《水质工程学》课程授课教案（讲稿）21 第七章 水的软化7-1软化的目的与方法概述7-2水的药剂软化法

课程名称：《水质工程学I》第周，第21讲次摘要S7-1、水软化的目的与方法概述授课题目（章、节）【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】属工业给水处理某些工业用水，对水质有特殊的要求：如：硬度：蒸发残渣；纯度；温度；腐蚀性；结垢的缓解等。包括：水的软化；水的淡化和除盐；水的冷却；循环水水质稳定。s7一1、水软化的目的与方法概述悬浮物胶体状物质混凝，沉淀，过滤，菌类天然水中含消毒处理。有的杂质溶解盐类一软化和除盐处理。气体（C02、02)一曝气，化学处理。一、天然水中溶解的盐类及其析出的规律：1、溶解于水中的盐以离子态存在，阴、阳离子当量数相同，水呈电中性。水中：阳离子：主要Ca2*MgNaK少量Fe2Mn2*Sr2+Fe3+A13+阴离子：主要：HCO3-SO.2-C1少量：Co32-Si032-2、水中溶解离子的加热蒸发组合规律：

课程名称：《水质工程学 I》 第 周，第 21 讲次 摘 要 授课题目（章、节） §7—1、水软化的目的与方法概述 【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。 【重 点】 【难 点】 内 容 【本讲课程的引入】 【本讲课程的内容】 属工业给水处理 某些工业用水，对水质有特殊的要求： 如：硬度；蒸发残渣；纯度；温度；腐蚀性；结垢的缓解等。 包括：水的软化；水的淡化和除盐；水的冷却；循环水水质稳定。 §7—1、水软化的目的与方法概述 悬浮物 胶体状物质 混凝，沉淀，过滤， 天然水中含 菌类 消毒处理。 有的杂质 溶解盐类—软化和除盐处理。 气体(CO2、O2)—曝气，化学处理。 一、天然水中溶解的盐类及其析出的规律： 1、溶解于水中的盐以离子态存在，阴、阳离子当量数相同，水呈电中 性。 水中：阳离子：主要 Ca2+ Mg2+ Na+ K + 少量 Fe2+ Mn2+ Sr2+ Fe3+ Al3+ 阴离子：主要：HCO3－ SO4 2－ Cl－ 少量：CO3 2－ SiO3 2－ 2、水中溶解离子的加热蒸发组合规律：

水中的多种阴阳离子说不上结合成了那些化合物，但加热后，有析出的先后顺序。阳离子析出的顺序为：Ca2→Mg2-→ Nat → K阴离子析出的顺序为：HC03- → SO42-→ C1-注：HCO3的析出是反应后析出，2HC03-→MCO3+CO2 1 +H20假设化合物一一将水中各种离子加热水蒸发，按其沉淀折出的先后顺序，假想组成某些结合物。c (1/2Ck2*)=2.4(1/2Mg2+)=1.2c (Na*) =1.2(HCO;)=1.2c (1/2SO-) =1.8c (c-) =1.8c( ↓cso.)c(↑ Meso.)c( 1Mech)(ca (HCO)e(NaCl)=1.2=1.2=1.2=0.6=0.6水中离子的假想结合注：数字表示物质的量浓度，以mmal/L计。应用：（1）可以拟定水的处理方案：（2）可知物质析出的先后顺序；（3）可以写出化学方程式。注意：水质分析的阴阳离子当量数应相等，如不相等时，误差不可超过5%。二、硬度：硬度物质：Ca2+MgFe2Mn2Sr2Fe3A1等1、（总）硬度一一把水中能生成水垢的钙、镁离子的总含量称为水的总硬度，用Ht表示。2、硬度分类：总硬度又分为：（1）碳酸盐硬度（暂时硬度）Hc：加热后可以析出CaCO；MgCO3Mg(OH)2沉淀的硬度

