最全软化实验方案加报告含硬度碱度检测方法.docx
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最全软化实验方案加报告含硬度碱度检测方法
化学软化实验报告
实验人：
报告整理：
2016年9月日
1、实验背景
为节约水资源，污水厂采用RO系统对中间水池汇集的水进行处理后回用。
轻重、污染废水中的碱度、硬度、硫酸根、钙离子浓度如表所示：
轻污染废水
重污染废水
碱度（mg/L）
硬度（mg/L）
硫酸根（mg/L）
钙离子（mg/L）
镁离子（mg/L）
CO2（mg/L）
由表中可以看出，轻、重污染废水处理后汇集于中间水池的水硬度高、碱度较低，并含有一定浓度的硫酸根。
2、实验目的
水总硬度是指水中Ca2+、Mg2+的总量，通常是以离子形式存在。
含量多的硬度大，反之则小。
硬度又分为暂时性硬度和永久性硬度。
由于水中含有重碳酸钙与重碳酸镁而形成的硬度，经煮沸后可把硬度去掉，这种硬度称为暂时性硬度，又叫碳酸盐硬度，水中含硫酸钙和硫酸镁等盐类物质而形成的硬度，经煮沸后不能去除的硬度，称为永久性硬度。
以上两种硬度合称为总硬度。
在反渗透过程中，纯净的水会通过半透膜，而水中的钙镁离子就会被截留在浓水一端，一部分会随着浓水的排放而冲走，一部分会滞留在半透膜的表面上，难溶盐在超过其饱和极限时，会以固体或胶体形式析出，例如碳酸钙、碳酸镁等。
在膜面上形成结垢，降低 RO 膜的通量，增加运行压力和压力降， 并导致回收率下降、产品水质下降。
这种在膜面上形成沉积层的现象叫做膜污染。
所以必须降低RO系统进水的硬度，防止CaCO3、CaSO4等难溶盐结垢。
本实验的目的减少垢的产生，保证膜通量与产水量，延长设备清洗周期与使用寿命。
为实现此目的，采用化学软化方法降低RO系统进水的硬度、碱度，通过实验确定药剂投加量，加药反应时间、沉淀时间，并优化反应参数。
3、实验方法
石灰软化法通常对硬度高、碱度高的水适用，且只适用于暂硬高、永硬低的水质处理。
为避免投加生石灰（CaO）产生的灰尘污染，通常先将生石灰制成消石灰Ca（OH）2（即熟石灰）使用。
对硬度高、碱度低的水，即永硬高的水，采用石灰-纯碱软化法，加石灰的同时再投加适量的纯碱（NaCO3又称苏打）。
而对硬度低、碱度高的负硬水则采用石灰-石膏处理法。
3.1、方法选用
由于本项目中的RO系统进水水质硬度高、碱度较低，所以选用石灰-纯碱软化法，
其反应如下
①去除永久硬度
CaSO4+Na2CO3===CaCO3↓+Na2SO4
CaC12+Na2CO3===CaCO3↓+2NaC1
MgSO4+Na2CO3===MgCO3+Na2SO4
MgC12+Na2CO3===MgCO3+2NaC1
MgCO3+Ca（OH）2===CaCO3↓+Mg（OH）2
在较高pH值时，MgCO3很快水解：
MgCO3+H2O===Mg（OH）2↓+CO2
②去除暂时硬度
Ca（HCO3）2+Na2CO3===CaCO3↓+2NaHCO3
Mg（HCO3）2+Na2CO3===MgCO3↓+2NaHCO3
MgCO3+H2===Mg（OH）2↓+CO2
经石灰-纯碱软化后的水，其硬度可降为0.15-0.2mmol/L。
此外，永硬也可以直接用离离子交换法除去。
3.2、理论投加量计算
石灰-纯碱加入量可按下列计算式估算。
（1）石灰用量估算
[CaO]=
（CO2+A0+HMg+α）mg/L
（2）纯碱用量估算
[Na2C03]=
（H永+β）mg/L
式中
