第一章-水源，水中杂质和化学

充足的淡水供应对工业的发展是必不可少的。产品和设备的冷却、工艺需要、锅炉给水、卫生用水和饮用水供应都需要大量的水。

行星水循环

工业是全球水循环的一个小参与者。地球上有限的水参与了一个非常复杂的循环计划，为其重复利用提供了条件。这种水的循环称为“水文循环”(如图1-1所示）.

阳光作用下的蒸发使水从液态变为气态。当上层大气温度下降时，水可能凝结成云。风将水输送到很远的地方，然后以降水的形式将其释放出来。当水凝结并落到地面时，它吸收了环境中的气体。这是酸雨和酸雪的主要原因。

水作为溶剂

纯净水(H20)无色、无味、无臭。它是由氢和氧组成的。因为水会被它所接触的物质所污染，所以不能在纯净的状态下使用。在某种程度上，水可以溶解地球上所有自然存在的物质。由于这种特性，水被称为“通用溶剂”。虽然对人类有益，但水的偿付能力可能对工业设备构成重大威胁。腐蚀反应使金属被水缓慢溶解。沉积反应，在传热表面产生水垢，代表了水的偿付能力随着温度的变化而变化。腐蚀和结垢的控制是水处理技术的一个重点。

水杂质

水中杂质包括溶解物和悬浮物。碳酸氢钙是一种可溶性盐。碳酸氢钙溶液是透明的，因为钙和碳酸氢钙以原子大小的离子存在，不足以反射光。一些可溶矿物使溶液着色。可溶性铁盐产生浅黄色或绿色的溶液;有些铜盐会形成强烈的蓝色溶液。虽然有颜色，但这些溶液是清晰的。悬浮物是指不能完全溶于水，以颗粒形式存在的物质。这些粒子通常使水具有可见的浑浊度。溶解的和悬浮的固体存在于大多数地表水中。 Seawater is very high in soluble sodium chloride; suspended sand and silt make it slightly cloudy. An extensive list of soluble and suspended impurities found in water is given in Table 1-1.

表1 - 1。淡水中常见的杂质。

组成	化学公式	造成的困难	治疗方法
浊度	非在分析中作为单位表示的	使水难看;在水管、工艺设备等处的沉积物;干扰大多数过程的使用	凝固，沉淀和过滤
硬度	钙镁盐，用CaCO表示3.	换热设备、锅炉、管道等主要结垢来源;与肥皂形成凝乳，干扰染色等。	软化;去矿化作用;锅炉内部水处理;表面活性剂
碱度	重碳酸盐(HCO3.-碳酸盐岩(CO3.2 -和氢氧根(OH-)，表示为CaCO3.	泡沫和固体带蒸汽;锅炉钢脆化;碳酸氢盐和碳酸盐产生CO2在蒸汽中，凝析油管线中的一种腐蚀源	石灰和石灰-苏打软化;酸处理;氢沸石软化;阴离子交换脱矿脱钾
游离矿物酸	H2所以4人机交互。等，用CaCO表示3.	腐蚀	用碱中和
二氧化碳	有限公司2	水管的腐蚀，特别是蒸汽和冷凝水管的腐蚀	曝气、脱氧、碱中和
PH值	氢离子浓度定义为: pH值 ＝ 日志 1 [H+］	pH值因水中的酸性或碱性固体而异;大多数天然水的pH值在6.0-8.0之间	pH值可因碱而升高，因酸而降低
硫酸	所以42 -	增加水的固体含量，但本身通常不显著，与钙结合形成硫酸钙垢	脱矿，反渗透，电渗析，蒸发
氯	Cl-	增加固体含量，增加水的腐蚀性	脱矿，反渗透，电渗析，蒸发
硝酸	没有3.-	增加固体含量，但在工业上通常不显著:高浓度可导致婴儿高铁血红蛋白血症;用于锅炉金属脆化的控制	脱矿，反渗透，电渗析，蒸发
氟化	F-	造成牙釉质斑驳的原因;也用于控制龋齿:通常在工业上不显著	吸附氢氧化镁、磷酸钙或骨黑;明矾凝固
钠	Na+	增加水的固体含量:与OH结合时-，会引起锅炉在一定条件下的腐蚀	脱矿，反渗透，电渗析，蒸发
硅	SiO2	锅炉和冷却水系统结垢;不溶性涡轮叶片沉积由于二氧化硅汽化	镁盐热、温法脱除;高碱性阴离子交换树脂吸附，配合脱矿，反渗透，蒸发
铁	菲2 +(黑色) 菲3 +(铁)	降水时使水变色;水管、锅炉中的沉积物来源。等;干扰染色、制革、造纸等。	曝气;混凝过滤;石灰软化;阳离子交换;接触过滤;保持铁的表面活性剂
锰	锰2 +	和铁一样	和铁一样
铝	人工智能3 +	通常作为絮凝物从澄清剂携带的结果出现;会在冷却系统中造成沉积并导致复杂的锅炉水垢吗	改进了澄清器和过滤器操作
氧气	O2	水管、换热设备、锅炉、回水管等的腐蚀	除气;亚硫酸钠;腐蚀抑制剂
硫化氢	H2年代	“臭鸡蛋”气味的原因;腐蚀	曝气;氯化消毒;高度碱性的阴离子交换
氨	NH3.	铜和锌合金因形成复合可溶性离子而发生的腐蚀	与氢沸石的阳离子交换;氯化消毒;除气
溶解固体	没有一个	指溶解物质总量，由蒸发量确定;高浓度是令人讨厌的，因为过程干扰和锅炉起泡的原因	氢沸石软化石灰及阳离子交换脱矿，反渗透，电渗析，蒸发
悬浮物	没有一个	指用重量法测定的未溶解物质的量;在换热设备、锅炉、水管等处沉积。	沉降;过滤，通常在凝结和沉淀之前
总固体量	没有一个	指用重量法测定的溶解和悬浮物的总和	参见“溶解固体”和“悬浮物”

