第2章 鍋爐用水處理及表面活性劑

第2章溶液化學(xué)與離子平衡SolutionChemistryandIonicEquilibrum2/5/20232.5

鍋爐用水處理2.5.1鍋爐用水中雜質(zhì)的危害2.5.2水質(zhì)指標(biāo)2.5.3爐內(nèi)鍋水處理2.5.4爐外給水處理2.5.5汽水共騰現(xiàn)象2/5/20232船舶用水系統(tǒng)無(wú)論是蒸汽機(jī)船、汽輪機(jī)船或內(nèi)燃機(jī)船，都裝有鍋爐或輔助鍋爐。用來(lái)產(chǎn)生蒸汽，開(kāi)動(dòng)主機(jī)、輔機(jī)運(yùn)行。此外還要供給生活用水。從用水來(lái)源來(lái)看：

舷外水：直接從舷外吸取的江水、河水或海水。只能作沖洗、壓載、消防等用水。

供給水：來(lái)自自來(lái)水廠，只能滿(mǎn)足生活用水的要求，進(jìn)一步處理作為鍋爐用水和柴油機(jī)冷卻水。2/5/20233鍋爐用水處理的目的鍋爐水質(zhì)關(guān)系到鍋爐設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。水質(zhì)的目的是：防止生成水垢防止金屬腐蝕提高蒸汽品質(zhì)

鍋爐工作壓力不同，對(duì)水質(zhì)的要求和控制方法也有不同，工作壓力越高的鍋爐，對(duì)水質(zhì)的要求越高，控制也越嚴(yán)。2/5/202342.5.1鍋爐用水中雜質(zhì)的危害2.5.1.1

水垢及其危害2.5.1.2

鍋爐的腐蝕2/5/20235供給水中的一些有害雜質(zhì)：氣體：O2、CO2、H2S等，它們能造成金屬腐蝕。無(wú)機(jī)鹽：Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3-、Cl-、SO42-、HSiO3-等，有些離子會(huì)形成水垢，水中含鹽量高也會(huì)加速金屬的腐蝕。有機(jī)油脂：在鍋水沸騰時(shí)容易產(chǎn)生泡沫，致使蒸汽品質(zhì)惡化，還會(huì)形成油垢。2/5/202362.5.1.1

水垢及其危害難溶鹽類(lèi)形成的沉淀附著在金屬受熱面上形成堅(jiān)硬的沉積物稱(chēng)為水垢。如析出的沉淀在鍋爐內(nèi)呈懸浮狀或沉積在水流緩慢處，就稱(chēng)為水渣或泥渣。細(xì)小松軟的水渣如不及時(shí)清除，晶體長(zhǎng)大后轉(zhuǎn)變?yōu)樗浮Ｓ伤D(zhuǎn)變而成的水垢稱(chēng)為二次水垢。例如：Mg3(PO4)2和Mg(OH)2水渣就特別容易黏附在管壁上，尤其在水流緩慢或停滯的部位，經(jīng)高溫烘烤后形成二次水垢。2/5/202371.水垢的組成碳酸鹽水垢：主要是鈣、鎂的碳酸鹽，以CaCO3為主。常形成松軟的水渣，可隨鍋爐排污去除。硫酸鹽水垢：CaSO4為主，這種水垢堅(jiān)硬密實(shí)，主要在鍋爐中生成。硅酸鹽水垢：成分復(fù)雜，主要有CaSiO3、MgSiO3、SiO2。這種水垢最為堅(jiān)硬，通常在鍋爐受熱強(qiáng)度最大的部位產(chǎn)生。氧化鐵垢：主要成分是鐵有氧化物，腐蝕產(chǎn)生的或給水中鐵含量過(guò)高。銅垢：若給水中銅件受腐蝕則形成銅垢。2/5/202382.水垢的危害水垢導(dǎo)熱性差，影響鍋爐的傳熱效率和蒸發(fā)強(qiáng)度，使鍋爐的效率低，燃料浪費(fèi)。2mm厚的水垢，將使傳熱效率降低20%。另外，結(jié)垢部位的金屬壁因溫度過(guò)高，引起金屬?gòu)?qiáng)度下降，在蒸汽壓的作用下會(huì)產(chǎn)生變形、鼓包，甚至引起爆炸事故。水垢會(huì)阻塞管道。在金屬表面覆蓋不均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致金屬的局部腐蝕。2/5/202392.5.1.2鍋爐的腐蝕腐蝕的危害：縮短設(shè)備的使用期限，造成經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致爆管事故，影響安全。腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)入水中，使得雜質(zhì)增多，加劇了結(jié)垢，結(jié)垢又進(jìn)一步促進(jìn)了金屬的腐蝕，成為惡性循環(huán)。金屬的腐蝕產(chǎn)物被帶到用氣設(shè)備中沉積下來(lái)后，也會(huì)嚴(yán)重影響到這些設(shè)備的安全、運(yùn)行。2/5/202310腐蝕的影響因素金屬材料的性能表面狀態(tài)內(nèi)部應(yīng)力介質(zhì)：爐水中的溶解氧、水的pH值和堿度。爐水的溫度、水中鹽類(lèi)的種類(lèi)和濃度。2/5/202311腐蝕的種類(lèi)（1）溶解氧腐蝕

