水垢及处理

本科毕业论文

烧水壶里水垢处理方法的研究

学 院：理学院 专 业：化学工程与工艺 学 号： 姓 名： 指导教师： 职 称：

论文提交日期：二0一二年六月

摘 要

目的：寻找一种能够有效去除水垢，又不损害锅炉或水壶的无毒的良好除垢

剂。方法：用无水乙醇、氯化铵、盐酸、冰乙酸、乙酸钠、碳酸氢钠、柠檬酸钠、柠檬酸、乙酸铵、碳酸钠、碳酸钙、硫酸钙、食醋等溶解水垢，观察状况。选择出几种最有效、最温和的溶剂。用所选出的溶剂分别在不同时间、不同浓度、不同温度下的溶解状况。结果：共选出醋酸、柠檬酸、食醋三种比较好的溶剂。结论：对于三种不同溶剂对水垢的溶解情况差别不大可以总结出最好的溶解水垢的条件：浓度为0.4—0.6mol/L 温度为65℃左右 并在40—60分钟。

关键词: 水垢；溶剂；溶解；除垢剂

Study on Removing Scale from a Kettle

Abstract

The aim of this work is to find a good detergent that can effectively remove the

scale, but not to damage the boiler or the kettle. The methods are using absolute ethanol, ammonium chloride, hydrochloric acid, acetic acid, anhydrous sodium acetate, sodium bicarbonate, sodium citrate, citric acid, sodium bicarbonate, ammonium acetate, anhydrous sodium carbonate, calcium carbonate, calcium sulfate, and vinegar to dissolve the scale, and observe the condition. The several most effective and most mild solvents were chosen, and the research was made under the different conditions such as different time, different concentration, and different temperatures. Results showed that the most appropriate solvents were acetic acid, citric acid, and vinegar. The best conditions were the concentration of 0.4- 0.6mol/L, temperature at 65℃, and the time is 40- 60minutes.

Key Words: Scale; Solvent; Dissolution; Detergent

目 录

1 文献综述 .......................................................................................................................... 3

1.1 前言 ........................................................................................................................... 3

1.2 水垢的形成 ............................................................................................................... 3

1.3 水垢的组成 ............................................................................................................... 3

1.4 水垢的危害 ............................................................................................................... 3

1.5 水垢的预防 ............................................................................................................... 4

1.5.1 化学方法 ................................................................................................................ 4

1.5.2 物理方法 ................................................................................................................ 4

1.6 水垢的清理 ............................................................................................................... 5

2 实验材料与方法 .............................................................................................................. 5

2.1实验材料 ...................................................................................................................... 5

2.2实验仪器 ...................................................................................................................... 5

2.3实验方法 ...................................................................................................................... 5

2.4 结果与分析 ............................................................................................................. 6

3 实验选取最几种有效的溶剂 .......................................................................................... 6

3.1.1 不同种类酸对水垢的溶解效率 .............................................................................. 7

3.1.2 不同溶剂对水垢的溶解效率 ................................................................................ 7

3.2在25℃不同反应时间对水垢的溶解效率 ................................................................. 7

3.3在25℃不同浓度对水垢的溶解效率 ......................................................................... 8

3.4不同温度对水垢的溶解效率 ...................................................................................... 9

3.5 结果与讨论 ............................................................................................................. 10

4 展望 ................................................................................................................................ 11

致谢 ...................................................................................................................................... 12

参考文献 .............................................................................................................................. 13

1 文献综述

1.1 前言

锅炉是工农业生产和人民生活中广泛使用的特种设备，是生产蒸气或热水的热工设备之一，其传能介质原料是水。锅炉用水水质的好坏，对其安全运行及能源消耗有很大的影响。当锅炉用水不合要求时，锅炉受热面就会结生水垢，因而不仅浪费大量的燃料，还会危及锅炉安全运行。据有关资料介绍（1），目前全国有近40万余台锅炉，在每年的事故统计中，因水质不良，水垢严重引起的事故超过事故总数的20%；由于结生水垢，每年要浪费燃料达千万吨，并造成几亿元的经济损失。