[CaO]——需投加的工业石灰量，mg/L；
CO2——原水中CO2的浓度（
CO2计），mmol/L；
A0——原水总碱度（H+计），mmol/L；
HMg——原水镁硬度（
Mg2+计），mmol/L；
[Na2C03]——纯碱投加量，mg/L；
H永——原水永久硬度（
Ca2++
Mg2+计），mmol/L；
α——石灰过剩量（
Ca（OH）2计），mmol/L（一般为0.2—0.4mmol/L）；
β——纯碱过剩量[
Na2C03计]，mmo1/L（一般取1.0-1.4mmol/L）；
28——
CaO的摩尔质量，g/mol；53——
Na2C03的摩尔质量，g/mol；
——工业石灰纯度，%；
——工业纯碱的纯度，%。
3.3、实验过程
需要的指标与方法：
1水中CO2浓度（估算）
2钙离子浓度、镁离子浓度、总硬度（EDTA-络合滴定法）
③水的碱度（以H计）
（碱度测定方法见附表Ⅰ，硬度测定方法见附表Ⅱ）
所需仪器与药剂：
磁力搅拌器、烧杯、天平、蒸馏水、滴定管、移液管分析化验仪器等。
软化实验需要测定待软化水样的碱度，钙硬度，镁硬度，预先估算工业石灰和工业纯碱投加量大致范围，再由软化实验进一步优化工业石灰和工业纯碱投加量。
具体试验过程如下：
3.3.1实验药剂配制
碱度实验药剂：
盐酸标准滴定溶液C（HCl）约0.05mol/L，酚酞指示剂：
5g/L（乙醇溶液），溴甲酚绿—甲基红指示液。
硬度实验药剂：
10%NaOH溶液,PH=10的缓冲溶液（ 氨－氯化铵缓冲液（pH10.0） 取氯化铵5.4g，加蒸馏水20ml溶解后，加浓氨水溶液35ml，再加水稀释至100ml，即得。
），铬黑T指示剂（将1g铬黑T指示剂与100g分析纯NaCl混合、磨细，装瓶备用），EDTA标准溶液（先按10mmol/L配，实验过程中，发现未软化前水样硬度较高，后将EDTA标准溶液按0.1mol/L配置），钙指示剂（1g钙指示剂与100g分析纯NaCl混合、磨细，装瓶备用）。
软化实验药剂：
配置5%的石灰乳，称取5g石灰，加水定容至100mL。
配置5%的碳酸钠，称取5g碳酸钠，加水定容至100mL。
1、碱度的测定（以软化前水样为例）
实验中测定水样（V0=100ml）酚酞碱度为0，总碱度测定时盐酸（C=0.05mol/L），到达滴定终点盐酸消耗量V=4.05（前期到滴定终点消耗盐酸3.8mL，加热煮沸后又消耗2.5ml）。
VC×1000
总碱度A0（以H+计）=--------------=2.025mmol/L
V0
3、硬度测定（以软化前水样为例）
用移液管吸取水样50.00ml于250ml三角瓶中，加5mlPH=10的缓冲溶液，再加少许（约0.1g）铬黑T混合指示剂，用EDTA标准溶液滴定至酒红色变为纯蓝色。
记录EDTA用量V1（取五组水样滴定取平均值）。
另取50.00ml水样于250ml锥形瓶中，加入5ml10%NaOH溶液摇匀，加入少许（约0.1g）钙指示剂，用EDTA标准溶液滴定至酒红色变为纯蓝色。
记录EDTA用量V2（ml）（取五组水样滴定取平均值）。
按下式计算：
C（EDTA）×V2×M（Ca）×1000
ρCa（mg/L）=--------------------------=453
50.00
C（EDTA）×（V1-V2）×M（Mg）×1000
ρMg（mg/L）=-------------------------------=98.66
50.00
C（EDTA）×V1×M（CaO）×1000