水中的多种阴阳离子说不上结合成了那些化合物，但加热后，有析 出的先后顺序。 阳离子析出的顺序为： Ca2+ →Mg2+ → Na+ → K + 阴离子析出的顺序为： HCO3－ → SO42 －→ Cl－ 注：HCO3 －的析出是反应后析出， 2HCO3－ ⎯⎯→ MCO3+CO2↑+H2O 假设化合物——将水中各种离子加热水蒸发，按其沉淀折出的先后 顺序，假想组成某些结合物。 应用：（1）可以拟定水的处理方案； （2）可知物质析出的先后顺序； （3）可以写出化学方程式。 注意：水质分析的阴阳离子当量数应相等，如不相等时，误差不可超 过 5%。 二、硬度： 硬度物质：Ca2+ Mg2+ Fe2+ Mn2+ Sr2+ Fe3+ Al3+等 1、（总）硬度——把水中能生成水垢的钙、镁离子的总含量称为水 的总硬度，用 Ht 表示。 2、硬度分类：总硬度又分为： （1）碳酸盐硬度（暂时硬度）Hc：加热后可以析出 CaCO3 ； MgCO3； Mg(OH)2沉淀的硬度

Ca?++2HCO,^>CaCO, ↓+CO, +H,OMg2++2HCO,^→MgCO,+CO,+H,OMgCO,+H,0-→Mg(OH)2+C0)（2）非碳酸盐硬度（永久硬度）Hn：加热后不析出沉淀物，如MgS04按离子种类分：钙硬度：Hca镁硬度：HMg复习化学单位：一、物质的量n：1、使用物质的量n所表达的是：基于某一物系中所包含某特定种类粒子数多少而给出的一个量。2、物质的量n是SI的基本量，因而它不可能有意义。（因为一切基本量都没有定义）3、表达式：系统中有N个基本单元X，其基本单元X的量n（x)为：N(X)n(X)=LL一阿伏加德罗常数L=6.0221376×1023mo1-1X一基本单元，基本单元可以是原子、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的“特定组合”。1.2如：2CO2；MnO;e";N;543CC（碳—碳键）。例：ni(S)和n(Ss)n.(S)一是以1个S做基本单元。ni(Ss)一是以8个S做基本单元。若:(5)- _8() 8(s)LL:. ni(S) =8n,(Ss)1:= zn(X通式：nZ

Ca HCO3 CO3 CO2 H2O 2 + 2 ⎯→Ca  + + + −  Mg HCO3 CO3 CO2 H2O 2 + 2 ⎯→Mg  + + + −  MgCO3 +H 2O ⎯→Mg(OH) 2  +CO2  （2）非碳酸盐硬度（永久硬度）Hn：加热后不析出沉淀物，如 MgSO4 按离子种类分： 钙硬度：HCa 镁硬度：HMg 复习化学单位： 一、物质的量 n： 1、使用物质的量 n 所表达的是：基于某一物系中所包含某特定种类粒 子数多少而给出的一个量。 2、 物质的量 n 是 SI 的基本量，因而它不可能有意义。（因为一切基本 量都没有定义） 3、表达式：系统中有 N 个基本单元 X，其基本单元 X 的量 n(X)为： L N X n X ( ) ( ) = L— 阿伏加德罗常数， L=6.0221376×1023mol－1 X—基本单元，基本单元可以是原子、分子、离子、电子及其它粒 子，或是这些粒子的“特定组合”。 如：2CO2； − 4 5 1 MnO ； − e 3 2 ；N； C—C（碳—碳键）.。 例：n1(S)和 n1(S8) n1(S)—是以 1 个 S 做基本单元。 n1(S8)—是以 8 个 S 做基本单元。 若: ( ) ( ) 8 8 1 8 ( ) 8 ( ) S L N L N S L N S n S = = = ∴ n1(S) =8n1(S8) 通式： X zn(X ) z n  =      1 1

1X一称为当量粒子。Z常用：Z一等于离子电荷数。二、摩尔质量M：1、摩尔质量M：是联系物质的量n与其质量m的一个量。2、定义：某一基本单元X在一物系中的总质量为m(x），其量为n(x），则其摩尔质量m(x)M(x)为: M(X)=n(x)单位：g/mol对于给定的基本单元X，其摩尔质量M(x）是一物理常量。如：M(Ca) =40.08 g/molM (H)=1.0079g/molM (H)=1.0074g/mo1M (1/2Ca*)=20.04g/mol3、摩尔质量M(x)与M（-X）的关系：2M(!x)-1 M(x)Ml(z)三、物质的量浓度C：1、定义：c(x)=n()=_m(x)VM(x)VV一溶液的体积，常用单位升（L）或毫升（ml）。2、同一溶液，X与当量粒子=X的浓度关系：z= C(X)c(x):3、硬度的单位与度量：