酸性條件：Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2

弱酸性或中性：2Fe+O2+2H2O→2Fe(OH)2

Fe(OH)2進(jìn)一步被氧化：4Fe(OH)2+O2

+2H2O→4Fe(OH)3→2Fe2O3+6H2O

當(dāng)鍋爐的蒸發(fā)量大于2t/h時(shí)，均要進(jìn)行除氧處理。水中O2含量與溫度和壓力有關(guān)，要做好停爐時(shí)的防護(hù)工作。2/5/202312腐蝕的種類(lèi)（2）二氧化碳?xì)怏w腐蝕游離的CO2可使水呈酸性，導(dǎo)致金屬腐蝕。CO2來(lái)源于空氣及水中碳酸氫鹽的受熱分解：

CO2氣體腐蝕發(fā)生pH<8的情況下，鍋水經(jīng)處理后，通常保持在pH值為10—12，在這種條件下，鍋爐不易發(fā)生CO2氣體腐蝕。游離CO2氣體引起的酸性腐蝕通常發(fā)生在給水系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)內(nèi)。

2/5/202313腐蝕的種類(lèi)（3）溶解鹽類(lèi)的腐蝕

水中含鹽量越高，電阻越小，腐蝕的速率越快。當(dāng)鍋爐表面附著有水垢或水渣沉積物時(shí)，在其下?tīng)t水的流動(dòng)性差，MgCl2、CaCl2這類(lèi)溶解鹽因?yàn)樗饪梢栽诔练e物下積累很高的H+濃度，導(dǎo)致酸性腐蝕。

2/5/202314腐蝕的種類(lèi)（4）堿性腐蝕和苛性脆化

若鍋爐長(zhǎng)期在堿性條件下運(yùn)行，排污不及時(shí)，會(huì)使堿性過(guò)高，當(dāng)pH>13時(shí)，可發(fā)生堿性腐蝕

。腐蝕產(chǎn)生的H2還可能擴(kuò)散到金屬內(nèi)部，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使金屬?gòu)?qiáng)度降低、變脆、產(chǎn)生裂紋。這種腐蝕形式稱(chēng)為苛性脆化。

2/5/2023152.5.2水質(zhì)指標(biāo)鍋爐的給水和爐水的水質(zhì)指標(biāo)很多，有懸浮物、pH值、硬度、堿度、含鹽量、溶解氧、含油量、、鐵、銅、鈉、二氧化硅等。鍋爐工作壓力不同，水質(zhì)控制項(xiàng)目也不同。2/5/2023162.5.2水質(zhì)指標(biāo)1.懸浮物影響鍋內(nèi)加藥除垢效果和鍋外化學(xué)處理工藝的正常進(jìn)行，不同的水處理方法分別規(guī)定了懸浮物具體的數(shù)值。2.pH值鍋爐正常運(yùn)行，鍋內(nèi)往往覆蓋著一層均勻致密的Fe3O4保護(hù)膜，鍋水pH值過(guò)高或過(guò)低，均會(huì)破壞這層保護(hù)膜，鍋水pH值保持在10—12，也有利于防止水垢的產(chǎn)生。2/5/2023172.5.2水質(zhì)指標(biāo)3.硬度表示水中成垢物質(zhì)的含量。主要是鈣離子和鎂離子，采用水中鈣、鎂的含量表示水的硬度。總硬度：水中鈣、鎂鹽的總含量。鈣硬度：鎂硬度：不穩(wěn)定，煮沸分解，可過(guò)濾除去，稱(chēng)為暫時(shí)硬度穩(wěn)定，水沸騰時(shí)不能除去，稱(chēng)為永久硬度。2/5/202318我國(guó)硬度單位的三種表示方法①用表示：均以一價(jià)離子作為基本單元，對(duì)于二價(jià)離子以其1/2作基本單元，如。②用度表示：我國(guó)采用德國(guó)度，符號(hào)為“°G”。用度表示時(shí)，將水中的含量換算成CaO的含量。1°G=10。2/5/202319③用表示：即將水中的含量換算成的含量，單位是。1/2CaO的摩爾質(zhì)量是28g，1/2的摩爾質(zhì)量是50g，三種硬度單位的換算關(guān)系為：2/5/2023202.5.2水質(zhì)指標(biāo)4.堿度