1.2 水垢的形成

水垢的形成（2）是一个复杂的物理化学过程，其原因有内因和外因两个方面。一是水中有钙、镁离子及其它重金属离子存在，是水垢形成的根本原因也叫内因；二是固态物质从过饱和的炉水中沉淀析出并粘附在金属受热面上，是水垢形成的外因。当含有钙、镁等盐类杂质的水进入锅炉后，吸收高温烟气传给的热量，钙、镁盐类杂质便会发生化学反应，生成难溶物质析出。随着炉水的不断蒸发逐渐浓缩，当达到一定浓度时，析出物就会成为固体沉淀析出，附着在锅筒、水冷壁管等受热面的内壁上，形成一层“膜”，阻碍热量传递，这层“膜”称之为水垢。

1.3 水垢的组成

水垢的组成或成分是比较复杂的，通常都不是一种单一化合物，而是以一种化学成分为主，并同时含有其它化学成分。按其水垢的化学成分，一般可分为碳酸盐水垢、硫酸盐水垢、硅酸盐水垢、氧化铁水垢、含油水垢、混合水垢及泥垢等几种。

1.4 水垢的危害

水垢的危害：1、 降低锅炉热效率，浪费大量燃料。2、 引起金属过热，强度降低，危及安全。3、 破坏水循环。4、 增加检修量，浪费大量资金。5、 缩短锅炉使用寿命。

1.5 水垢的预防

水垢的防治方法有阻垢和除垢2 种，前者是抑制或消除结垢，后者是对系统中已经形成的垢进行清除。防垢方法有化学法、物理法、生物法、化学/物理法，在此主要对化学法及物理法进行介绍。

1.5.1 化学方法

化学防治方法主要有石灰软化法、加碱沉淀法、碳化处理、加酸处理、离子交换软化法和投加阻垢剂法等，前4 种方法比较传统，效果直接但耗费药剂量大，产生的废液需进行处理，应用成本较高，因此已逐渐淘汰。目前国内外较为先进的处理方法（3）为离子交换软化法和投加阻垢剂法。

离子交换软化法：离子交换软化法采用钠型阳离子交换树脂对硬水进行处理，水中的Ca2+、Mg2+等与Na+发生交换，并与树脂结合：R（SO3Na）2+Ca（HCO）2 R（SO3）2Ca+2NaHCO3方法可除去水中的Ca2+、Mg2+结垢离子，达到阻垢目的。离子交换法可以起到深度软化水的效果，但是设备在使用过程中需重复再生。

投加阻垢剂法：目前水处理系统中采用的阻垢剂主要为阻垢缓蚀剂和阻垢分散剂。阻垢缓蚀剂有无机聚合磷酸盐、有机磷酸盐，循环水系统多采用有机多元磷酸。阻垢分散剂主要是中、低分子质量的水溶性聚合物， 包括均聚物和共聚物2 大类， 均聚物有聚丙烯酸、聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸及其钠盐等；共聚物的品种较多，以丙烯酸系和马来酸系的二元或三元共聚物为主，还有磺酸类共聚物和含磷共聚物等。由于水处理药剂多为磷系， 存在富营养化问题，易产生“赤潮”公害。随着环保意识的增强，一些低磷、无磷的绿色阻垢剂成为国内外水处理领域的研究热点。20 世纪90 年代开始即有绿色阻垢剂的开发研究，目前已有报道指出聚天冬氨酸及聚琥珀氨酸等具有多元阻垢及缓蚀性能，且具有可生物降解性，应用前景广阔。

1.5.2 物理方法

物理方法主要是利用电、磁、光、声等技术阻垢或除垢，典型的物理控垢方法有物理清洗、采用防腐阻垢涂料及非金属材料换热面、膜法水处理、静电水处理、电子水处理、磁化处理和超声波处理等。其中物理清洗只能清除已生成的老

