水中溶解物质结垢的过程分析

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：冷却水中微溶物质的结垢过程可用图4-1说明。当微溶物质的浓度低于饱和浓度，处于A和a时，溶质呈离子、络离子和单分子状态存在，不会结晶。相反，水中的固态水垢还会溶解进入水中。溶液开始过饱和到晶体能自动析出之间的区域称为介稳区，表示在图中为虚线和溶解度线之间的区域。其中硫酸钙的溶解度最大，介稳区浓度为5～10倍；碳酸钙次之，为35～170倍；磷酸钙的溶解度最小，为1000倍以上。水中杂质越多，介稳区越窄。

冷却水中微溶物质的结垢过程可用图4-1说明。

图4-1 溶解与结晶区域

冷却水中多数微溶物质的溶解度随温度的升高反而降低。当微溶物质的浓度低于饱和浓度，处于A和a时，溶质呈离子、络离子和单分子状态存在，不会结晶。相反，水中的固态水垢还会溶解进入水中。点A和a所处的区域称为稳定区，即图4-1中溶解度线的左下方所示的区域。随着水的蒸发，点A所表示的浓度增加，直至达到饱和而处于溶解度线上的点B，或由于温度升高使a到达溶解度线上的b，这时溶液饱和，既不析出结晶，水中的固体也不再溶解。随着蒸发的继续进行或温度的继续升高而到达点C或c时，溶液是过饱和溶液。但是，并不是刚达到过饱和，溶液就析出晶体，而是要溶液的过饱和程度足够大（超过溶度积的若干倍），结晶的推动力足够大时，结晶才能自动进行。溶液开始过饱和到晶体能自动析出之间的区域称为介稳区，表示在图中为虚线和溶解度线之间的区域。在介稳区的溶液C和c，结晶的推动力不够，结晶不能自动进行。但并非不能析出晶体，如果往水中加入晶种或有其他杂质的微粒存在，会诱导出晶粒来，小晶核在介稳区也能够长大。点C溶液的浓度继续增加而达到D，或点c溶液的温度升高至d，析出晶体的推动力已相当大，结晶能自动进行。一般地，当结晶发生后，溶液的浓度就开始下降了，这一区域称不稳定区，即图4-1中虚线右上方所表示区域。

影响介稳区大小的因素很多，主要有以下几方面。

（1）盐类的溶解度越低，介稳区越宽。其中硫酸钙的溶解度最大，介稳区浓度为5～10倍；碳酸钙次之，为35～170倍；磷酸钙的溶解度最小，为1000倍以上。

（2）温度低时，介稳区较宽，温度升高，则变窄。这是因为温度升高，使活化能增加和扩散加速，晶核碰撞机会增多，导致结晶生长加快。

（3）水中杂质越多，介稳区越窄。例如，亚铁离子、二氧化硅、氧化铝及悬浮物能加速结晶生长。在金属表面上产生电化学腐蚀时，阴极部位的pH升高，使结晶速度加快；阳极溶出的亚铁离子起到晶核作用，加速沉淀，使介稳区缩小。

（4）投加阻垢剂可使介稳区扩大。阻垢剂能抑制或干扰晶体生长，或使晶体结构变形，使晶体变得疏松膨胀易被水流冲走，使已结晶的微粒处于分散状态，相对增大了成垢物的溶解度，不易析出沉淀。

溶质的表面析出现象非常复杂。形成晶核是结晶过程的第一步，也是最关键的一步。在过饱和溶液中，数个、数十个离子性低、有聚集倾向的分子首先聚集成晶核，晶核中按一定顺序和结构排列着微溶物质的离子，表面的离子具有过剩的能量，在晶核微表面（缺陷处）吸附一层离子，并使它们得以完成脱溶剂化和定位进入晶格，从而使晶核能够长大成为晶体。同时，晶核表面的离子也有被水中离子吸引而重新进入溶液的倾向。如果晶核比某个临界直径小，比如小于10μm，因其表面受水分子的作用力相对较大，其溶解度要比大颗粒的大，结果结晶再溶解。只有大于临界直径的晶核才可能长大成晶体。因此，对小颗粒未饱和的溶液，对大颗粒可能是过饱和的了。在这种情况下，小颗粒溶解而大颗粒则结晶。

晶体的生长速度主要由溶液过饱和程度、溶质向晶体表面的扩散速度以及晶体表面的溶质析出速度决定。扩散的推动力是晶体表面上的溶质浓度与溶液中浓度之差，与扩散速度有关的因素有流速、温度、溶液黏度等。过饱和程度越大，而且温度越高，晶体的生长速度越快。溶液流动会使分子的碰撞频率增大，有利于晶体生长。

传热面的结垢过程还包括晶粒在金属表面上的附着，按一定方向取向，并成长为有规则的集合体的过程，这样才能形成牢固地附着在金属表面的密实的垢层。

水中溶解物质结垢的过程分析

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