X z 1 —称为当量粒子。 常用：z—等于离子电荷数。 二、 摩尔质量 M： 1、摩尔质量 M：是联系物质的量 n 与其质量 m 的一个量。 2、定义：某一基本单元 X 在一物系中的总质量为 m(x) ，其量为 n(x) ， 则其摩尔质量 M(x)为： ( ) n(X ) m X M (X ) = 单位：g/mol 对于给定的基本单元 X，其摩尔质量 M(x)是一物理常量。 如： M(Ca) =40.08 g/mol M (H)=1.0079 g/mol M (H+ )=1.0074g/mol M (1/2Ca2+)=20.04g/mol 3、摩尔质量 M(X)与 M ( X z 1 ) 的关系： M (X ) z X z M 1 1  =      三、 物质的量浓度 C： 1、定义： ( ) ( ) ( ) M (X )V m X V n X C X = = V—溶液的体积，常用单位升（L）或毫升（ml）。 2、同一溶液，X 与当量粒子 X z 1 的浓度关系： X zC(X ) z C  =      1 ( )       = X z C z C X 1 1 3、硬度的单位与度量：

（1）物质的量浓度：i法定：mmol/L1/2Ca2+的摩尔浓度，以电子数为粒子量单位。i常用：mmol/LCa2摩尔浓度，以Ca粒子量单位。（2）当量浓度：meq/L毫克当量（3）德国度：10mgCa0/L为一度d（4）折算CaCO,的量浓度：美日等国用。mg（CaCO3）/L换算关系：1（Ca)mmol/L=2.0(1/2Ca2)mmol/L=2.0meg/L=5.6d°=100mg(CaC03)/L硬度表示方法及其换算关系度当量浓度CaCO,的质量浓度表示方法物质的量浓度CacO,的c (Cat) =c(1/2Ca+)=Ca2*的豪克当定义10mgCaO/L量数/体积质量/体积"(Ca**) /V(1/2Ca*)/V单位mmol/Lmmol/Lmeq/L德国度（d）mg/Lc (Ca"*),12.02.01005.6mmol/Lc (1/2Ca2*),502.81!0.50mmol/L算502.8meg/L0.5011关mg/L系1I0.010.020.020:056(CaC0)德国度（d)0.180.360.3617.914、天然水据硬度分类；极软水：11.Ommo1(1/2Ca*)/L极硬水：>30d°5、硬度与碱度的关系：两者单位相同。碱度：水中所含能与强酸发生中和作用的全部物质

（1）物质的量浓度： ⅰ法定： mｍol/L 1/2 Ca2+ 的摩尔浓度， 以电子数为粒子量单位。 ⅱ常用： mｍol/L Ca2+ 摩尔浓度， 以 Ca2+粒子量单位。 （2）当量浓度： meq/L 毫克当量. （3）德国度：10mgCaO/L 为一度 d° （4）折算 CaCO3的量浓度：美日等国用。 mg(CaCO3) /L 换算关系： 1（Ca2+）mｍol/L =2.0(1/2 Ca2+) mｍol/L = 2.0meg/L=5.6 d°=100mg(CaCO3) /L 4、天然水据硬度分类； 极软水： 30 d° >11.0mmol(1/2Ca2+)/L 5、硬度与碱度的关系：两者单位相同。 碱度：水中所含能与强酸发生中和作用的全部物质