堿度表示水中及其它弱酸根離子的總量。單位為。由于發(fā)生如下反應(yīng)：因此爐水中基本上不共存。2/5/202321堿度酚酞堿度：以酚酞作指示劑測(cè)得的堿度，酚酞的變色范圍為pH=8.0—10.0，中和反應(yīng)為：甲基橙堿度：以甲基橙作指示劑測(cè)得的堿度，甲基橙的變色范圍為pH=3.1—4.1，此時(shí)堿性離子全部被中和，以甲基橙為指示劑，其中和反應(yīng)為：總堿度2/5/202322堿度爐水堿度過(guò)高的危害：①水冷壁管的堿性腐蝕和應(yīng)力腐蝕。②使?fàn)t水產(chǎn)生泡沫而影響蒸汽的質(zhì)量。③對(duì)于鉚接和脹接鍋爐，堿度過(guò)高還會(huì)引起苛性脆化。2/5/2023232.5.2水質(zhì)指標(biāo)5.含鹽量表示各種鹽類(lèi)的總和。①用溶解固形物的量（）近似表示。②用電導(dǎo)率表示。③用表示。2/5/2023242.5.3爐內(nèi)鍋水處理目的：生成松散的水渣。（1）加純堿（）處理(壓力<1.5MPa)作用：維持鍋內(nèi)水的一定堿度和足夠數(shù)量的，使生成和水渣，而不是水垢：維持足夠濃度的，還可阻止堅(jiān)硬密實(shí)的泥石狀水垢的形成。2/5/2023252.5.3爐內(nèi)鍋水處理(2)加磷酸鹽處理（壓力>1.5MPa）鍋內(nèi)處理使用的磷酸鹽有：（三聚磷酸鈉）、（六偏磷酸鈉），常用的是。

加入還可以使鍋爐金屬的表面上生成磷酸鹽的保護(hù)膜，防止鍋爐金屬的腐蝕。但濃度不能過(guò)高，否則會(huì)生成水垢，而且會(huì)導(dǎo)致溶解固形物含量增加。松軟，溶解度小2/5/2023262.5.3爐內(nèi)鍋水處理（3）加入有機(jī)阻垢劑有機(jī)阻垢劑有EDTA(乙二胺四乙酸)、單寧酸、木質(zhì)素、有機(jī)膦酸鹽、聚羧酸鹽等。有機(jī)阻垢劑的作用比較復(fù)雜，主要有：①螯合作用②分散作用③晶格畸變作用2/5/2023272.5.3爐內(nèi)鍋水處理（4）復(fù)合阻垢劑幾種防垢劑按一定的比例混合在一起。例如：將碳酸鈉、磷酸鈉、氫氧化鈉、栲膠組合成復(fù)合防垢劑。碳酸鈉：提供離子，促使生成水渣。磷酸鈉：提供離子，促使生成水渣。氫氧化鈉：提供離子，促進(jìn)生成水渣。栲膠：主要成分是單寧，帶負(fù)電荷，穩(wěn)定水渣，易氧化，可去氧，形成單寧酸鐵，金屬防腐。2/5/2023282.5.4爐外給水處理低壓鍋爐一般采用鍋內(nèi)投藥處理就能滿(mǎn)足水質(zhì)要求，而中、高壓鍋爐對(duì)水質(zhì)要求更高，必須采取鍋外處理的方法。目的：①盡量減少給水中結(jié)垢物質(zhì)的含量；②除氧、除鹽，以防止鍋爐結(jié)垢和腐蝕。給水處理的方法：離子交換法軟化水；給水除氧；電滲析法脫鹽、反滲透法脫鹽、磁化防垢。2/5/202329（1）離子交換法軟化水通過(guò)離子交換樹(shù)脂來(lái)進(jìn)行。①陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：大都含有酸性基團(tuán)，如羧酸（-COOH）、磺酸（），苯酚基（）等。

