影响沉淀–溶解平衡及难溶物质溶解度的主要因素

影响沉淀–溶解平衡及难溶物质溶解度的主要因素

在多数水处理工艺中，如石灰-纯碱软化、除磷沉淀、除氟处理、结垢控制等，都离不开“沉淀–溶解平衡”这一关键概念。沉淀与溶解并非静态过程，而是溶液中离子浓度、温度、离子强度、酸碱度等因素共同作用的动态平衡。然而，在实际工程应用中，许多水处理从业人员对影响平衡的主要因素缺乏深入理解，导致工艺调控效果不佳。本文解析影响沉淀–溶解平衡及难溶物质溶解度的主要因素，供水处理人士参考。

一、沉淀–溶解平衡的基本原理

温度是许多反应的重要影响因素之一。对于溶解平衡而言，温度不仅影响反应速率，还会改变沉淀物的平衡溶解度。多数在水处理中具有重要意义的难溶盐（如 CaCO?、Ca?(PO?)?、CaSO?、FePO? 等）的溶解平衡对温度极为敏感。

一般难溶盐AnBm 的溶解通式如下所示。

该反应在平衡时满足热力学溶解平衡常数（溶度积常数），如下式所示。

其中：a_A^m 、a_B^n-为离子的活度；K_(s)^eq为盐的热力学溶解平衡常数。

由于假设固体为纯物质，活度为常数，因此溶度积常数通常仅与温度有关。在一定温度下，该反应体系可分为三种状态：

（1）当(a_A^m )(a_B^n-)＜K_(s)^eq时，溶液为不饱和状态，不会形成沉淀；

（2）当(a_A^m )(a_B^n-)＞K_(s)^eq时，溶液为过饱和状态，将有沉淀生成；

（3）当两者相等时，体系处于溶解–沉淀平衡状态。

二、同离子效应（Common Ion Effect）

同离子效应是影响难溶盐溶解度的最常见因素之一。在含有共同离子的溶液中，由于该离子的浓度增加，体系的溶解平衡将向生成沉淀方向移动，从而使溶解度降低。

在上面的难溶盐溶解通式中，对于一定浓度的溶液，K_(s)^eq不变，当向溶液中加入含有B^n-的溶质，此时，[A^m ]必然减小，即溶解度下降。举例说明如下。

将AgCl加入到两种溶液中，一种为不含Cl^-和Ag 的纯水中，另一种为 0.1 mol/L NaCl 溶液。已知 AgCl 的溶度积为K_sp=1×10^-9.8，求两种情况下的溶解度。

(1) 在纯水中，设溶解度为S，则计算如下。

 

(2) 在 0.1 mol/L NaCl 溶液中：

此时溶液中已有[Cl^-]=0.1 mol/L，设溶解度为S，则计算如下。

由此可见，在同离子存在下（此处为 Cl?），AgCl 的溶解度显著降低。这一现象在水处理中极其常见，如石灰软化过程中 CaCO3的析出、氟化钙除氟过程中的CaF?沉淀等。

三、盐效应（Salt Effect）

盐效应指在难溶电解质溶液中加入不含同离子的强电解质时，对溶解度的影响。这类强电解质会改变溶液的离子强度，使体系中离子的活度系数发生变化，从而影响溶解平衡。

1.正盐效应

当加入强电解质后，体系中离子强度增大，离子间静电作用被屏蔽，离子活度系数减小，导致溶解度增加。例如PbSO?在KNO?溶液中的溶解度高于其在纯水中的溶解度。

加入KNO?后，由于K 、NO₃^-的存在削弱了Pb??与SO???的相互作用，使溶解平衡向右移动，溶解度增大。

2.负盐效应

对于弱电解质或非电解质溶液，若加入强电解质，可能会使弱电解质的离解度减小，进而降低其溶解度。例如在乙酸溶液中加入NaCl，可降低乙酸的电离度，从而减少乙酸的溶解度。

四、酸效应（Acid Effect）

溶液中H 的存在会显著影响某些盐类的溶解度，尤其是含有阴离子可被质子化的盐类（如碳酸盐、磷酸盐、草酸盐等），这种现象称为酸效应。以草酸钙为例：

溶液中阴离子C₂O₄^2-能与H 的发生下列平衡反应：随着溶液中H 的浓度增大（pH 降低），C₂O₄^2-被逐步质子化，导致其平衡浓度下降，从而促使草酸钙的溶解度增大。这也是为什么在酸性条件下，碳酸盐、磷酸盐等沉淀物往往更容易被溶解的原因。

五、综合分析与工程意义

在水处理系统中，这些影响因素往往同时存在并相互作用。例如：

（1）在冷却循环水系统中，温度升高与pH变化常常导致碳酸钙、磷酸钙的结垢；

（2）在除磷或除氟系统中，同离子效应可用来控制沉淀反应；

（3）在石灰软化系统中，pH控制直接决定碳酸钙与氢氧化镁的溶解平衡；

（4）在电解脱盐或反渗透系统中，盐效应对离子活度系数的改变影响膜面结垢风险。

因此，理解这些平衡关系，不仅能帮助我们预测沉淀的生成与溶解，还能为药剂投加、pH控制、温度调节等提供科学依据。

总结

沉淀–溶解平衡是水处理化学的核心之一。温度、同离子效应、盐效应和酸效应是决定难溶物质溶解度的主要因素。在实际工程中，只有全面考虑这些因素的综合作用，才能更有效地控制结垢与溶解过程，实现系统稳定运行与水质优化。