总硬度（mg/L）=---------------------------------------------=861.7
50.00
式中C（EDTA）---EDTA标准溶液的浓度（mol/L）
V1--------------铬黑T终点EDTA的用量（mL）
V2--------------钙指示剂终点EDTA的用量（mL）
M（Ca）-------Ca的摩尔质量（g/mol）
M（Mg）-------Mg的摩尔质量（g/mol）
M（CaO）-------CaO的摩尔质量（g/mol）
经上述检测，第一批水样软化前的碱度=2.025mmol/L，钙硬度（以Ca2+计）=453mg/L，镁硬度（以Mg2+计）=98.66mg/L，总硬度（以CaO计）=861.7mg/L。
3.3.2工业石灰、纯碱理论用量试验
水样软化前的总碱度A0（以H+计）=2.025mmol/L；原水中二氧化碳浓度取值范围0-30mmol/L（在一般范围取值）；α—一般为0.2—0.4mmol/L，取0.3；
β—一般取1.0-1.4mmol/L，取1.2；
—取90%；
—取90%；钙硬度ρCa（以Ca2+计）=453mg/L=（以
Ca2+计）=22.65mmol/L；镁硬度ρMg（以Mg2+计）=98.66mg/L=（HMg、以
Mg2+计）=8.22mmol/L；原水永久硬度H永（
Ca2++
Mg2+计）=22.65+8.22mmol/L；
28——
CaO的摩尔质量，g/mol；53——
Na2C03的摩尔质量，g/mol；（
Ca）的摩尔质量为20g/mol，（
Mg）的摩尔质量为12.15g/mol。
按3.2节的公式计算：
（1）石灰用量估算
[CaO]=
（（0~30）+2.025+8.22+0.3）mg/L=0.33~1.26g/L
（3）纯碱用量估算
[Na2C03]=
（（22.65+8.22）+1.2）mg/L=1.89g/L
石灰理论用量范围0.33~1.26g/L，纯碱用量1.89g/L。
软化加药量实验
①取5份0.5L水样，按照0.6g/L加药量加入石灰乳，分别加入0.8倍~1.6倍的理论加药量的碳酸钠。
②将5个水样同时置于磁力搅拌器上，加药时搅拌1分钟，转速300r/min；然后转速逐渐降到200r/min进入反应阶段，转速由200r/min逐步降低到50r/min，搅拌5分钟。
③静置沉淀10分钟。
取上清液测钙硬度、镁硬度、总硬度。
④取5份0.5L水样，分别加入0.8g/L加药量的石灰乳，分别加入0.8倍~1.6倍的理论加药量的碳酸钠。
⑤重复②、③。
水样软化前的钙硬度（以Ca2+计）=453mg/L，镁硬度（以Mg2+计）=98.66mg/L，总硬度（以CaO计）=861.17mg/L。
软化后水样的钙硬度、镁硬度、总硬度结果如下表所示：
表1、理论投加量实验结果
石灰用药量g/L
纯碱用药量g/L
钙硬度（mg/L）
镁硬度（mg/L）
总硬度（mg/L）
原水
0.6
0.4
0.6
0.45
0.6
0.5
0.6
0.55
0.6
0.6
0.6
0.65
0.6
0.7
0.6
0.75
0.6
0.8
0.8
0.4
0.8
0.45
0.8
0.5
0.8
0.55
0.8
0.6
0.8
0.8
a钙硬度变化曲线
b镁硬度变化曲线
c总硬度变化曲线
图1、石灰投加量为0.6、0.8g/L时的钙硬度、镁硬度、总硬度变化曲线
根据初步软化试验结果显示：
