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循环水中碳酸钙的溶解平衡探究

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：碳酸钙的溶解或沉淀，腐蚀倾向或结垢倾向与碳酸钙的溶解平衡规律有关。为了从理论上判断循环水的结垢腐蚀属性，需要了解水中碳酸钙的溶解平衡。碳酸钙在水中溶解时：水中离子浓度直接受水的pH和碳酸平衡状态的影响。由于这种不饱和水能够溶解循环水系统中换热器上的碳酸钙保护膜，所以水的性质倾向于腐蚀。在适宜条件下，固体碳酸钙会从水中沉淀出来，使以上反应向左进行，直到达到碳酸钙饱和溶解平衡为止。

碳酸钙的溶解或沉淀，腐蚀倾向或结垢倾向与碳酸钙的溶解平衡规律有关。为了从理论上判断循环水的结垢腐蚀属性，需要了解水中碳酸钙的溶解平衡。碳酸钙在水中溶解时：

水中离子浓度直接受水的pH和碳酸平衡状态的影响。碳酸平衡各级反应式为：

碳酸钙在水中的溶解平衡受以下平衡式的综合影响：

式中K_S——碳酸钙的溶解平衡常数或碳酸钙的溶度积

碳酸平衡及碳酸钙溶解平衡反应可综合为：

当水中[Ca²⁺]为某一固定浓度值时，根据碳酸钙溶解平衡，CaCO₃达饱和时[]_B浓度值为：

如果再把水的碱度看做固定数值，根据碳酸平衡，可求出相应饱和时[]_B的[H₂CO₃]_B值：

也可求出达到此饱和平衡的[H⁺]_B及饱和pH_B：

[H₂CO₃]_B称为平衡碳酸，pH_B称为平衡pH。由于水中碳酸钙不总是处于饱和平衡状态，常处于不饱和或过饱和状态，所以[H₂CO₃]_B和pH_B并不是水中实际值，而是在[Ca²⁺]和[]不变的条件下，达到碳酸钙饱和状态时应有的数值。

将实有的[H₂CO₃]和pH与[H₂CO₃]_B和pH_B相比较，就可以判断出实际[]和[]_B的相对大小，从而可以判断碳酸钙溶解或沉淀的趋势。

如水中游离碳酸含量大于[H₂CO₃]_B，则水的pH小于pH_B，水中实有[]必小于[]_B浓度。此时，水中碳酸钙处于不饱和状态，这种水如与固体碳酸钙相遇，就会发生溶解作用，则以下反应向右进行：

直到建立起碳酸钙的饱和平衡为止。由于这种不饱和水能够溶解循环水系统中换热器上的碳酸钙保护膜，所以水的性质倾向于腐蚀。

反之，如果水中游离碳酸量小于[H₂CO₃]_B值，则pH高于pH_B，而其[]含量必大于[]_B浓度。此时，水中碳酸钙为过饱和状态。在适宜条件下，固体碳酸钙会从水中沉淀出来，使以上反应向左进行，直到达到碳酸钙饱和溶解平衡为止。这种过饱和水能在换热器上结水垢，所以水的性质倾向于结垢。

如果[H₂CO₃]等于[H₂CO₃]_B，pH等于pH_B，则水恰处于碳酸钙溶解饱和状态，没有发生碳酸钙再溶解或沉淀的趋势。