①氢氧化物碱度（天然水中含量极小）OH离子含量（2）碱度分类：人②碳酸盐碱度（天然水中含量极小）CO32③重碳酸盐碱度（天然水中含量高HCO3（3）关系：同一水样中的碱度和硬度，i总碱度总硬度时：除Ca，Mg外，还有Na+，K+重碳酸盐。总碱度一总硬度=负硬度（钠盐碱度）ii总碱度=总硬度时：水中只有碳酸盐硬度。即：总硬度=总碱度=碳酸盐硬度三、软化的目的：1、硬度的危害：锅炉用水：硬度大，使锅炉结垢，水垢的传热系数是钢铁的1/50，所以造成燃料的浪费；传热不均匀时，使金属烧损，引起锅炉爆炸。冷凝器中水硬度高：会结垢，堵管，增加水管阻抗一一增加能耗。印染造纸等工业对水的硬度都有一定要求（产品质量）。日常生活：洗涤费肥皂，水壶结垢，2、软化的目的：消除上述危害。3、软化与除盐的区别：（1）软化：去除或降低水中Ca，Mg离子的过程。这个过程，有可能使阴离子也降低，即含盐量相应降低。也有可能阴离子不降低，即有别的阳离子Na，K替代Ca，Mg2。（2）除盐：是减少水中盐类总量的过程。不特别指去除某种离子，只要非H阳离子，即去除。但只要减少阳离子，必然有Ca，Mg的减少一一包含着软化。所以除盐起到了软化作用。但软化不能代替除盐。四、软化方法：1、基于溶度积原理：加入药剂，使Ca，Mg转化为难溶物质使其析

①氢氧化物碱度（天然水中含量极小）OH—离子含量 （2）碱度分类： ②碳酸盐碱度（天然水中含量极小）CO3 2— ③重碳酸盐碱度（天然水中含量高 HCO3 — （3）关系：同一水样中的碱度和硬度， ⅰ总碱度总硬度时：除 Ca2+，Mg2+外，还有 Na+，K+重碳酸盐。 总碱度－总硬度=负硬度（钠盐碱度） ⅲ总碱度=总硬度时：水中只有碳酸盐硬度。 即： 总硬度=总碱度=碳酸盐硬度 三、软化的目的： 1、硬度的危害： 锅炉用水：硬度大，使锅炉结垢，水垢的传热系数是钢铁的 1/50，所以 造成燃料的浪费；传热不均匀时，使金属烧损，引起锅炉爆炸。 冷凝器中水硬度高：会结垢，堵管，增加水管阻抗——增加能耗。 印染造纸等工业对水的硬度都有一定要求（产品质量）。 日常生活：洗涤费肥皂，水壶结垢， 2、软化的目的： 消除上述危害。 3、软化与除盐的区别： （1）软化：去除或降低水中 Ca2+，Mg2+离子的过程。 这个过程，有可能使阴离子也降低，即含盐量相应降低。也有可能阴离 子不降低，即有别的阳离子 Na+，K +替代 Ca2+，Mg2+ 。 （2）除盐：是减少水中盐类总量的过程。不特别指去除某种离子，只 要非 H +阳离子，即去除。但只要减少阳离子，必然有 Ca2+，Mg2+的减少— —包含着软化。 所以除盐起到了软化作用。但软化不能代替除盐。 四、软化方法： 1、基于溶度积原理：加入药剂，使 Ca2+ ，Mg2+转化为难溶物质使其析

出沉淀，称为药剂软化法或称沉淀法。2、基于离子交换原理：用离子交换剂，用Na，H离子将水中的CaMg离子交换出来。称离子交换法。3、基于电渗析原理：利用离子交换膜的选择透过性，使Ca，Mg浓缩去除。称为电渗析法4、加热法：因加热后可使碳酸盐浓度积降低，重碳酸盐分解成碳酸盐沉降，以去除Ca2+，Mg2。（少用。）

出沉淀，称为药剂软化法或称沉淀法。 2、基于离子交换原理：用离子交换剂，用 Na+ ，H +离子将水中的 Ca2+ ， Mg2+离子交换出来。称离子交换法。 3、基于电渗析原理：利用离子交换膜的选择透过性，使 Ca2+，Mg2+浓缩 去除。称为电渗析法。 4、加热法：因加热后可使碳酸盐浓度积降低，重碳酸盐分解成碳酸盐 沉降，以去除 Ca2+ ，Mg2+。（少用。）

