[科普中国]-硬水软化

硬水危害

所谓"硬水"是指水中存在溶解的矿物质成分，尤其是钙和镁。所谓“硬水”是指水中所溶的矿物质成分多，尤其是钙和镁。硬水并不对健康造成直接危害，但是会给生活带来好多麻烦，比如用水器具上结水垢、肥皂和清洁剂的洗涤效率减低等。

硬水中含盐量通常以硬度表示。硬度单位是度，1度相当于每升水中含10毫克的氧化钙。硬度在8以上者通常称为硬水，地下水（如井水、泉水）的含盐量较多，属于硬水。在硬水中，钙盐和镁盐以碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物和硝酸盐的形式存在。

硬水在工业上会造成极大的危害甚至危险，例如造成工业锅炉积垢传热不良浪费能源，甚至因传热不匀可能引起爆炸。

硬度分级水在蒸发及降雨过程中吸收溶解大气中的污染物； 降水落到地面，溶解地面上的污物； 地面水渗入地下或汇入江河的过程中，不断溶解所接触到的矿物质，化学物质等。 水在水循环中溶解了所接触到的钙（Ca），镁（Mg）离子，形成了水的硬度。

水的硬度一般是指水里钙镁离子浓度总和，单位为毫摩尔每升（mmol/L）。通常，如果1L水里含有10mg CaO或相当于10mg CaO的物质，例如7.1mg MgO，那么这样的水的硬度称为1度。

通常硬度在0-4度称为很软水，4-8度称为软水，8-16度称为中硬水，16-30度称为硬水，30度以上称为很硬水。

软化方法分类若水的硬度是暂时硬度，这种水经过煮沸以后，水里所含的碳酸氢钙或碳酸氢镁就会分解成不溶于水的碳酸钙和难溶于水的氢氧化镁沉淀。这些沉淀物析出，水的硬度就可以降低，从而使硬度较高的水得到软化。

若水的硬度是永久硬度，往往使用以下几种方法。

1）离子交换法：采用特定的阳离子交换树脂，以钠离子将水中的钙镁离子置换出来，由于钠盐的溶解度很高，所以就避免了随温度的升高而造成水垢生成的情况。这种方法是目前最常用的标准方式。主要优点是：效果稳定准确，工艺成熟。可以将硬度降至0。采用这种方式的软化水设备一般也叫做“离子交换器”（由于采用的多为钠离子交换树脂，所以也多称为“钠离子交换器”）、软水机、软水器。

2）膜分离法：纳滤膜（NF）及反渗透膜（RO）均可以拦截水中的钙镁离子，从而从根本上降低水的硬度。这种方法的特点是，效果明显而稳定，处理后的水适用范围广；但是对进水压力有较高要求，设备投资、运行成本都较高。一般较少用于专门的软化处理。

3）石灰法：向水中加入石灰，主要是用于处理大流量的高硬水，只能将硬度降到一定的范围。

4）电磁法：采用在水中加上一定的电场或磁场来改变离子的特性，从而改变碳酸钙（碳酸镁）沉积的速度及沉积时的物理特性来阻止硬水垢的形成。其特点是：设备投资小，安装方便，运行费用低；但是效果不够稳定性，没有统一的衡量标准，而且由于主要功能仅是影响一定范围内的水垢的物理性能，所以处理后的水的使用时间、距离都有一定局限。多用于商业（如中央空调等）循环冷却水的处理，不能应用于工业生产及锅炉补给水的处理（同时由于该种设备的机理并未得到真正的理论证实）。

5）加药法：向水中加入专用的阻垢剂，可以改变钙镁离子与碳酸根离子结合的特性，从而使水垢不能析出、沉积。现工业上可以使用的的阻垢剂很多。这种方法的特点是：一次性投入较少，适应性广；但水量较大时运行成本偏高，由于加入了化学物质，所以水的应用受到很大限制，一般情况下不能应用于饮用、食品加工、工业生产等方面。在民用领域中也很少应用。

水的暂时硬度是由碳酸氢钙或碳酸氢镁引起的，这种水经过煮沸以后，水里所含的碳酸氢钙或碳酸氢镁就会分解成不溶于水的碳酸钙和难溶于水的碳酸镁沉淀。1

软化的原理除去或减少自然水中的钙盐或镁盐等的过程叫做硬水软化。软化的方法主要有药剂软化法和离子交换法。

药剂软化法①石灰软化法 将生石灰加水调成石灰乳加入水中则可消除水的暂时硬度，反应为

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2O

Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+2CaCO3↓+2H2O

同时石灰乳能使镁、铁等离子从水中沉淀出来，促使胶体粒子凝聚，但此法不能使水彻底软化，它只适用于碳酸盐硬度较高而不要求高度软化的情况，也可作为其他方法的预处理阶段。

②石灰纯碱软化法 即用石灰乳和纯碱的混合液作为水的软化剂。纯碱能消除水的永久硬度，如

CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaCl

MgSO4+Na2CO3→MgCO3↓+Na2SO4

③综合软化法 以石灰乳和纯碱作为基本软化剂，以少量磷酸三钠为辅助软化剂。磷酸三钠能与造成暂时硬度及永久硬度的盐类生成难溶盐使之沉淀。

离子交换法离子交换法可以认为是一种特殊的吸附过程。钠型阳离子交换剂能从溶液中吸附多种阳离子，而把本身的钠离子放入溶液中，从而达到软化的目的。交换剂种类很多。无机离子交换剂交换容量较小，工业上应用较多的磺化煤也趋于淘汰，目前普遍使用的是有机高分子聚合物，又叫离子交换树脂。离子交换树脂由有机高聚物本体和能进行交换的阳离子或阴离子构成，分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂（参见“离子交换树脂”）。阳离子交换树脂又因所带交换基的不同分为钠型（R—Na）、氢型（R—H）、铵型（R—NH4）等。离子交换是一种可逆过程，当硬水流过钠型交换树脂时，Ca，Mg等离子按下式被交换：

2R-Na+Ca2+=CaR2+2Na

随着反应的进行，交换速度越来越慢，继而停止交换。此时必须用食盐水冲洗交换剂，使反应向左进行，交换剂得以再生。实际应用中的操作过程： ①交换 欲处理的水流过离子交换剂层，进行交换，直至交换剂失效； ②反冲洗 使水逆向流过已失效的离子交换剂，除去交换时聚集的悬浮物和破碎的交换剂，并松动交换剂层； ③加入再生剂 使之进行再生反应，并将交换下来的Ca，Mg等离子带出，恢复交换剂的能力；④正洗 使水流经交换剂层，去除所有的再生剂。2