非碳酸盐硬度 5 苏打量= 需去除的非碳 提供 CO32酸盐硬度
添加石灰 = CO2
添加石灰 = HCO3否 Mg2+>40 是 添加石灰 = Mg2+-40
是
否 Mg2+-40 < 20 ? 否
Mg2+-40 > 40 ? 是 添加石灰 = 40
添加石灰 = 20
添加石灰 = Mg2+-40
是 NCH是否除去
同Mg(OH)2相比，MgCO3在水中的溶解度比较大，当再 加入Ca(OH)2时，将会进一步转化成为Mg(OH)2沉淀。 Mg2+ + CO3- + Ca(OH)2 ⇔ CaCO3 (s) + Mg(OH)2 (s) ④去除Ca2+形成的非碳酸盐硬度 去除Ca 该过程并不需要进一步提高pH值。但需要添加额外的碳 酸根离子： Ca2+ + Na2CO3 ⇔ CaCO3 (s) + 2Na+ ⑤去除Mg2+形成的非碳酸盐硬度 去除Mg 需要同时添加石灰与苏打。石灰能够提供Mg2+沉淀反应 所需要的氢氧根离子。
否
解 决 软 化 问 题 的 流 程 图
添加碳酸钠 = 去 除的NCH
停止
2.3.2 石灰-苏打软化的高级概念 石灰（1）估算CO2浓度 ）估算CO 在软化过程中CO2 有2种重要作用：① 消耗用于去除 Ca2+和Mg2+的石灰；② 中和软化工艺出水的酸度。 利用碱度的定义（碱度 = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] 碱度 [H+] ）以及碳酸的离解平衡方程式，可以估计CO2的浓 度。当然，必须先确定水的pH值和碱度。 Example: Example: 已 知 水 的 pH 值 为 7.65 ， 总 碱 度 为 310mg/L 310mg/L CaCO3，试估算CO2浓度。 试估算CO 浓度。 Solution: 当原水的pH值小于8.5时，可假设水中的碱度 主要为HCO3- ，因此可以忽略HCO3- 转化成CO32- 的情形。 HCO HCO CO 解题过程：① 根据pH计算[H+] ，② 根据碱度计算碳酸 [H 氢 根 浓度 [HCO3-] ， ③ 利 用 碳 酸离 解平 衡表 达 式 求 [H2CO3] ，④ 假设[H2CO3] =[CO2]，进行估算。 [H =[CO
Ca2+ + 2HCO3- + Ca(OH)2 ⇔ 2CaCO3 (s) + 2H2O
③ 沉淀Mg2+形成的碳酸盐硬度 沉淀Mg 如果要去除Mg2+引起的碳酸盐硬度，则要添加更多的石 Mg 灰，使pH值达到11左右。此反应分为两个阶段，转变所 有碳酸氢根是第一阶段反应：
Mg2+ + 2HCO3- + Ca(OH)2 ⇔ CaCO3 (s) + MgCO3 (s) + 2H2O
[H+] = 10-pH = 10-7.65 = 2.24×10-8mol/L [HCO3-]转化： 转化：310mg/L CaCO3⇒ mol/L [HCO3-] = 310mg/L (61/50) (1/61/1000) = 6.2 ×10-3mol/L 式中： (61/50) 为HCO3-的当量质量与CaCO3的当量质量 之比。 碳酸的离解平衡：K 碳酸的离解平衡： a= [H+][HCO3-]/[H2CO3] 式中Ka =10-6.35 =4.47×10-7，从而[H2CO3]=3.11×10-4mol/L 假设水中所有的CO2都形成碳酸，因此， CO2的估算浓 度为： 3.11 × 10-4mol/L （ × 44g/mol）=13.7mg/L；或者： 44g/mol 13.7 mg/L CO2 × (50/22) = 31.14mg/L CaCO3。该式将 CO2的估算浓度转化为mg/L CaCO3来表示。由于CO2 消 耗H+的摩尔比为2，因此其当量质量为44/2=22g/当量。
第一次作业情况
姓名 何毅 黄鑫 张琦峰 朱郡 赵昕 孔江涛 罗欢 刘德英 赵月炜 屈毅 孙冬 林立 凡小涛 王新 成绩 良 良 良 良 良 姓名 喻志平 冯彪 何泽能 尹璇 沈兴兴 李恬恬 王琴 李秀霞 郝鹏鹏 马乐宽 张慧君 刘杰 成绩 良 良 良 优 良 优 良
良
良 良
第二章 水处理
2.3 软化 概念介绍：硬度（hardness） 概念介绍：硬度（hardness） 硬度：所有多价阳离子浓度的总和。 硬度：所有多价阳离子浓度的总和。用于描述水的一种 特征。含有硬度的水不易起泡，在澡盆内产生浮渣（主 要是钙、镁与肥皂发生反应的结果）。在茶壶内会生成 坚硬的、白色的粗糙沉积物（结垢）。 Ca2+ + RCOO- → Ca(RCOO)2 (s) 由于发生此反应，肥皂无法与衣服上的污垢作用，而 Ca(RCOO)2 本 身 就 是 沉 淀 。 硬 度 的 常 用 单 位 为 mg/LCaCO3 或毫当量 /L。水厂将水软化即是去除水中的 或毫当量/L 部分硬度。通常水处理的目标是使水的硬度维持在 75~120mg/L CaCO3范围内。
