張樂(lè)樂(lè)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037027）

引言

硬質(zhì)水中含有大量的鈣、鎂等離子，在硬質(zhì)水的供水中，會(huì)產(chǎn)生大量的沉淀[1]，對(duì)管道造成腐蝕，且硬質(zhì)水在飲用及使用過(guò)程中也會(huì)由于沉積物較多，不利于人們的生產(chǎn)生活，且容易造成一定的疾病危害。針對(duì)硬質(zhì)水采用化學(xué)藥劑沉淀法進(jìn)行水質(zhì)處理[2]，可以改善水質(zhì)在輸送及使用過(guò)程中的沉淀物，解決硬質(zhì)水造成的管道及家用電器的頻繁更換問(wèn)題，緩解水資源的緊張，具有重要的使用意義。

1 不同化學(xué)藥劑沉淀實(shí)驗(yàn)的制備

對(duì)硬質(zhì)水進(jìn)行化學(xué)藥劑沉淀法水質(zhì)處理，是將硬質(zhì)水中所含有的鈣、鎂等離子形成沉淀從而析出的過(guò)程。在硬質(zhì)水中，進(jìn)行化學(xué)藥劑沉淀形成沉淀物的溶度積值越小，則在水中的溶解度越小，越有利于去除水中的離子。硬質(zhì)水的化學(xué)藥劑沉淀處理，常采用生石灰或氫氧化鈉等堿性化學(xué)藥劑，可以將水中的鈣、鎂離子形成氫氧化物或者碳酸鹽等沉淀物，減少水中的鈣、鎂離子的含量，從而降低水質(zhì)的硬度[3]。采用堿性化學(xué)藥劑進(jìn)行硬質(zhì)水處理，離子反應(yīng)的速度快，沉淀形成的鹽的溶度積常數(shù)小，進(jìn)行降低硬度簡(jiǎn)單、高效，在山區(qū)及高原地區(qū)易于推廣使用。采用氫氧化鈉及石灰進(jìn)行硬質(zhì)水沉淀分析，氫氧化鈉和石灰是常用的軟化藥劑，不僅成本低廉，對(duì)硬質(zhì)水處理也具有較好的效果。

對(duì)硬質(zhì)水進(jìn)行取樣制備，測(cè)定水樣的硬度為359 mg/L，pH 值為7.5，水樣中的碳酸氫根離子濃度較高，暫時(shí)性硬度為69 mg/L，在輸送過(guò)程中容易結(jié)垢，燒開(kāi)后含有的水垢較多，且有白色漂浮物，影響水的使用。

采用石灰及氫氧化鈉對(duì)硬質(zhì)水進(jìn)行軟化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別選取5 份100 mL 的原水，水溫加熱至40℃，然后分別加入10 g/L 的石灰、氫氧化鈉溶液分別為1、1.5、2、2.5、3 mL，將試樣在恒溫加熱的磁力攪拌器中以300 r/min 的速度攪拌2 min，再以60 r/min的速度攪拌8 min，將試樣靜止30 min后，對(duì)試樣進(jìn)行過(guò)濾，對(duì)上層清液的水質(zhì)進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定，并對(duì)析出的固體物質(zhì)采用電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行烘干稱(chēng)重。水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定包括上層清液的總硬度、鈣硬度、鎂硬度及pH 值，水質(zhì)總硬度的測(cè)定采用乙二胺四乙酸二鈉滴定法進(jìn)行測(cè)定，pH 值采用玻璃電極法進(jìn)行測(cè)定，鈣硬度及鎂硬度采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行測(cè)定。對(duì)石灰及氫氧化鈉分別制備相應(yīng)的10 g/L 的溶液，進(jìn)行硬質(zhì)水的軟化沉淀實(shí)驗(yàn)。

2 不同化學(xué)藥劑沉淀實(shí)驗(yàn)效果分析

2.1 氫氧化鈉軟化實(shí)驗(yàn)的效果分析

采用上述的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)依據(jù)實(shí)驗(yàn)采集的水樣進(jìn)行投加氫氧化鈉的軟化實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 氫氧化鈉水處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖1 中可以看出，硬質(zhì)水總硬度的去除效果與氫氧化鈉的投加量呈正相關(guān)，隨著投加量的增加，水質(zhì)的總硬度逐漸下降，鈣硬度及鎂硬度也隨之下降，pH 值隨之上升。氫氧化鈉投加到水樣中，產(chǎn)生的OH-離子與水中含有的HCO3-離子發(fā)生反應(yīng)，隨著投加的氫氧化鈉量的增加，水樣中的HCO3-離子濃度逐漸降低，形成的CO32-離子逐漸增多，首先與水樣中的鈣離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物，使鈣離子的濃度降低，而鎂離子的濃度變化不大。從鈣、鎂硬度的變化曲線(xiàn)可以看出，隨著氫氧化鈉投加量的增加，鈣硬度首先快速的下降后緩慢的降低，而鎂硬度初始變化不大，在pH值增加到8.05 后鎂硬度開(kāi)始下降，這是由于鎂離子主要在較高的pH 值下與OH-離子形成氫氧化鎂沉淀物析出。