软化后的钙硬度与总硬度随着碳酸钠投加量增加而降低，但在投加量范围内总硬度降低不到50%，并且降低幅度不大，所以碳酸钠投加量需要加大，为提高试验效率，还需要扩大投加量梯度，以便找到最佳的药品投加量。
而石灰的投加量在g/L时的软化后出水比g/L时，钙硬度与总硬度反而较高，说明需要减少石灰投加量。
3.3.3工业石灰、纯碱投加量优化实验
①重新取水样，测得钙硬度=653mg/L，镁硬度=71.93mg/L，总硬度=1080.5mg/L。
按石灰投加量分别固定为，纯碱投加量分别从1.5g/L增加到4g/L，测得软化后的钙硬度、镁硬度、总硬度。
结果如下：
表2、投加量优化实验结果1
石灰用药量g/L
纯碱用药量g/L
钙硬度（mg/L）
镁硬度（mg/L）
总硬度（mg/L）
软化前
0.4
1.5
0.4
1.5
0.4
1.75
0.4
2
0.4
2.25
0.4
2.5
0.4
3
图2、石灰投加量分别固定为时，钙硬度、镁硬度、总硬度随纯碱投加量的变化曲线
由表格与曲线图可分析出，钙硬度、镁硬度、总硬度均随纯碱投加量增加而降低。
当纯碱投加量小于2g/L时，石灰投加量从0.4g/L增加到0.6g/L，总硬度的去除率均在90%以内，当纯碱投加量大于2g/L时，石灰投加量从0.4g/L增加到0.6g/L，总硬度的去除率均大于90%，但是随着纯碱投加量继续增加，总硬度下降有限。
②按纯碱投加量分别固定为，石灰投加量分别从0.2g/L增加到0.8g/L，测软化后的钙硬度、镁硬度、总硬度。
结果如下：
表3、投加量优化实验结果2
石灰用药量g/L
纯碱用药量g/L
钙硬度（mg/L）
镁硬度（mg/L）
总硬度（mg/L）
原水
0.2
1.5
0.3
1.5
0.4
1.5
0.4
1.5
0.4
1.5
0.5
1.5
图3、纯碱投加量分别固定为时，钙硬度、镁硬度、总硬度随石灰投加量的变化曲线
在一定范围内，钙硬度，镁硬度，总硬度，随着石灰和纯碱的投加量增加而降低；
石灰投加量大于，纯碱投加量在以上时，总硬度均低于10mg/L，去除率均大于90%。
此时，继续投加石灰或纯碱，钙硬度，镁硬度，总硬度下降趋势不明显。
纯碱投加量固定为时，随着石灰投加量增加,总硬度比钙硬度下降缓慢，而镁硬度有缓慢上升趋势。
纯碱投加量固定为时，随着石灰投加量超过0.5g/L,钙硬度，总硬度下降缓慢，镁硬度有缓慢上升趋势。
3.3.5实验结论
综合考虑实验数据中钙硬度，镁硬度，总硬度实际降低效果与经济因素，可免去投加石灰，钙硬度、镁硬度、总硬度的去除率分别约为94.5%、45.4%、84.6%%。
4、技术经济分析
市场上片碱2500元/t,纯碱3000元/t，则按照实验得出的投加量范围进行计算每天的药剂需要量、每天的运行费用、吨水运行费用。
表6：
片碱与纯碱的需药量及运行费用
单价
（元/t）
投加量（g/L）
吨水药剂费（元/t）
水量（t/d）
需药量（t/d）
运行费用（元/d）
片碱Min
纯碱Min
合计
经技术经济分析，
附表Ⅰ
碱度测定
附表Ⅱ
水中钙镁离子含量及总硬度的测定
原理
工业中将含有较多钙、镁盐类的水称为硬水，水的硬度是将水中Ca2+、Mg2+的总量折合成CaO或CaCO3来计算。
每升水中含1mgCaO定为1度，每升水含10mgCaO称为一个德国度（°）。
水的硬度用德国度（°）作为标准来划分时，一般把小于4°的水称为很软水，4°～8°的水称为软水，8°～16°的水称为中硬水，16°～32°的水称为硬水，大于32°的水称为很硬水。
用EDTA进行水的总硬度及Ca2+、Mg2+含量的测定时可先测定Ca2+、Mg2+的总量，再测定Ca2+量，由总量与Ca2+量的差求得Mg2+的含量，并由Ca2+、Mg2+总量求总硬度。