垢，但其操作简单，适用于对控垢要求不高的场合；采用防腐阻垢涂料及非金属换热面可改变设备材料的表面性能，使成垢离子难以在接触设备上沉积， 达到阻垢目的，但由于施工复杂，应用场合受到限制。目前采用的典型物理方法有膜分离法、磁化处理法、静电水处理法、电子水处理法、超声波水处理法等。

1.6 水垢的清理

水垢的清理：通常水垢的清除有机械法和化学法两大类。机械法除垢及利用各种铲、削工具或专门的铣管器进行除垢，近年来利用高压水清垢（4）亦得到广泛应用。但机械法除垢劳动强度大，易损坏传热面，清除不彻底，增加传热面的粗糙度，所以锅炉清洗仪化学法为主。化学法清洗锅炉水垢基本为酸洗或碱洗，碱洗法就是将不同品种、不同浓度的碱液注入锅炉，然后在一定压力下进行煮炉，从而达到碱洗的目的。酸洗除垢（5）时，酸不仅能清除锅炉受热面上的水垢，同时也能与金属反应，从而使锅炉遭受腐蚀或穿孔。因此酸洗的技术与要求比较高，锅炉酸清洗除垢时，必须请具有相应酸清洗级别的酸洗单位来进行。清洗前对锅炉进行检查及采样分析。

2 实验材料与方法

2.1实验材料

水垢、无水乙醇、氯化铵、盐酸、冰乙酸、乙酸钠、碳酸氢钠、柠檬酸钠、柠檬酸、乙酸铵、碳酸钠、碳酸钙、硫酸钙、食醋（4.5g/100mL）、乙二胺四乙酸二钠盐、NH3—NH4Cl、缓冲溶液、氢氧化钠、铬黑T指示剂、钙指示剂、各地区水样（8份）。

2.2实验仪器

电热恒温水浴箱、称量瓶、酸式滴定管（50mL）、锥形瓶（250mL）、吸量管（10mL） 、移液管（50mL）、量筒（10mL）、量筒（50mL）、烧杯（100mL）、药勺。

2.3实验方法

测水的硬度（6）：

（1） EDTA标准溶液的配制：

在小烧杯中，准确称取分析纯的乙二胺四乙酸二钠盐（EDTA）0.5～0.6克，加水溶解（加热），在250mL容量瓶中定容。 c(EDTA)＝m(EDTA) M(EDTA)250.01000

（8）（2）硬度测定（7）：

取水样50.00mL毫升于250mL三角瓶中，加5mLpH值为10的缓冲溶液，加少许铬黑T指示剂。用EDTA标准溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色。记录EDTA用量V1毫升。

另取水样50.00mL毫升于250mL三角瓶中，加5mL10％NaOH溶液，摇匀。再加少许钙指示剂，用EDTA标准溶液滴定至溶液由红色变为纯蓝色。记录所用EDTA体积V2毫升。

Ca(mg/L)＝V2c(EDTA)40.081000 50.00

（VV2）c(EDTA)24.311000 Mg(mg/L)＝1

50.00

水的总硬度［CaO(mg/L)］＝V1c(EDTA)

50.00

M(CaO)V1c(EDTA)10001000 水的总硬度（德国度）1050.00

3 结果与分析

3.1几个不同地区的水硬度的比较

表1 几个不同地方的水的硬度

地区

Ca

（mg/L）

Mg

（mg/L）

CaO

（mg/L）

德国度 河北邢台 70.40 1.925 102.8 10.28 巴彦淖尔 152.6 41.52 305.1 30.51 呼和浩特和林格尔 130.9 10.01 206.0 20.60 山东菏泽 13.76 1.785 23.00 2.30 赤峰敖汉 222.8 7.106 327.7 32.77 M(CaO)10001000 赤峰宁城 75.91 10.98 131.3 13.13 湖北仙桃 91.38 6.449 142.5 14.25 呼和浩特 55.03 10.29 100.6 10.06

通过实验数据，比较以上几个地方的水的硬度，赤峰市敖汉地区水的硬度较高，而山东菏泽地区水的硬度则较低。赤峰宁城、呼和浩特和林格尔、巴彦淖尔等地区的水硬度则偏高。河北邢台、湖北仙桃、及呼和浩特的水硬度则适中。

