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)