(H)Mg(H)氫型用HCl溶液洗滌再生，鈉型用NaCl洗滌再生。②陰離子交換樹(shù)脂：大都含有胺類(lèi)極性基團(tuán)，如胺基（）,亞胺基（-NRH）、季胺基（）等，陰離子交換樹(shù)脂可用NaOH溶液再生。2/5/202330（2）給水除氧①熱力去氧：將軟水在熱力除氧器中加熱到沸騰，同時(shí)還可除去等腐蝕性氣體。②真空除氧：將水通入真空式除氧器。這種方法也可同時(shí)除去其他腐蝕性氣體。③化學(xué)除氧：往往與熱力除氧聯(lián)用。常用的還原劑是(低壓)和聯(lián)胺（）(中壓以上)。注意：過(guò)量，會(huì)產(chǎn)生和等腐蝕性氣體。聯(lián)胺（肼）不增加總含鹽量。但聯(lián)胺對(duì)眼睛、皮膚和肺部都有刺激，使用時(shí)應(yīng)注意安全。2/5/2023312.5.5汽水共騰現(xiàn)象隨著鍋爐水的蒸發(fā)、濃縮，含鹽量及堿度逐漸增大，達(dá)到一定值后，在鍋筒蒸發(fā)面上會(huì)產(chǎn)生泡沫，嚴(yán)重時(shí)可使汽、水界面不分，蒸汽中攜帶大量水滴，蒸汽質(zhì)量顯著惡化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為汽水共騰。2/5/202332汽水共騰的原因①水質(zhì)惡化：爐水的鹽度和懸浮物濃度增高，表面張力增大，上升的氣泡被表面濃厚的水膜包住，氣泡不易逸出，氣、水很難分離，氣泡逐漸積累到大量氣泡迸發(fā)出水面就造成汽水共騰現(xiàn)象②鍋爐運(yùn)行不平穩(wěn)：鍋爐運(yùn)行中負(fù)荷急劇增大，導(dǎo)致汽水筒壓力驟減，也會(huì)引起汽水共騰現(xiàn)象。2/5/202333危害及措施危害：①蒸汽溫度下降，造成燃料損耗；②雜質(zhì)帶入用汽設(shè)備生成鹽垢，影響傳熱，造成腐蝕和磨損。③水位計(jì)顯示不正確，影響安全。措施：①減少進(jìn)入鍋爐的雜質(zhì)量；②嚴(yán)格控制排污，保持堿度和含鹽量在一定的標(biāo)準(zhǔn)；③避免鍋爐負(fù)荷急劇上升；④加入泡沫抑制劑。2/5/202334SurfaceActiveAgent，SAA2.6表面活性劑2.6.1

表面吉布斯自由能與表面張力2.6.2

表面活性劑及其分類(lèi)2.6.3

表面活性劑的基本性質(zhì)2.6.4

表面活性劑的應(yīng)用2/5/2023352.6.1.1表面吉布斯自由能2.6.1.2表面張力2.6.1.3影響表面張力的因素2.6.1表面吉布斯自由能與表面張力2/5/202336表面層分子受到垂直指向液體內(nèi)部的拉力，這種拉力要把表面層分子拉入液體內(nèi)部。任何一個(gè)相，其表面分子與內(nèi)部分子的狀態(tài)不同。水滴，汞滴自動(dòng)呈球形，為什么？2.6.1.1表面吉布斯自由能2/5/2023372.6.1.1表面吉布斯自由能擴(kuò)展液體的表面，克服向內(nèi)的拉力，環(huán)境對(duì)系統(tǒng)所做的功稱(chēng)為表面功，用W表表示。環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功所消耗的那部分能量被表面分子所獲得而貯存于表面，這部分能量稱(chēng)為表面吉布斯自由能或表面能(surfaceenergy)，用?G表示。2/5/202338比表面吉布斯自由能

σ的物理意義： 在恒溫恒壓和組成恒定下，每增加單位表面積時(shí)系統(tǒng)所增加的吉布斯函數(shù)。其單位為J·m-2。2/5/2023392.6.1.2表面張力比表面吉布斯能σ在數(shù)值上等于沿液體表面垂直作用在單位長(zhǎng)度線(xiàn)段上的表面緊縮力，即表面張力(surfacetension)，其單位為N·m-1。

2/5/202340表面張力永遠(yuǎn)與液體表面相切：比表面吉布斯自由能與表面張力數(shù)值相等，量綱一致，但物理意義有所不同，所用單位也不同。2.6.1.2表面張力2/5/202341