3.2 实验选取最几种有效的溶剂

3.2.1 不同种类溶剂对水垢的溶解效率

在小烧杯中，称取0.1克水垢，加入0.1mol·L－1的20mL溶剂，在温度为25℃时，经过10分钟后倒掉溶剂，将所剩下的固体晾干，称重，计算出溶解的百分率。

表2 不同种类酸对水垢的溶解效率

溶剂

溶解百

分率

盐酸 醋酸 53.3 31.6 柠檬酸 35.4 氯化碳酸铵 钠 4.9 4.2 碳酸碳酸醋酸氢钠 氢铵 铵 2.7 14.7 13.2 乙醇 12.3 醋酸钠 5.2 柠檬食醋 酸钠 10.1 28.7

3.2.2 不同溶剂对水垢的溶解效率

在小烧杯中，称取0.1克水垢，加入0.1mol·L－1的20mL溶剂，在25℃下，经过30分钟后倒掉溶剂，所剩下的固体晾干，称重，计算出溶解的百分率。

其结果见表3。

表3不同溶剂对水垢的溶解效率

溶剂

溶解百

分率 盐酸 醋酸 55.6 35.3 柠檬酸 41.6 氯化铵 6.6 碳酸钠 5.7 碳酸碳酸醋酸氢钠 氢铵 铵 3 19.9 17.6 乙醇 13.5 醋酸钠 10.3 柠檬食醋 酸钠 18 32.6

根据实验数据得知，所有这些溶剂中，水垢在30分钟内的溶解率比其在10分钟内的溶解率都有所增加。酸性溶剂对水垢的溶解效率较高，盐酸的效率最高，但盐酸作为一种强酸对设备的损害比较大，醋酸、柠檬酸、食醋对水垢的溶解效率也较好，并且它们对设备的损害程度较小、毒性不大，所以经过综合考虑选出了几种较合适的溶剂：醋酸、柠檬酸、食醋，用这些溶剂做了下面的实验。

3.3 在不同反应时间内对水垢的溶解效率

在25℃下，取9个小烧杯，每个烧杯分别称取0.1克水垢，加入10mL 0.1 mol·L－1醋酸，分别溶解10、20、30、40、50、60、70、80、90分钟后，将溶液倒掉，将剩余水垢烘干称重，并计算不同时间的溶解百分率，其结果见表4。

表4 醋酸在不同反应时间内对水垢的溶解效率

时间（min） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 溶解百分率 32.5 34.5 36.9 39.5 42.4 44.6 45 45.3 45.5 结论：

由表4可以看出，在10-60min范围内，溶解百分率随着时间增加而增加，而到了60min之后溶解百分率随时间变化不大。

在25℃下，取9个小烧杯，每个烧杯分别称取0.1克水垢，加入10mL 0.1 mol·L－1柠檬酸，分别溶解10、20、30、40、50、60、70、80、90分钟后,将溶液倒掉，将剩余水垢烘干称重，并计算不同时间的溶解百分率，其结果见表5。

表5柠檬酸在不同反应时间内对水垢的溶解效率

时间（min） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 溶解百分率 32.2 34.3 36.8 38.2 40.4 41.1 41.9 42.5 43.3 结论：

由表5可以看出，在10-50min范围内，溶解百分率随着时间增加而增加，而到了50min之后溶解百分率随时间变化不大。

在25℃下，取9个小烧杯，每个烧杯分别称取0.1克水垢，加入10mL 水与食醋体积比为6.51/1的溶剂，分别溶解10、20、30、40、50、60、70、80、90分钟后，将溶液倒掉，将剩余水垢烘干称重，并计算不同时间的溶解百分率，其结果见表6。

表6食醋在不同反应时间内对水垢的溶解效率

时间（min） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 溶解百分率 27.9 30.4 32.5 34.3 35.8 37.5 38.2 38.9 40.7 结论：