地表水

雨或雪融化的最终过程取决于它流经的地形的性质。在由坚硬的粘土组成的地区，很少有水渗透到地下。在这些情况下，水产生了“径流”。径流汇集在小溪和河流中。河流流入海湾和河口，水最终返回大海，完成了如图所示的水文循环的一个主要阶段如图1-1所示．

当水沿着地表流动时，它搅动起来，悬浮起沙粒和土壤，在地表水中形成淤泥。此外，水流作用侵蚀岩石表面，产生更多的沙子。当地表水从岩石上瀑布而下时，它就充气了。氧气、从地形中滤出的无机营养物质和阳光的结合支持了水中多种多样的生命形式，包括藻类、真菌、细菌、小型甲壳类动物和鱼类。

通常情况下，河床两边种满了树木，河流的排水区域长满了森林。树叶和松针构成了水中生物含量的很大比例。这种材料在水中溶解后，成为水处理中使用的离子交换树脂产生污垢的主要原因。

地表水污染的物理和化学特征随着时间的推移有很大变化。一场突如其来的暴风雨会使供水系统的组成在短期内发生巨大的变化。在较长的时间内，地表水的化学成分随季节而变化。在高降雨时期，也会发生高径流。这可能对水的特征产生有利或不利的影响，这取决于地形的地球化学和生物学。

地表水的化学成分在干旱和降雨的多年或几十年周期中也会发生变化。长期干旱严重影响工业用水的供应。在河流流入海洋的地方，干旱时期的咸水会流入河流，这带来了更多的问题。工业用户在设计水处理厂和方案时必须考虑到地表水的变化。

地下水

落在多孔的地形上的水，如沙子或沙壤土，排水或渗入地下。在这些情况下，水会遇到排列在复杂的地层中的各种各样的矿物种类。这些矿物可能包括花岗岩、片麻岩、玄武岩和页岩。在某些情况下，在不透水的粘土下面可能有一层非常透水的沙子。水通常沿着地下复杂的三维路径流动。地下水水文科学涉及对这些水运动的追踪。

表1 - 2。地表水与地下水特征的比较。

特征	地表水	地下水
浊度	高	低
溶解的矿物质	low-moderate	高
生物的内容	高	低
颞可变性	非常高的	低

与地表水相比，地下水相对没有悬浮污染物，因为它们在流经地层时被过滤了。过滤也会去除大部分的生物污染。一些含铁量高的地下水含有硫酸盐还原菌。这些是工业水系统中污垢和腐蚀的来源。