Ca2+、Mg2+总量的测定：
用NH3-NH4Cl缓冲溶液调节溶液的PH=10，在此条件下，Ca2+、Mg2+均可被EDTA准确滴定。
加入铬黑T指示剂，用EDTA标准溶液滴定。
在滴定的过程中，将有四种配合物生成即CaY、MgY、MgIn、CaIn，它们的稳定性次序为：
CaY﹥MgY﹥MgIn﹥CaIn（略去电荷）
由此可见，当加入铬黑T后，它首先与Mg2+结合，生成红色的配合物MgIn，当滴入EDTA时，首先与之结合的是Ca2+，其次是游离态的Mg2+，最后，EDTA夺取与铬黑T结合的Mg2+，使指示剂游离出来，溶液的颜色由红色变为蓝色，到达指示终点。
设消耗EDTA的体积为V1。
Ca2+含量的测定：
用氢氧化钠溶液调节待测水样的PH=12，将Mg2+转化为Mg（OH）2沉淀，使其不干扰Ca2+的测定。
滴加少量的钙指示剂，溶液中的部分Ca2+立即与之反应生成红色配合物，使溶液呈红色。
当滴定开始后，随着EDTA的不断加入，溶液中的Ca2+逐渐被滴定，接近计量点时，游离的Ca2+被滴定完后，EDTA则夺取与指示剂结合的Ca2+使指示剂游离出来，溶液的颜色由红色变为蓝色，到达指示终点。
设滴定中消耗EDTA的体积为V2。
仪器及药品
仪器：
50ml酸式滴定管，50ml移液管，250ml锥形瓶，10ml量桶。
药品：
10%NaOH溶液,PH=10的缓冲溶液（ 氨－氯化铵缓冲液（pH10.0） 取氯化铵5.4g，加蒸馏水20ml溶解后，加浓氨水溶液35ml，再加水稀释至100ml，即得。
），铬黑T指示剂（将1g铬黑T指示剂与100g分析纯NaCl混合、磨细，装瓶备用），EDTA标准溶液（先按10mmol/L配），钙指示剂（1g钙指示剂与100g分析纯NaCl混合、磨细，装瓶备用）。
内容及步骤
用移液管吸取水样50.00ml于250ml三角瓶中，加5mlPH=10的缓冲溶液，再加少许（约0.1g）铬黑T混合指示剂，用EDTA标准溶液滴定至酒红色变为纯蓝色。
记录EDTA用量V1（ml）。
重复1～2次。
另取50.00ml水样于250ml锥形瓶中，加入5ml10%NaOH溶液摇匀，加入少许（约0.1g）钙指示剂，用EDTA标准溶液滴定至酒红色变为纯蓝色。
记录EDTA用量V2（ml）。
重复1～2次。
按下式计算：
C（EDTA）×V2×M（Ca）×1000
ρCa（mg/L）=--------------------------
50.00
C（EDTA）×（V1-V）2×M（Mg）×1000
ρMg（mg/L）=-------------------------------
50.00
C（EDTA）×V1×M（CaO）×1000
总硬度（°）=---------------------------------------------
50.00×10
式中C（EDTA）---EDTA标准溶液的浓度（mol/L）
V1--------------铬黑T终点EDTA的用量（mL）
V2--------------钙指示剂终点EDTA的用量（mL）
M（Ca）-------Ca的摩尔质量（g/mol）
M（Mg）-------Mg的摩尔质量（g/mol）
M（CaO）-------CaO的摩尔质量（g/mol）
（1德国度=10mg/L总硬度）
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