由表6可以看出，在10-60min范围内，溶解百分率随着时间增加而增加，而到了60min之后溶解百分率随时间变化不大。

3.4不同浓度对水垢的溶解效率

在25℃下，取9个小烧杯，每个烧杯分别称取0.1克水垢，分别加入10mL 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 mol·L－1醋酸，十分钟后观察现象，将溶液倒掉，将剩余水垢烘干称重，并计算不同浓度下醋酸对水垢的溶解百分率，其结果见表7。

表7 不同浓度的醋酸对水垢的溶解效率

浓度（mol/L） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 溶解百分率 31.8 36.8 45.9 50.5 54.6 59.2 60.6 62.7 64.8 结论：

由表7可以看出，在0.1—0.6 mol·L－1范围内，溶解百分率随着浓度增加而增加，而到了0.6 mol·L－1之后溶解百分率随浓度变化不大。

在25℃下，取9个小烧杯，每个烧杯分别称取0.1克水垢，分别加入10mL 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 mol·L－1柠檬酸，十分钟后观察现象，将溶液倒掉，将剩余水垢烘干称重，并计算不同浓度下柠檬酸对水垢的溶解百分率，其结果见表8。

表8 不同浓度的柠檬酸对水垢的溶解效率

浓度（mol/L） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 溶解百分率 33.4 38.1 46.6 51.9 55.4 60.5 62.2 63.1 64.7

结论：

由表8可以看出，在0.1—0.6 mol·L－1范围内，溶解百分率随着浓度增加而增加，而到了0.6 mol·L－1之后溶解百分率随浓度变化不大。

在25℃下，取9个小烧杯，每个烧杯分别称取0.1克水垢，分别加入10mL水与食醋体积比分别为6.51、2.67、1.5、0.87、0.5、0.25、0.08的溶剂十分钟后观察现象，将溶液倒掉，将剩余水垢烘干称重，并计算不同浓度下食醋对水垢的溶解百分率,其结果见表9

表9 不同浓度的食醋对水垢的溶解效率

水与食醋体积比 2.76/1 1.5/1 0.87/1 0.5/1 0.25/1 0．08/1 溶解百分率 35.5 44.6 48.9 53.6 57.7 59.3 结论：

由表9可以看出，在水与食醋体积比为6.51—0.08的范围内，溶解百分率随着浓度增加而增加，而到了水与食醋体积比为0.25之后溶解百分率随浓度变化不大。

3.5不同温度对水垢的溶解效率

取9个小烧杯，每个烧杯分别称取0.1克水垢，加入10mL 0.1 mol·L－1醋酸，并分别置于25、30、35、40、45、50、55、60、65℃的恒温水浴中十分钟，观察现象，将溶液倒掉，将剩余水垢烘干称重，并计算溶解百分率，其结果见表10。

表10 不同温度条件下醋酸对水垢的溶解效率 6.51/1 29.6

温度（℃） 25 30 35 40 45 50 55 60 65 溶解百分率 33.2 36.5 39.3 41.6 43.6 45.8 48 51.6 55.8 结论：

由表10可以看出，在25—65℃范围内，溶解百分率随温度增加而增加。

取9个小烧杯，每个烧杯分别称取0.1克水垢，加入10mL 0.1 mol·L－1柠檬酸，并分别置于25、30、35、40、45、50、55、60、65℃的恒温水浴中十分钟，观察现象，将溶液倒掉，将剩余水垢烘干称重，并计算溶解百分率，其结果见表11。

表11 不同温度条件下柠檬酸对水垢的溶解效率

温度（℃） 25 30 35 40 45 50 55 60 65

溶解百分率 35.5 37.4 40.1 42.4 45.4 47.1 49 51.5 54.4 结论：

由表11可以看出，在25—65℃范围内，溶解百分率随温度增加而增加。

取9个小烧杯，每个烧杯分别称取0.1克水垢，加入10mL水与食醋体积比为6.51/1的溶剂，并分别置于25、30、35、40、45、50、55、60、65℃的恒温