随着时间的推移，地下水的化学性质趋于稳定。地下水可能含有不理想的形成水垢的固体，但由于其化学性质相当一致，可以有效处理。

矿物反应:当地下水遇到不同的矿物时，根据它们的溶解特性将其溶解。在某些情况下，会发生化学反应，增强矿物的溶解度。

地下水与石灰岩的反应就是一个很好的例子。从地表渗出的水含有大气气体。其中一种气体是二氧化碳，它在水中溶解时会形成碳酸。地下有机物的分解是二氧化碳的另一个来源。石灰石是碳酸钙和碳酸镁的混合物。这种矿物是碱性的，在中性水中只能微溶。微酸性地下水与碱性石灰石发生中和反应，形成盐和中和水。反应形成的盐是碳酸氢钙和碳酸氢镁的混合物。两种碳酸氢盐都很容易溶解。这种反应是工业用户面临的最常见沉积和腐蚀问题的根源。 The calcium and magnesium (hardness) form scale on heat transfer surfaces if the groundwater is not treated before use in industrial cooling and boiler systems. In boiler feedwater applications, the thermal breakdown of the bicarbonate in the boiler leads to high levels of carbon dioxide in condensate return systems. This can cause severe system corrosion.

从结构上看，石灰石是多孔的。也就是说，它包含被称为“空隙”的小孔和通道。一个巨大的石灰岩地层可以在其结构中储存大量的地下水。含有大量水的石灰岩地层被称为含水层，这个术语来源于拉丁语词根，意思是含水。

如果在石灰岩含水层中钻一口井，水可以连续抽取几十年，用于家庭和工业用途。不幸的是，由于上面描述的中和/溶解反应，水非常硬。这就需要对大多数用途进行广泛的水处理。

化学反应

为了确保水处理程序的有效控制，必须进行大量的化学试验。这些测试在第39-71章中有详细介绍。由于它们在许多系统中的重要性，三种测试，pH值，碱度和二氧化硅，在这里也进行了讨论。

pH值控制

在许多水系统中，良好的pH值控制对于有效控制沉积和腐蚀至关重要。因此，对pH值的含义和影响它的因素有一个很好的理解是很重要的。

纯氢2O存在于酸和H之间的平衡态+(更准确的说法是一个质子化的水分子，水合氢离子，H3.0+)和羟基自由基OH-．在中性水中，酸的浓度等于羟基的浓度，在室温下，它们都在107每升的克当量(或摩尔)。

“p”函数在化学中用于处理非常小的数字。它是所表示的数字的负对数。水有10个7每升氢离子的克当量被称为pH值为7。因此，中性溶液的pH值为7。H的浓度如表1-3所示+超过14个数量级。随着它的变化，OH的浓度-也必须变化，但方向相反，这样两者的乘积保持不变。

表1 - 3。pH值的关系。

pH值一个	H+浓度指数符号，克摩尔/升	H+浓度,正常	哦-浓度,正常	哦-浓度，指数符号，克摩尔/升	pOH-
0	100	1	0.00000000000001	10-14年	14
1	10－1	0．1	0.0000000000001	10 --13年	13
2	10－2	0.01	0.000000000001	10 --12年	12
3.	103	0.001	0.00000000001	10-11年	11
4	104	0.0001	0.0000000001	10－10	10
5	105	0.00001	0.000000001	109	9
6	106	0.000001	0.00000001	108	8
7	107	0.0000001	0.0000001	107	7
8	108	0.00000001	0.000001	106	6
9	109	0.000000001	0.00001	105	5
10	10－10	0.0000000001	0.0001	104	4
11	10-11年	0.00000000001	0.001	103	3.
12	10-12年	0.000000000001	0.01	10－2	2
13	10-13年	0.0000000000001	0．1	10－1	1
14	10-14年	0.00000000000001	1	100	0

^一个pH值+ pOH = 14。

关于pH值的混淆有两个来源:

• 函数的逆性质
• pH计刻度

重要的是要记住，随着酸浓度的增加，pH值降低(见表1-4)。

表1 - 4。比较常见溶液的pH值。

12	哦-碱度500 ppm为CaCO3.
11	哦-碱度50 ppm为CaCO3. 哥伦布。哦，喝水，一个
10	哦-碱度5 ppm为CaCO3.
9	强碱性阴离子交换器出水
8	酚酞终点
7	25°C的中性点
6	韦茅斯，NIA，饮用水，一个
5	甲基橙终点
4	FMA 4 ppm为CaCO3.
3.	FMA 40 ppm为CaCO3. 强酸性阳离子交换出水
2	FMA 400ppm为CaCO3.