氫氧化鈉的投加量為50 mg/L 時(shí)，處理后的水樣總硬度為269mg/L，鈣硬度為123 mg/L，鎂硬度為146 mg/L，硬度值下降25%，pH 值為8.77，與飲用水的標(biāo)準(zhǔn)值8.5 較為接近，略有增加。當(dāng)繼續(xù)增加氫氧化鈉的投加量時(shí)，處理后的水樣硬度值下降，但pH值增加較多，需要進(jìn)行加酸調(diào)節(jié)。因此，氫氧化鈉的投加量為50 mg/L 是進(jìn)行硬質(zhì)水處理的最佳用量。

2.2 石灰軟化實(shí)驗(yàn)的效果分析

采用上述的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)水樣進(jìn)行投加石灰的軟化實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)采集的水樣及沉淀物分別進(jìn)行測(cè)量，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 石灰軟化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

從圖2 中可以看出，隨著石灰投加的量的增加，經(jīng)過(guò)反應(yīng)后水樣的總硬度逐漸下降，pH 值逐漸升高，石灰進(jìn)入水樣后水解成氫氧化鈣，和投加氫氧化鈉一樣，OH-離子的加入，與水中含有的HCO3-離子發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到一定濃度后，和鈣鎂離子發(fā)生反應(yīng)去除水中的鈣鎂離子，鎂離子的去除要在鈣離子之后，pH 值較高時(shí)，鎂離子的去除效果較好。

石灰的投加量為100 mg/L 時(shí)，經(jīng)過(guò)處理后的水樣硬度為275，硬度的去除率為23.4%，鈣硬度為109mg/L，鎂硬度為166 mg/L，此時(shí)的pH 值為8.05，無(wú)需酸性物質(zhì)的調(diào)節(jié)即可滿(mǎn)足飲用水的要求。此時(shí)的沉淀物質(zhì)量為218 g/m3，較原水中污染物的質(zhì)量有較大的減輕。在石灰的投加量增加到250 mg/L 及300 mg/L 時(shí)，處理后水樣的硬度進(jìn)一步降低，但相應(yīng)的水樣的pH值均大于生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn)值8.5，需要添加較多的酸性物質(zhì)降低pH 值，增加水處理的成本及工序，不利于推廣使用。綜上可知，石灰投加量為100 mg/L 時(shí)是進(jìn)行硬水處理的較優(yōu)選擇。同時(shí)，比較石灰及氫氧化鈉的軟化綜合效果，則100 mg/L 的石灰試劑的軟化效果較好。采用石灰進(jìn)行硬質(zhì)水的軟化處理時(shí)，與反應(yīng)時(shí)的溫度具有一定的關(guān)系，對(duì)不同溫度的水樣進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析。

2.3 不同溫度水樣的石灰軟化劑的效果分析

采用100 mg/L 的石灰試劑對(duì)不同溫度的水樣進(jìn)行軟化實(shí)驗(yàn)，選擇水樣的溫度分別為10、25、40 ℃，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)反應(yīng)溫度的作用進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到如圖3 所示的水樣硬度變化曲線(xiàn)，從圖3中可以看出，隨著石灰試劑投加量的增加，水樣的總硬度逐漸下降，在不同的反應(yīng)溫度下，隨著溫度的升高，水樣的總硬度降低。這是由于，水溫較高時(shí)，水樣中的鈣離子及鎂離子的運(yùn)動(dòng)劇烈，與碳酸根離子的碰撞加劇，從而形成的沉淀物較多，降低了水樣的硬度。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)石灰軟化效果的影響曲線(xiàn)

3 結(jié)論

對(duì)硬質(zhì)水進(jìn)行處理后使用是緩解水資源緊張的重要途徑，氫氧化鈉及石灰是常用的軟化劑。采用氫氧化鈉及石灰對(duì)硬質(zhì)水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果可知，隨著投加量的增加，水質(zhì)的總硬度逐漸下降，結(jié)合水樣的pH 值選取較優(yōu)的軟化劑投加量為采用氫氧化鈉軟化劑時(shí)，投加量為50 mg/L 時(shí)，處理后的水樣硬度下降25%，pH 值為8.77；采用石灰軟化劑時(shí)，投加量為100 mg/L 時(shí)，處理后的水樣硬度下降23.4%，pH 值為8.05，更接近于飲用水的標(biāo)準(zhǔn)pH 值8.5，無(wú)需進(jìn)一步采用酸性劑中和，是進(jìn)行硬質(zhì)水處理的優(yōu)選。對(duì)石灰軟化效果與溫度的關(guān)系進(jìn)一步分析可知，隨著溫度的升高，水樣的總硬度降低。進(jìn)行地下硬質(zhì)水處理的過(guò)程中，采用100mg/L 的石灰試劑在40℃時(shí)進(jìn)行軟化處理的效果最佳，有利于提高水處理的效果，降低水處理的成本。