水浴中十分钟，观察现象，将溶液倒掉，将剩余水垢烘干称重，并计算溶解百分率。

其结果见表12。

表12 不同温度条件下食醋对水垢的溶解效率

温度（℃） 25 30 35 40 45 50 55 60 65

溶解百分率 30.3 33.5 36.3 40.9 43.9 46 47.4 49.7 52.7 结论：

由表12可以看出，在25—65℃范围内，溶解百分率随温度增加而增加。

3.6 结果与讨论

通过用各种溶剂对水垢的溶解情况可以看出比较温和而效果有比较明显的溶剂有醋酸、柠檬酸、食醋。

对以上三种溶剂在不同时间对水垢的溶解情况可以看出醋酸在50—60分钟的范围内对水垢的溶解情况最为有效及明显。而柠檬酸在40—50分钟内对水垢的溶解情况最为有效及明显。食醋在50—60分钟范围内对水垢的溶解情况最为有效及明显。

对以上三种溶剂在不同浓度下对水垢的溶解状况可以看出醋酸在0.5—0.6 mol·L－1的范围内对水垢的溶解状况最好。而柠檬酸在0.5—0.6 mol·L－1的范围内对水垢的溶解状况最好。水与食醋体积比为0.5/1—0.25/1的范围内对水垢的溶解状况最好。

而对以上三种溶剂在25—65℃范围内对水垢的溶解状况可以看出醋酸、柠檬酸、及食醋皆在25—65℃范围内，溶解百分率随温度增加而增加。

综上对于三种不同溶剂对水垢的溶解情况差别不大可以总结出最好的溶解水垢的条件：醋酸在 50—60分钟，0.5—0.6 mol·L－1的范围内，在65℃对水垢溶解效果最好。柠檬酸在 40—50分钟，0.5—0.6 mol·L－1的范围内，在65℃对水垢溶解效果最好。食醋在 50—60分钟，水与食醋体积比为0.5/1—0.25/1的范围内，在65℃对水垢溶解效果最好。

4 展望

目前已发展的水垢防治方法各有所长，在实际应用中常需结合2种或2种以上的控垢方法。目前应用较多的是化学防垢除垢方法，其操作简单，除垢效果稳定，效率高，但药剂及人工费用较高，且当处理不当或药剂使用不当时都会导致设备和管道腐蚀，除此之外化学除垢剂对操作人员的健康也有一定损害，除垢处理后的废液易对环境造成威胁，其发展都到一定限制。因此进一步开发生物降解性能好、除垢效率高且经济易行的新型阻垢剂，将是今后水垢防治的重要研究方向之一。物理防垢方法自动化程度高且操作简单，但处理强度高的硬垢和腐蚀产物时效果一般不理想。物理防垢方法的作用机理尚不清楚，工作稳定性也有待于提高，但其对环境危害小，适用于大规模推广应用，是水垢防治的一个重要研究方向，具有广阔的发展前景。

致 谢

本论文是在------老师的悉心指导下完成的。从毕业论文题目的选择、到选到课题的研究和论证，再到本毕业论文的编写、修改，每一步都有那老师的细心指导和认真的解析。在那老师的指导下，我在各方面都有所提高，老师以严谨求实，一丝不苟的治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我，给我巨大的启迪，鼓舞和鞭策，并成为我人生路上值得学习的榜样。使我的知识层次又有所提高。同时感谢所有教育过我的专业老师，你们传授的专业知识是我不断成长的源泉也是完成本论文的基础。也感谢我同一组的组员和班里的同学是你们在我遇到难题是帮我找到大量资料，解决难题。再次真诚感谢所有帮助过我的老师同学。通过这次毕业设计不仅提高了我独立思考问题解决问题的能力而且培养了认真严谨，一丝不苟的学习态度。由于经验匮乏，能力有限，设计中难免有许多考虑不周全的地方，希望各位老师多加指教。

参考文献

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2 张庆芝、刘锦贵、曹益林.关于锅炉除垢剂的研究[J],工业水处理，1993,13（3）：22-23

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