Mg2+ + Ca(OH)2 ⇔ Mg(OH)2 (s) + Ca2+ 注意：因为Ca2+仍然存在于溶液中，虽然Mg2+已被除去， Ca Mg 但硬度并没有改变。需要添加苏打以去除Ca2+ ： Ca2+ + Na2CO3 ⇔ CaCO3 (s) + 2Na+ 该反应与去除钙形成的非碳酸盐硬度的反应相同。
硬水的分类: 硬水的分类: 硬度范围 定性描述 0~75 软水 75~100 中等硬度水 100~300 硬水 > 300 高硬度水 虽然所有阳离子均会造成硬度,但最主要的离子 Ca 是Ca2+和Mg2+。以下着重讨论Ca2+和Mg2+硬度。 水中硬度的自然产生过程见下图。
水中硬度的自然产生过程
微生物的呼吸作用 将增加地表上层水 CO ( 中CO2 含量(生成碳 酸)；固态CaCO3 和 MgCO3 组成的石灰 岩与碳酸反应生成 碳酸氢钙与碳酸氢 镁。石膏(CaSO4)和 MgSO4 也 可 能 进 入 水中而形成硬度。
表层
细菌作用→ 细菌作用→CO2
CO2 + H2OБайду номын сангаасH2CO3
底层
CaCO3(s)+H2CO3→Ca(HCO3)2 石灰岩 MgCO3(s)+H2CO3→Mg(HCO3)2
增加的OH-会使碳酸盐缓冲体系向右移动： CO2 (g) ⇔ CO2 (solution) + H2O ⇔ H2CO3 ⇔ H+ + HCO3- ⇔ 2H+ + CO32OH-离子使HCO3-变成CO32-；而CO32-正是Ca2+沉 HCO CO CO 淀所需要的。氢氧根离子的一般来源是Ca(OH)2。 许 多 水 处 理 厂 使 用 生 石 灰 (CaO) ， 比 熟 石 灰 (Ca(OH)2)便宜。将生石灰与水混合生成浆状的 将生石灰与水混合生成浆状的 熟石灰（ 这个过程称为 熟化） 熟石灰 （ 这个过程称为熟化 ） ， 然后加入水中 进行软化反应。 进行软化反应 CaO+ H2O ⇔ Ca(OH)2 + 热量 1mol石灰会产生1MJ的热量。当必须加入碳酸 根离子时，最常使用的化学药剂为Na2CO3 （通 常称之为苏打或苏打粉）。
地 下 水 水 质 组 成 柱 状 图
总硬度 碳酸盐硬度 非碳酸盐 硬度
258 281 316 Mg++ Mg
阳离子 阴离子
Ca2+ HCO3SO42209
Na+ Cl-
260
312
100
200
300
离子浓度(mg/L 离子浓度(mg/L CaCO3)
总阳离子浓度为316mg/L 总阳离子浓度为316mg/L CaCO3，其中硬度为281 CaCO3 。 其中硬度为281 总阴离子浓度为209 总阴离子浓度为209 mg/L CaCO3。碳酸盐硬度等于碱度， 碳酸盐硬度等于碱度， 而非碳酸盐硬度等于总硬度与碳酸盐硬度的差值。 而非碳酸盐硬度等于总硬度与碳酸盐硬度的差值。
（3）过程控制和经验考验
由于CaCO3 和Mg(OH)2 溶解度特性、搅拌和接触的限制 以及缺乏足够的时间使反应进行完全等因素的影响，石 灰-苏打软化工艺并不能生产完全没有硬度的水。可以 达到的最小钙硬度约为30 mg/LCaCO3，最小镁硬度约为 10 mg/L CaCO3。但是，如果水太软，则使用肥皂等洗 涤剂时会发粘，因此，通常使水的最终硬度维持在 75~120 mg/L CaCO3范围。 为了在合理的时间内达到合理的硬度去除效果， Ca(OH)2的添加量通常高于理论量20 mg/L CaCO3 。 20
在热水器中，镁的浓度超过40mg/LCaCO3 即会 出现结垢现象。由于去除镁硬度的成本高，通 高于40mg/LCaCO 常我们只去除高于 40mg/LCaCO3 的那部分镁硬 度。为了去除小于 20mg/LCaCO3 的镁硬度，必 小于20mg/LCaCO 须添加足够多过量的石灰。为了去除 20mg/LCaCO3 至 40mg/LCaCO3 之间 20mg/LCaCO 40mg/LCaCO 之间的镁硬度， 添加的过量石灰量必须等于被去除的镁的量。 为了去除大于 40mg/LCaCO3 的那部分镁硬度， 大于40mg/LCaCO 40mg/LCaCO 必须添加的过量石灰为40mg/LCaCO3 ，当添加 的过量石灰大于40mg/LCaCO3 时，并不能明显 地改变反应动力学。
水的总硬度（total hardness, TH）：钙和镁是主要的硬 度来源，水的总硬度是这两种离子硬度的总和。
TH = Ca2+硬度 + Mg2+硬度