+丙烯酰胺基丙基磺酸共聚物，简称AAAMPS。AMPS与丙烯酸共聚时，还可加入第三种或第四种单体，生成AAAMPS类的三元共聚物或四元共聚物，以提高其分散性能。常用于与AMPS共聚的单体有：叔丁基丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、异丙基丙烯基膦酸、对丙酯丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯、乙烯醇、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸甲氧基乙酯、甲基丙烯酸乙酯等。,分子结构,作用,共聚物中AM
49、PS的含量一般在20一50之间，相对分子质量控制在100020000。一般说来，共聚物中AMPS的含量增加，其阻磷酸钙垢、稳定锌盐和分散氧化铁的性能提高。不同配比的AAAMPS二元或多元共聚物表现出不同的阻垢分散性能。如AAAMPS共聚物中丙烯酸含量在80左右，具有较好的阻碳酸钙性能。提高AMPS含量或加入第三单体乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯醇等可以提高聚合物的阻磷酸钙垢的性能。加入第三单体甲基丙烯酸、乙酸乙烯酯、乙烯醇、异丙基丙烯酰胺等的AAAMPS共聚物，则具有较好的分散氧化铁的性能。,AAAMPS类共聚物随AMPS含量的不同及共聚物中其他组分的差异，产品的性能各不相同，应根据水质的情
50、况进行选择。例如：对于高硬度的结垢性强、腐蚀性弱的水质，可选择丙烯酸含量高的共聚物，这样既可以降低成本，又可以得到良好的阻垢效果；对于使用磷酸盐、锌盐含量较高的水处理剂的循环冷却水系统，则应选择AMPS含量高或第三单体阻磷酸钙垢或稳定锌性能好的共聚物，以保证冷却水中磷酸钙和锌的稳定。,作为工业循环冷却水处理用的阻垢分散剂，AAAMPS类共聚物单独使用时的投加量一般为2一lOmgL，连续投加；但在大多数情况下，它是与多种水处理剂复配使用。由于AAAMPS类共聚物的价格适中，具有优异的阻碳酸钙垢、阻磷酸钙垢、稳定锌和分散氧化铁的性能，同时在复配过程中，与有机膦酸盐和锌盐有很好的互溶性，故已成为水处