2.6.1.3影響表面張力的因素液體分子間相互作用力越大，其表面張力越大。金屬鍵物質(zhì)最大，其次是離子鍵，再次是極性共價(jià)鍵，最小的為非極性共價(jià)鍵。固體物質(zhì)比液體大固態(tài)物質(zhì)溫度/Kσ×103/N·m-1氣氛銅銀錫1323102348816701140685Cu蒸氣真空FeOAl2O317002353482700Cl2-24325.562/5/2023422.6.1.3影響表面張力的因素表面張力隨相互接觸的兩種物質(zhì)的性質(zhì)不同而不同。水(W)液體(B)σW×103/N·m-1σB×103/N·m-1σWB×103/N·m-1水苯72.7528.935.0水四氯化碳72.7526.845.0水正辛烷72.7521.850.8水正已烷72.7518.451.1水汞72.75470.0375.0水辛醇72.7527.58.5水乙醚72.7517.010.7W/B界面的張力2/5/2023432.6.1.3影響表面張力的因素同種物質(zhì)的表面張力一般隨溫度升高而逐漸減小。液體物質(zhì)273K293K313K333K353K373K水75.6472.7569.5666.1862.6158.85乙醇24.0522.2720.6019.01--苯31.628.926.323.721.3-丙酮26.223.721.218.616.2-2/5/202344凡是能使溶液的表面張力升高的物質(zhì)，皆稱(chēng)為表面惰性物質(zhì)。（I）凡是能使溶液的表面張力降低的物質(zhì)，從廣義來(lái)講，皆可稱(chēng)之為表面活性物質(zhì)或表面活性劑（surfaceactiveagent，SAA）。（II、III）2.6.2.1溶液的表面張力與表面活性劑表面張力與濃度關(guān)系示意圖

2.6.2表面活性劑及其分類(lèi)2/5/2023452.6.2

表面活性劑及其分類(lèi)2.6.2.2

表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表面活性劑（surfaceactiveagent）分子具有不對(duì)稱(chēng)兩親結(jié)構(gòu)一端是非極性的碳?xì)滏湥N基）,與水的親和力極小，常稱(chēng)疏水基（hydrophobicgroup）。另一端則是極性基團(tuán)（如－OH、－NH2、－COOH、－SO3H等），與水有很大的親和力，故稱(chēng)親水基（hydrophilicgroup）。

2/5/202346表面活性分子具有不對(duì)稱(chēng)兩親結(jié)構(gòu)硬脂酸鹽2.6.2.2表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.6.2

表面活性劑及其分類(lèi)2/5/2023472.6.2.3

表面活性劑的分類(lèi)2.6.2表面活性劑及其分類(lèi)親水基疏水基表面活性劑分子（兩親分子）離子型表面活性劑非離子型表面活性劑陽(yáng)離子型兩性陰離子型2/5/202348表面活性劑分子不對(duì)稱(chēng)的兩親結(jié)構(gòu)，就決定了表面活性物質(zhì)的界面吸附、分子的定向排列以及形成膠束這些基本性質(zhì)。膠束(micelle)是若干個(gè)SAA分子排列成憎水基團(tuán)向內(nèi)，親水基團(tuán)向外的多分子聚集體。因此，膠束在水溶液中可以穩(wěn)定地存在，它的形狀可以是球狀，棒狀或?qū)訝睢?.6.3

表面活性劑的基本性質(zhì)2/5/202349膠束形成過(guò)程與表面活性劑濃度的關(guān)系形成一定形狀的膠束所需SAA的最低濃度，稱(chēng)為臨界膠束濃度，以CMC(criticalmicelleconcentration)表示。由于膠束是親水性的，不具有表面活性，不能使表面張力進(jìn)一步降低。2.6.3表面活性劑的基本性質(zhì)2/5/2023502.6.3表面活性劑的基本性質(zhì)臨界膠束濃度是表面活性劑的溶液性質(zhì)發(fā)生顯著變化的“分水嶺”，在臨界膠束濃度的前后，不僅溶液的表面張力在顯著變化，許多物理性質(zhì)產(chǎn)生很大的變化。2/5/2023512.6.4

表面活性劑的應(yīng)用2.6.4.1潤(rùn)濕作用2.6.4.2乳化作用2.6.4.3發(fā)泡和起泡作用2/5/202352潤(rùn)濕(wetting)通常是指液體和固體接