^一个饮用水的极端pH值

pH计可能是混淆的来源，因为pH计上的刻度是线性的，从0到14以偶数的增量扩展。因为pH是一个对数函数，pH单位I的变化对应于酸浓度变化的10倍。pH值每减少2个单位，酸浓度就改变100倍。

碱度

碱度测试用于控制石灰-苏打软化过程和锅炉排污，并预测冷却水系统中钙垢的可能性。对于大多数水系统，重要的是要认识到碱度的来源和保持适当的碱度控制。

二氧化碳以气体的形式溶于水。溶解的二氧化碳与溶剂水分子反应形成碳酸，反应过程如下:

有限公司2+ H2O = h2有限公司3.

只有少量的碳酸形成，但它的酸性足以使pH值从中性点7降低。碳酸是弱酸，所以它不会把pH值降低到4.3以下。然而，这一水平低到足以引起系统金属的严重腐蚀。

如果初始加载CO2保持恒定，提高pH，逐渐转化为碳酸氢盐离子HCO3.-发生。这显示在如图1-2所示．

转化在pH值8.3时完成。pH值的进一步升高迫使第二次转化为碳酸盐岩，即CO3.2 -．碳酸、碳酸氢盐和碳酸盐这三种物质可以通过改变水的pH值来相互转化。

pH值的变化可以通过添加酸(或腐蚀剂)来“缓冲”。当酸性(或腐蚀性)被添加到含有碳酸盐/碳酸氢盐的水中时，系统的pH值不会像在纯水中那样迅速变化。由于碳酸盐/碳酸氢盐(或碳酸氢盐/碳酸)的比例改变，大部分添加的酸(或苛性酸)被消耗掉了。

碱度是天然水中和酸性的能力(即通过上述缓冲机制降低强酸的pH值)。在pH值大于7的碱性条件下，而在自然水中的碱性大于4.4，这引起了混淆。

碱度用双滴定法测定;将酸添加到样品中，到达酚酞终点(pH 8.3)和甲基橙终点(pH 4.4)。滴定到酚酞终点(p -碱度)测量OH-1/2 CO3.2 -；滴定至甲基橙终点(m碱度)测量OH^-、有限公司_3.^{2 -}和HCO_3.．

硅

如果控制不当，二氧化硅会形成高度绝缘，难以清除冷却系统、锅炉和涡轮机中的沉积物。了解二氧化硅测试中的一些可能的变化是有价值的。

大多数盐，虽然在固相中以复杂的晶体结构存在，但在溶液中呈相当简单的离子形态。二氧化硅即使在溶液中也表现出复杂的结构。

二氧化硅存在于各种结构中，从简单的硅酸盐到复杂的高分子材料。当这种材料溶解在地表水中时，这种聚合结构可以持续存在。

二氧化硅聚合物的尺寸可以很大，可以达到胶体状态。胶体二氧化硅很少存在于地下水中。它最常出现在高径流时期的地表水中。

在硅的钼酸盐基比色法测试中，硅的聚合形式不产生颜色。这种形式的二氧化硅被称为“非活性的”。二氧化硅的聚合形式是不热稳定的，当在锅炉中加热时，它会恢复为碱性硅酸盐单体，与钼酸盐反应。

因此，对锅炉给水的钼酸盐测试可能显示二氧化硅很少或没有，而锅炉排放的测量显示二氧化硅的水平超过控制极限。锅炉水二氧化硅值高，给水值低，通常是构成中存在胶体二氧化硅的第一个迹象。

鉴别胶体二氧化硅问题的一种方法是使用原子发射或吸收来测量给水二氧化硅。与钼酸盐化学方法不同，该方法测量的总二氧化硅与聚合程度无关。

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