87-2水的药剂软化法向水中加入药剂，降低水中的Ca2Mg离子。1、难溶物质的溶度积（25℃）表：某些难溶化合物的溶度积（25）化合物CaSO,Ca (OH)2Mg (OH)2CaO,MgCO,溶度积8.9×10124.7×10~92.5×10-55.0×10-64.0×10~5注：引自(Process Chemical for water&wastwater Treatment)(L.D.Benefield等）2、药剂软化：据溶度积原理，投加药剂（石灰，苏打等）使水中Ca，Mg离子反应生成CaCO,和Mg（OH）2沉淀物。3、工艺：投药混合，絮凝，沉淀，过滤。一、石灰软化法：1、软化原理：（1）生石灰消化：CaO+H2O=Ca(OH)2(2)Ca(OH)2→Ca2++20H2HCO3+2OH-→2CO32-+2H2O+)Ca2++CO32-→CaCO3lCa(OH)2+2HCO3-→CaCO3l+CO;2-+2H2ON+ Ca2+-→CaCO31加入1mo1Ca(OH)，可去除1molCa*石灰软化过程中其它的反应：CO2+Ca(OH)2-→CaCO3+H20Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2OMg(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+MgCO3+H20+) MgCO3+ Ca(OH)2-→CaCO3 ↓ +Mg(OH)2 ↓Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2-→2CaCO3↓+Mg(OH)2↓+H2O

§7-2 水的药剂软化法 向水中加入药剂， 降低水中的 Ca2+ Mg2+离子。 1、难溶物质的溶度积（25℃）表: 2、药剂软化：据溶度积原理，投加药剂（石灰，苏打等）使水中Ca2+， Mg2+离子反应生成CaCO3和Mg（OH）2沉淀物。 3、工艺：投药混合，絮凝，沉淀，过滤。 一、石灰软化法： 1、软化原理： （1）生石灰消化： CaO+H2O=Ca(OH)2 （2） Ca(OH)2→Ca2++2OH－ 2HCO3 － +2OH－→2CO3 2－ +2H2O +） Ca2++CO3 2－→CaCO3↓ Ca(OH)2+2HCO3 －→CaCO3↓+ CO3 2－ +2H2O ↘+ Ca2+ →CaCO3↓ 加入 1molCa(OH)2可去除 1mol Ca2+ 石灰软化过程中其它的反应： CO2+Ca(OH)2→CaCO3+H2O Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2O Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+MgCO3+H2O +) MgCO3+ Ca(OH)2→CaCO3↓+Mg(OH)2↓ Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2→2CaCO3↓+ Mg(OH)2↓+H2O

还有：MgSO4+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaSO4变成了永久硬度。MgCl2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓ +CaCl24Fe(HCO3)2+8Ca(OH)2+O2→Fe(OH)3↓+8CaCO3↓+6H20H2SiO3+Ca(OH)2→CaSiO3↓+2H20主要是：生成难溶的CaCO3、Mg（OH)2沉淀，减少水中Ca，Mg。去除水中碳酸盐硬度和降低水的碱度。2、特点：（1）CO2也要消耗一定量的石灰，但对后续反应有益。2HCO3~→CO2+CO32+H2O减少了HCO3（2）去除重碳酸钙是等摩尔进行的；去除重碳酸镁是用2倍摩尔的石灰用量。（3）仅能去除重碳酸盐硬度，不能去除非碳酸盐硬度。因此出水水质硬度高。水的剩余碳酸盐硬度可降到：0.25~0.5mmol/L。剩余碱度：0.8~1.2mmol/L。（4）可以去除部分Fe和Si03-等：硅化物可去除30~35%；铁残留量约0.1mg/L；有机物可去除25%。（5）不可投加过量，否则会增加水的硬度。3、适用条件：碳酸盐硬度高，非碳酸盐硬度低的水质，并且要求水的硬度不太高的情况下，一般用作预处理。4、石灰用量计算：（1）当Hca>Hc：（钙硬度>碳酸盐硬度时）

还有： MgSO4+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaSO4 变成了永久硬度。 MgCl2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCl2 4Fe(HCO3)2+8Ca(OH)2+O2→Fe(OH)3↓+8CaCO3↓+6H2O H2SiO3+Ca(OH)2→CaSiO3↓+2H2O 主要是：生成难溶的CaCO3、Mg(OH)2沉淀，减少水中Ca2+，Mg2+。去除水中 碳酸盐硬度和降低水的碱度。 2、特点： （1）CO2也要消耗一定量的石灰，但对后续反应有益。 2HCO3 －→CO2+ CO3 2－ +H2O 减少了 HCO3 － （2）去除重碳酸钙是等摩尔进行的；去除重碳酸镁是用2倍摩尔的石灰 用量。 （3）仅能去除重碳酸盐硬度，不能去除非碳酸盐硬度。因此出水水质 硬度高。 水的剩余碳酸盐硬度可降到：0.25~0.5mmol/L 。 剩余碱度：0.8~1.2mmol/L。 （4）可以去除部分Fe2+和SiO3 2－等： 硅化物可去除 30～35% ； 铁残留量约 0.1mg/L； 有机物可去除 25% 。 （5）不可投加过量，否则会增加水的硬度。 3、适用条件： 碳酸盐硬度高，非碳酸盐硬度低的水质，并且要求水的硬度不太高的 情况下，一般用作预处理。 4、石灰用量计算： （1）当HCa>Hc：(钙硬度>碳酸盐硬度时)

水中无Mg(HCO3)2仅有Ca(HCO3)2其质量浓度p(mol/L)p (CaO)=56 [C(CO2)+C (Ca (HCO3)2)+C (Fe2+) +K+ α J mg/L(2)当Hca<Hc：水中有Mg(HCO3)2p (CaO)=56 [C(CO2)+C (Ca (HCO3)2) +2C(Mg(HCO3)2)+C (Fe2+)+K+α J mg/L式中：p(CaO)一氧化钙（生石灰）的质量浓度mg/L：C(CO2)一原水中游离COz浓度mmol/L；C（Fe2+)一原水中铁离子浓度；mmol/L；K一混凝剂投加量；mmol/L；α一CaO过剩投量，取0.1~0.2mmol/L；二、石灰一苏达软化：苏达：Na2CO31、适用条件：原水硬度大于碱度。（水中有非碳酸盐硬度）2、加苏达的目的：去除水中非碳酸盐硬度。3、反应原理：（1)CaSO4+Na2CO3→CaCO3+Na2SO(2)CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaCI（3）MgSO4+Na2CO3-→MgCO3+Na2SO4(4)MgCl2+Na2CO3→MgCO3+2NaCI(5) MgCO3+Ca(OH)2→Mg (OH)2↓+CaCO3↓出水剩余硬度可降到0.15~0.2mmol/L。+【本讲课程的小结】【本讲课程的作业】

水中无 Mg(HCO3)2 仅有 Ca(HCO3)2 其质量浓度ρ(mol/L) ρ(CaO)=56〔C(CO2)+C (Ca (HCO3)2)+C (Fe2+) +K+α〕mg/L (2)当HCa <Hc ：水中有Mg(HCO3)2 ρ(CaO)=56〔C(CO2)+C (Ca (HCO3)2) +2C(Mg(HCO3)2) +C (Fe2+)+K+α〕mg/L 式中: ρ(CaO)—氧化钙（生石灰）的质量浓度 mg/L； C(CO2)—原水中游离 CO2浓度；mmol/L； C (Fe2+) —原水中铁离子浓度；mmol/L； K—混凝剂投加量；mmol/L； α—CaO 过剩投量，取 0.1～0.2mmol/L； 二、石灰—苏达软化： 苏达：Na2CO3 1、适用条件：原水硬度大于碱度。（水中有非碳酸盐硬度） 2、加苏达的目的：去除水中非碳酸盐硬度。 3、反应原理： （1）CaSO4+Na2CO3→CaCO3↓+Na2SO4 （2）CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaCl （3）MgSO4+Na2CO3→MgCO3+Na2SO4 （4）MgCl2+Na2CO3→MgCO3+2NaCl （5）MgCO3+Ca(OH)2→Mg (OH)2↓+CaCO3↓ 4 出水剩余硬度可降到 0.15~0.2mmol/L。 【本讲课程的小结】 【本讲课程的作业】